CN107541627A - 一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材及其制备方法。其化学成分质量百分比为：3‑5%的Al或1‑2%的Zn,0.2‑2%的Ca,0‑0.8%的Gd,余量为Mg，且不同时含有Al，Zn元素。制备方法为：镁合金经过铸造（半连续水冷或固模铸造）及固溶处理在300‑450℃保温12‑20小时，空冷至室温后，制成板坯。板坯在400‑450℃进行热轧处理，总压下率为90%。其中，前两道次压下率在10%以内，中间道次压下率在10‑30%，最后两道次在450‑500℃升温轧制，压下率在10‑15%。轧成板材在350℃下退火30‑60分钟。该镁合金板材具有良好的抗拉强度、延伸率和室温成形性能。

Description

一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材及其制备方法。

背景技术

镁合金具有良好的比强度、比刚度、减震性能、尺寸稳定性、可加工性以及低的浇注成本。加之镁属于轻质、丰富的资源，因此在电子元件、结构件等方面具有广阔的应用前景。然而镁合金的密排六方结构导致其力学性能较差，另外镁合金变形过程中会形成强烈的基面织构，导致其成形性能也相对较差。较差的力学和成形性能极大地限制了镁合金的应用。板材成形性主要通过杯突值(IE值)来衡量。金属板材杯突试验，融合拉伸和胀形的工艺特点，是测定板材成形性能的重要试验方法之一，已成为一种测定材料成形性的标准试验。金属板的IE值越高，其成形性越好。

目前，提高镁合金的力学性能、改善其成形性主要有两种方式。一种方式是改进加工工艺，即利用异步轧制(DSR)、等径角挤压(ECAP)等方式弱化基面织构，改善镁合金成形性。另一种方式是优化合金组分，即通过添加碱土或稀土等元素提高镁合金的强度和塑性。碱土和稀土元素的添加也使镁合金的基面织构在退火过程中沿横向(TD)方向发生分离，能够弱化基面织构，改善了成形性。

沈阳理工大学报道了一种高性能镁合金板材制备方法(专利公开号CN 104313523A)，其采用滚压-轧制复合形变的加工工艺，改变了镁合金板材的孪晶组织，弱化了基面织构。但此制备方法复杂，生产效率低并难以工业化推广。哈尔滨工业大学报道了一种超高强镁合金板材及其制备方法(专利公开号CN 102337441 A)，该镁合金的成分及质量百分比为2.0-17.0％的Gd，3.0-18.0％的Y，0.5-3.5％的Zn，0.1-1.5％的Zr。其中，如表1所示，含有质量百分比8.3％的Gd，3.8％的Y，1％的Zn，0.4％的Zr的镁合金，其抗拉强度达到403MPa，延伸率到达13.7％。然而该种合金稀土含量很高，且添加了Zr元素，合金制造成本高昂。另外该合金延伸率较低，不具有良好的综合性能。东南大学报道了一种高强度变形镁合金(专利公开号CN 1584090 A)，其组分为1.5-3.5％的Al，0.2-4％的Zn，0.1-0.6％的Mn，0.01-2.0％的Ca，0.05-2.0％的Si，余量为Mg。如表1所示，该发明中含有质量分数为1.5％的Al，4.0％的Zn，0.12％的Mn，0.05％的Ca和0.10％的Si的镁合金轧制板材，其抗拉强度为304MPa，延伸率为15.2％。虽然该合金抗拉强度较高，但屈服强度仅达到198MPa，且延伸率仍然较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好室温成形性的镁合金板材及其制备方法，此合金不仅室温成形性好，而且力学性能、耐热性能、耐蚀性能等综合性能优异。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材，所述镁合金板材各组分的质量百分比如下：

Ca：0.2-2％；

Gd：0-0.8％；

所述镁合金板材还包括：Al：3-5％或Zn：1-2％；

余量为Mg。

进一步的，所述各组分优选的质量百分比如下：

Ca：0.2-0.5％；

Gd：0.2-0.4％；

所述镁合金板材还包括：Al：3-4％或Zn：1-2％；

余量为Mg。

进一步的，所述镁合金板材的抗拉强度为243-263MP，延伸率为18-24％，IE值为4-6。

一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材的制备方法，所述方法用于制备上述的变形镁合金板材，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一，配料：按照组分的质量百分比称取原料，原料为：质量百分比不小于99.9％的镁锭、质量百分比不小于99.9％的铝锭、质量百分比不小于99.99％的锌锭、镁钙中间合金、镁钆中间合金；

