CN107858574A

CN107858574A - 一种多元素复合强化弱织构变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107858574A
Application number: CN201711215443.2A
Authority: CN
Inventors: 余大亮; 张丁非; 戴庆伟; 兰伟; 曹献龙; 柴森森; 邓洪达; 曹鹏军
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明涉及一种多元素复合强化弱织构变形镁合金及其制备方法，各元素组分含量分别为：Zn元素含量5.5％‑6.5％，Al含量1.0％‑6.5％，Mn元素含量0.1％‑0.4％，Sn元素含量0.1％‑0.4％，Ca元素含量0.1％‑0.4％，Cu元素含量0.1％‑0.4％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg；本发明材料与目前已有的无稀土变形镁合金相比具有以下优势：本发明合金经过常规挤压处理后即具有较高的强度和优秀的延伸率；本发明合金具有很弱的宏观织构，力学各向同性好；合金制备成本较低，制备工艺简单。本发明的变形镁合金材料进一步扩大了变形镁合金的应用范围。

Description

一种多元素复合强化弱织构变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于镁合金领域，涉及一种多元素复合强化弱织构变形镁合金，还涉及该镁合金的制备方法。

背景技术

镁合金是密度最小的金属结构材料，具有很高的比强度、高的比刚度、优秀的阻尼性能、电磁屏蔽性好、便于切削加工等一系列优点，镁合金在航空航天，汽车行业和电子产品等方面具有十分广泛的应用前景。虽然镁合金具备以上很多优点，但是也存在一些缺点，例如：绝对强度低、室温变形能力差、化学性质活泼、变形镁合金织构强烈，力学各向异性高。这些缺点限制了镁合金的应用，也成为镁合金发展过程中需解决的问题。为了进一步扩大镁合金的应用范围改善镁合金性能的不足，一般采用两种方法，一种通过大变形处理，另一种是加入合金元素。大变形处理可以有效的提高镁合金的力学性能，消除铸造缺陷，但是大变形处理对设备要求很高，会极大的增加制造成本，同时由于镁合金的密排六方结构，大塑性变形处理后变形镁合金往往呈现出很强的基面织构，基面织构使镁合金力学性能出现各向异性，由于镁合金的密排六方结构，晶体学对称性低，不同的晶面活泼性不同，由于存在织构，镁合金构件在服役中某些取向晶粒优先发生腐蚀，使构件过早失效；镁合金的合金化是改善镁合金缺点常用的方法之一，通过不同合金元素的添加可以优化镁合金的组织，进而改善其性能。合金元素过量添加不仅会增加合金的制造成本，而且会带来诸如热裂、塑性降低等一系列问题。

目前，最常用的改善镁合金力学性能的方法是在镁合金添加适量的合金元素，再配合适当的变形处理得到综合力学性能优异的镁合金材料。镁合金中常用的合金元素有Al、Zn和稀土元素等，添加稀土元素可以有效提高合金力学性能，但是稀土元素成本昂贵，不利于大范围使用；当前主要的商用变形镁合金AZ系和ZK系等主要是添加Al、Zn元素。Al、Zn元素均是主要的强化元素，添加Al元素不仅能提高合金的流动性还能弱化织构，过量的Al会与Mg形成Mg₁₇Al₁₂降低合金延伸率；Zn元素也是主要的强化元素，Zn可以与Cu、Ca和Mg形成化合物，这些化合物能够阻碍挤压过程中晶粒转动，弱化变形合金织构和促进晶粒细化，但是过高的Zn容易引起铸锭热裂，结合相关研究成果，Zn含量6％左右的镁合金具有最优秀的综合力学性能；Mn，Cu，Ca，Sn元素也是镁合金中常见的合金元素，这些元素都具有改善合金组织，提高合金强度的作用。Mn元素可以去除镁合金中Si、Fe等有害杂质，并且能够起到细化晶粒的作用，少量的Mn即可优化合金铸态组织；Cu元素与Al可形成AlCuMg相细化合金铸态组织，CuMg相热稳定性很高，在挤压过程中难以被挤碎，过多的AlCuMg相会降低合金力学性能，Cu元素与Zn可形成MgZnCu相，阻碍晶粒长大；Ca元素能够抑制晶粒生长，同时与Mg中的Al形成Al₂Ca改善力学性能，随着Ca含量增加，Al₂Ca在晶界处连续分布，恶化合金的力学性能；Sn在镁合金中的固溶度很高，也具有很好的强化效果，但是Sn价格昂贵，添加过多的Sn会显著增加镁合金成本。