步骤二，熔炼和铸造：将原料放入真空感应冶炼炉内，升温至750℃保温10-15分钟，然后通过半连续水冷铸造或固模铸造得到镁合金铸锭；

步骤三，固溶处理：将第二步制得的镁合金铸锭在300-450℃保温12-20h，空冷至室温；

步骤四，热轧：将固溶处理后的镁合金铸锭切割成一定厚度的板坯，板坯在400-450℃下热轧，热轧总压下量为90％，热轧后的板材在剪切机上切掉头、尾和边部缺陷，得到板形良好的镁合金热轧板材；

步骤五，退火：将第四步得到的热轧板材放入350℃炉内进行退火处理，退火时间为30-60min。

进一步的，所述步骤二熔炼过程中原料完全熔化后进行电磁、机械或气体搅拌约5-10分钟。

进一步的，所述步骤四板坯在400-450℃下进行热轧，热轧过程第一和第二道次压下率控制在10％以内，中间道次压下率控制在10-30％，最后两道次轧制温度为450-500℃，压下率为10-15％，每道次间保温5-8分钟。

本发明中Al，Zn，Ca以及稀土元素Gd的添加可以有效提高镁合金的力学性能和成形性。结合特殊的轧制工艺，如升温轧制可进一步弱化织构，提高其成形性。并且，与公开号为CN 104313523 A的专利中采用的滚压-轧制复合形变的加工工艺相比，基于普通轧制的升温热轧工艺具有更高的生产效率和更低的生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的特点，下面将对本发明实例通过附图表进行介绍。

图1为本发明中第1实施例Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2镁合金板材轧制、退火后的微观组织照片；

图2为本发明中第2实施例Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2镁合金板材轧制、退火后的微观组织照片；

图3为不同合金的IE值图，其中A为现有技术中的AZ31(NR)，B为现有技术中的AZ31(DSR)，C为现有技术中的Mg_96.5Al₃Ca_0.5，D为现有技术中的Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2，，E为实施例1中的Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2，F为现有技术中的Mg_97.8Zn₂Ca_0.2，G为现有技术中的Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2，H为实施例2中的Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材，所述镁合金板材各组分的质量百分比如下，且不同时含有Al，Zn元素：

Al：3-5％或Zn：1-2％；

Ca：0.2-2％；

Gd：0-0.8％；

余量为Mg。

所述镁合金板材的抗拉强度为243-263MP，延伸率为18-24％，IE值为4-6。

上述各组分优选的质量百分比为Al：3-4％或Zn：1-2％，Ca：0.2-0.5％，Gd：0.2-0.4％，余量为Mg，且不同时含有Al，Zn元素。

优选的质量百分比为3-4％的Al可以有效强化镁合金，并且改善镁合金的可轧制性，提高镁合金的耐腐蚀性；优选的质量百分比为1-2％的Zn起到固溶强化的作用，并与Mg，Gd等元素形成第二相粒子，具有沉淀强化的作用；优选的质量百分比为0.2-0.5％的Ca不仅可以细化晶粒，强化镁合金，而且能够改善镁合金的退火织构，与公开号为CN 102337441 A专利的镁合金板材相比提高了延伸率和成形性；最后，优选的质量百分比0-0.4％的Gd可以提高镁合金的强度和延伸率，弱化镁合金的基面织构，并提高了镁合金板材的成形性。并且，与公开号为CN 102337441 A专利相比，本专利的稀土元素种类较少，含量也有很大减少，从而降低了成本。此外，与公开号为CN 102337441 A和CN1584090 A的专利相比，Ca和Gd元素的复合添加能够净化熔体，进一步弱化基面织构，提高镁合金的延伸率和成形性。此外，本专利采用了最后两道次升温轧制工艺，可以在保证力学性能的同时，弱化变形镁合金织构，改善镁合金板材的成形性能。

一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材及其制备方法，其具体步骤如下：

步骤一，配料。按照组分的重量百分比称取原料。原料为：镁锭(质量百分比不小于99.9％)、铝锭(质量百分比不小于99.9％)、锌锭(质量百分比不小于99.99％)、镁钙中间合金、镁钆中间合金。

步骤二，熔炼和铸造。将原料放入真空感应冶炼炉内，升温至750℃保温10-15分钟，原料完全熔化后进行电磁、机械或气体搅拌约5-10分钟，然后通过半连续水冷铸造或固模铸造得到铸锭。

步骤三，固溶处理。将镁合金铸锭置于加热炉内，在300-450℃保温12-20h，然后空冷至室温。

步骤四，热轧。将固溶处理后的铸锭切成一定厚度的板坯，并在400-450℃进行热轧，热轧过程第一和第二道次压下率控制在10％以内，中间道次压下率控制在10-30％，最后两道次轧制温度为450-500℃，压下率为10-15％。总压下率为90％，每道次之间保温5-8分钟。热轧完成后，热轧板材在剪切机上切掉头、尾和边部缺陷，得到板形良好的镁合金热轧板材。

步骤五，退火。将热轧板材放入350℃炉内进行退火处理，退火时间为30-60min。

【实施例1】

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2镁合金板材，按照组分的质量百分比称取原料，原料为：质量百分比为99.99％的镁锭、质量百分比为99.9％铝锭、质量百分比为30％的镁钙中间合金、质量百分比为30％的镁钆中间合金。根据镁合金的名义成分，并考虑各种元素的热损，进行配料。

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2的熔炼和铸造。将原料放入真空感应冶炼炉的坩埚内，然后将冶炼炉抽成真空，并在氦气的保护下进行加热。升温至750℃保温10分钟，待原料完全融化后对熔融液体进行电磁搅拌约5分钟。最后将熔融的金属液体浇注于石墨坩埚内并将其置于空气中冷却，得到铸锭。

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2的固溶处理。将镁合金铸锭置于加热炉内，在450℃保温12h，然后空冷至室温。

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2的热轧。将固溶处理后的镁合金铸锭线切割成厚度为10mm的板坯，打磨表面，为热轧做准备。热轧具体过程如下：板坯在450℃下保温大约30min后进行热轧。热轧总压下量为90％，即板材最终厚度为1mm。热轧过程第一道次和第二道次压下率分别为7％和9％，其余道次压下率控制在10％-30％。其中，最后两道次轧制温度为500℃，压下率分别为15％和10％。由于镁合金散热快，为确保轧制温度的稳定，每道次轧制完成后，试样在加热炉内450℃下保温5min。热轧完成后，热轧板材在剪切机上切掉头、尾和边部缺陷，得到板形良好的镁合金热轧板材。

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2热轧板材退火。将电阻式加热炉升温至350℃，保持5min后，将热轧板材放入炉内进行退火处理，退火时间为60min。

Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2板材的屈服强度为234MPa，抗拉强度为263MPa，延伸率为18％，IE值为4。其轧制、退火后板材的微观组织照片见图1。此外，经测定，该合金还具有较好的耐热和耐腐蚀性能。其在室温下大气中的燃点为：969.75K；在PH值为6.5-7.2的3.5wt％NaCl溶液的盐雾试验中的腐蚀速率为：0.334mg/cm²/day。

【实施例2】

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2镁合金板材，按照组分的质量百分比称取原料，原料为：质量百分比为99.99％的镁锭、质量百分比为99.99％锌锭、质量百分比为30％的镁钙中间合金、质量百分比为30％的镁钆中间合金。根据镁合金的名义成分，并考虑各种元素的热损，进行配料。

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2的熔炼和铸造。将原料放入真空感应冶炼炉的坩埚内，然后将冶炼炉抽成真空，并在氦气的保护下进行加热。升温至750℃保温12分钟，待原料完全融化后对熔融液体进行电磁搅拌约7分钟。最后将熔融的金属液体浇注于石墨坩埚内并将其置于空气中冷却，得到铸锭。

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2的固溶处理。将镁合金铸锭置于加热炉内，在300℃保温20h，然后空冷至室温。

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2的热轧。将固溶处理后的镁合金铸锭线切割成厚度为10mm的板坯，打磨表面，为热轧做准备。热轧具体过程如下：板坯在400℃下保温大约30min后进行热轧。热轧总压下量为90％，即板材最终厚度为1mm。热轧过程第一道次和第二道次压下率控制在分别为5％和7％，其余道次压下率控制在10％-25％。其中，最后两道次轧制温度为450℃，压下率分别为13％和10％。由于镁合金散热快，为确保轧制温度的稳定性，每道次轧制完成后，试样在加热炉内400℃下保温6min。热轧完成后，热轧板材在剪切机上切掉头、尾和边部缺陷，得到板形良好的镁合金热轧板材。

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2板材轧后退火处理。将最终轧制的板材放入电阻式加热炉中，在350℃下保温30min。

Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2板材的屈服强度为168MPa，抗拉强度为243MPa，延伸率为24％，IE值为6。其轧制、退火后板材的微观组织照片见图2。此外，经测定，该合金还具有较好的耐热和耐腐蚀性能。其在室温下大气中的燃点为：986.25K；在PH值为6.5-7.2的3.5wt％NaCl溶液的盐雾试验中的腐蚀速率为：0.370mg/cm²/day。