单一合金元素添加过多会显著恶化镁合金的力学性能，合金元素添加过少，强化作用和对织构的弱化效果不显著。针对以上问题，拟设计开发出多种合金元素微量复合添加，增加合金元素种类，但是每种合金元素含量均控制在较低水平，这样既能利用不同合金元素的强化效果，又能避免合金元素添加过多引起的性能恶化和增加合金制造成本，通过多合金元素的协同强化获得高强度合金。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多元素复合强化弱织构变形镁合金；本发明的目的之二在于提供多元素复合强化弱织构变形镁合金的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多元素复合强化弱织构变形镁合金，所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量5.5％-6.5％，Al元素含量1.0％-6.5％，Mn元素含量0.1％-0.4％，Sn元素含量0.1％-0.4％，Ca元素含量0.1％-0.4％，Cu元素含量0.1％-0.4％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

优选的，所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量5.5％-6.5％，Al元素含量1.0％-6.5％，Mn元素含量0.1％-0.4％，Sn元素含量0.1％-0.4％，Ca元素含量0.1％-0.4％，Cu元素含量0.1％-0.4％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

优选的，所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量6.0％，Al元素含量1.0％-6.0％，Mn元素含量0.1％-0.3％，Sn元素含量0.1％-0.3％，Ca元素含量0.1％-0.3％，Cu元素含量0.1％-0.3％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

优选的，所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量6.0％，Al含量6.0％，Mn元素含量0.3％，Sn元素含量0.3％，Ca元素含量0.3％，Cu元素含量0.3％，余量为Mg。

更优选的，Mn元素、Ca元素和Cu元素分别以Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金和Mg-Cu中间合金形式添加；Al元素，Zn元素和Sn元素以纯Al，纯Zn和纯Sn金属形式添加。

2、所述多元素复合强化弱织构变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：

1)按合金组分称取纯Al，纯Zn，纯Sn，Mg-Mn中间合金，Mg-Ca中间合金，Mg-Cu中间合金和镁锭，将镁锭，Mg-Mn中间合金和纯Sn在690℃-710℃熔炼，待熔化后加入纯Al，纯Zn，Mg-Ca中间合金和Mg-Cu中间合金保温30分钟，然后将炉体温度控制在700℃，往熔体中持续通入氩气15分钟精炼合金，再将合金熔体经过除渣后在690℃-710℃静置30分钟，使杂质沉降；在675℃-685℃半连续铸造，得到半连续铸锭；

2)步骤1)得到的半连续铸锭进行挤压处理，具体方法为：将半连续铸锭随炉升温至350℃保温16～28小时，升温时间6～12h，空冷至18～25℃，在300～350℃挤压，挤压比16～30，挤压前预热1～1.5h。

优选的，步骤2)的挤压处理具体为：将半连续铸锭随炉升温至350℃保温24小时，升温时间8-12h，空冷至室温，在350℃挤压，挤压比20-25，挤压前预热1-1.5h。

本发明的有益效果在于：本发明公开多元素复合强化弱织构镁合金，添加的合金元素均为常见元素，价格低廉，合金元素添加总量少，因此合金制备成本不产生明显增加，与商用镁合金相比制备工艺不发生很大变化。Al元素作为一种有效的强化元素，与Mg形成Mg₁₇Al₁₂相提高合金强度，同时Al也能弱化合金织构；合金使用Mn元素除去熔炼过程中的Si、Fe等有害杂质，Mn元素不与Mg、Al等元素形成化合物，以单质存在镁合金中，过量的Mn会在晶界聚集恶化合金性能，少量的Mn颗粒阻碍晶界迁移进而细化晶粒；利用Cu元素降低合金铸态组织偏聚，Cu与Mg、Zn形成MgZnCu相阻碍晶粒生长，优化铸态组织，过量的Cu会形成连续网状分布化合物，促进裂纹萌生，少量的Cu即可对合金组织有较大的改善；Ca与Mg中的Al形成Al₂Ca改善力学性能，随着Ca含量增加，Al₂Ca在晶界处连续分布，恶化合金的力学性能；少量Sn的添加能够改善合金的塑性，有利于合金的变形处理，Sn含量进一步增加会大大增加合金的制造成本。通过Ca、Cu、Sn元素少量的添加，利用这些元素与Mg、Al形成第二相，这些第二相在挤压过程中阻碍晶界迁移和晶粒旋转，既能挤压后降低晶粒尺寸，又能阻碍强织构的形成；每种合金元素添加量很少，避免了过量添加使析出相粗大，恶化力学性能。充分利用各种元素添加的有利效果，避免合金元素过量添加的不利影响，通过多元素微量添加的协同作用，共同强化镁合金的力学性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例1所得镁合金宏观织构照片；

图2为实施例2所得镁合金宏观织构照片；

图3为实施例3所得镁合金宏观织构照片；

图4为实施例4所得镁合金宏观织构照片；

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，按重量百分比计，该镁合金原料各元素含量如下：Zn元素含量6.0％，Al元素含量6.0％，Mn元素含量0.1％，Sn元素含量0.1％，Ca元素含量0.1％，Cu元素含量0.1％，余量为Mg。