本发明与现有技术相比，抗拉强度、延伸率以及IE值得到明显改善。如图3所示，普通轧制AZ31(NR)的IE值只有3.45(A现有技术1)，即使通过异步轧制(DSR)，其IE值也仅提高到3.73(B现有技术2)。未经过成分调整的普通轧制的Mg_96.5Al₃Ca_0.5板材，其抗拉强度为149MPa，延伸率为17％，IE值为3.5(C现有技术3)，成形性能与AZ31相当。本发明通过成分调整添加了0.2wt％Gd，采用普通轧制工艺，其抗拉强度提高到265MPa，延伸率提高到17％，IE值提高到4.0(D现有技术4)。然而，采用最后两道次升温轧制的工艺，其抗拉强度为263，延伸率为18％，IE进一步提高到4.5(E实施例1)。普通轧制的Mg-2Zn-0.2Ca板材的抗拉强度为240MPa，延伸率为22％，IE值为4.44(F现有技术5)，成形性高于AZ31。本发明通过成分优化，添加了0.2wt％Gd，经过普通轧制工艺，其抗拉强度提高到245MPa，延伸率提高到24％，IE值也提高到5.5(G现有技术6)。然而，采用最后两道次升温轧制工艺后，其抗拉强度为243MPa，延伸率为24％，IE值提高到6.0(H实施例2)。总之，通过成分优化，结合最后两道次升温轧制的工艺，镁合金的力学性能和室温成形性与已有的技术工艺相比得到显著提高。

表1Mg_96.5Al₃Ca_0.5,Mg_97.8Zn₂Ca_0.2,Mg_96.3Al₃Ca_0.5Gd_0.2,Mg_97.6Zn₂Ca_0.2Gd_0.2以及其他引用专利合金的力学性能和IE值

本发明中Al，Zn，Ca以及稀土元素Gd的添加可以有效提高镁合金的力学性能和成形性。结合特殊的轧制工艺，如升温轧制可进一步提高其成形性。并且，与公开号为CN104313523 A的专利中采用的滚压-轧制复合形变的加工工艺相比，基于普通轧制的升温热轧工艺具有更高的生产效率和更低的生产成本。

Claims (6)

1.一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材，其特征在于，所述镁合金板材各组分的质量百分比如下：

Ca：0.2-2%；

Gd：0-0.8%；

所述镁合金板材还包括：Al：3-5%或Zn：1-2%；

余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的变形镁合金板材，其特征在于，所述各组分优选的质量百分比如下：

Ca：0.2-0.5%；

Gd：0.2-0.4%；

所述镁合金板材还包括：Al：3-4%或Zn：1-2%；

余量为Mg。

3.根据权利要求1所述的变形镁合金板材，其特征在于，所述镁合金板材的抗拉强度为243-263MP，延伸率为18-24%，IE值为4-6。

4.一种具有良好室温成形性的变形镁合金板材的制备方法，所述方法用于制备如权利要求1-3之一所述的变形镁合金板材，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一，配料：按照组分的质量百分比称取原料，原料为：质量百分比不小于99.9%的镁锭、质量百分比不小于99.9%的铝锭、质量百分比不小于99.99%的锌锭、镁钙中间合金、镁钆中间合金；

步骤二，熔炼和铸造：将原料放入真空感应冶炼炉内，升温至750℃保温10-15分钟，然后通过半连续水冷铸造或固模铸造得到镁合金铸锭；

步骤三，固溶处理：将第二步制得的镁合金铸锭在300-450℃保温12-20h，空冷至室温；

步骤四，热轧：将固溶处理后的镁合金铸锭切割成一定厚度的板坯，板坯热轧，热轧总压下量为90%，热轧后的板材在剪切机上切掉头、尾和边部缺陷，得到板形良好的镁合金热轧板材；

步骤五，退火：将第四步得到的热轧板材放入350℃炉内进行退火处理，退火时间为30-60min。

5.根据权利要求4所述的变形镁合金板的制备方法，其特征在于，所述步骤二熔炼过程中原料完全熔化后进行电磁、机械或气体搅拌约5-10分钟。

6.根据权利要求4所述的变形镁合金板的制备方法，其特征在于，所述步骤四板坯在400-450℃下进行热轧，热轧过程第一和第二道次压下率控制在10%以内，中间道次压下率控制在10-30%，最后两道次轧制温度为450-500℃，压下率为10-15%，每道次间保温5-8分钟。