一种多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)分别称取纯Al，纯Zn，纯Sn，Mg-Mn中间合金，Mg-Ca中间合金、Mg-Cu中间合金和镁锭，将镁锭，镁锰中间合金和纯Sn合金在690℃-710℃熔炼，待镁锭，镁锰中间合金和纯Sn熔化后加入纯Al，纯Zn，Mg-Ca中间合金和Mg-Cu中间合金，保温30分钟，将炉体温度控制在700℃左右，往熔体中持续通入氩气15分钟精炼合金，合金熔体经过除渣后在690℃-710℃静置30分钟，使杂质沉降；在675℃-685℃半连续铸造，得到半连续铸锭。

2)将步骤2)处理后的镁合金进行挤压处理：将铸态合金随炉升温至350℃保温24小时，升温时间12h，空冷至室温，在350℃挤压，挤压比25，挤压前预热1h。

实施例2

一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，按重量百分比计，该镁合金原料各元素含量如下：Zn元素含量6.0％，Al含量6.0％，Mn元素含量0.3％，Sn元素含量0.3％，Ca元素含量0.3％，Cu元素含量0.3％，余量为Mg。

2)将步骤2)处理后的镁合金进行挤压处理：将铸态合金随炉升温至350℃保温16小时，升温时间6h，空冷至室温，在350℃挤压，挤压比16，挤压前预热1.5h。

实施例3

一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，按重量百分比计，该镁合金原料各元素含量如下：Zn元素含量6.0％，Al含量1.0％，Mn元素含量0.1％，Sn元素含量0.1％，Ca元素含量0.1％，Cu元素含量0.1％，余量为Mg。

2)将步骤2)处理后的镁合金进行挤压处理：将铸态合金随炉升温至350℃保温28小时，升温时间8h，空冷至室温，在300℃挤压，挤压比3，挤压前预热1h。

实施例4

一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，按重量百分比计，该镁合金原料各元素含量如下：Zn元素含量6.0％，Al含量1.0％，Mn元素含量0.3％，Sn元素含量0.3％，Ca元素含量0.3％，Cu元素含量0.3％，余量为Mg。

2)将步骤2)处理后的镁合金进行挤压处理：将铸态合金随炉升温至350℃保温24小时，升温时间12h，空冷至室温，在350℃挤压，挤压比20，挤压前预热1h。

性能测试：

1、力学性能检测：

根据国标GB228-2002的标准，将实施例1、2及对比实施例1-4处理所得镁合金材料加工成标准拉伸试样进行拉伸试验，所得拉伸曲线分析得到各实施例镁合金主要力学指标如表1所示：

表1.实施例所得镁合金性能测试

由表1可以看出，经过多元素复合添加后变形镁合金的力学性能达到较高的水平，其中，实施例2镁合金的拉伸屈服强度和抗拉强度分别为253MPa、360MPa，延伸率13.2％，已经达到商用高强镁合金ZK60的水平；实施例4屈服强度和抗拉强度分别为249Mpa、330MPa，延伸率高达16.2％。从实施例中可以看出通过微量合金元素添加后合金的力学性能均有一定程度的提升，合金力学性能的提升和Al元素含量关系不十分明显，但是与Ca、Cu、Mn、Sn添加的总量有关，这四种元素添加在0.3％时，合金具有最优秀的力学性能。经过本发明的镁合金制造成本只发生较少的增加，在普通的变形设备上即可完成，所发明的镁合金拉伸力学性能提高同时延伸率也有一定程度的改善。因此，本发明多元素复合强化高强度低成本镁合金及制备可以获得力学性能优异的变形镁合金，扩大镁合金的使用范围。

2、显微组织分析：

图1为实施例1所得镁合金的宏观织构照片；图2为实施例2所得镁合金的宏观织构照片；图3为实施例3所得镁合金的宏观织构照片；图4为实施例4所得镁合金的宏观织构照片；宏观织构图中挤压方向为垂直纸面。

对比图1，图2，图3，图4可以看出4种实施例所得的变形镁合金都呈现典型的丝织构，即大部分晶粒的基面平行于挤压方向分布，但是4种实施例所得合金的织构强度均较弱。随着合金元素添加的量的不同，变形镁合金挤压织构强度呈现一定程度的差异。其中，添加相同含量的Cu、Ca、Mn、Sn时，Al添加越多织构强度越弱；添加相同含量的Al时，Cu、Ca、Mn、Sn的含量越高，变形镁合金织构强度越弱。变形镁合金织构强度减弱，不仅可以优化其力学性能，降低变形镁合金的拉亚屈服不对称性，而且也能改善合金的腐蚀性能。

综上所述，本发明一种多元素复合强化弱织构变形镁合金，不含贵重稀土元素，制备工艺简单，力学性能优异，同时织构强度很弱，具有较为广阔的用途。本发明也为设计新型高强、高各向同性变形镁合金提供了新的思路。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种多元素复合强化弱织构变形镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量5.5％-6.5％，Al元素含量1.0％-6.5％，Mn元素含量0.1％-0.4％，Sn元素含量0.1％-0.4％，Ca元素含量0.1％-0.4％，Cu元素含量0.1％-0.4％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述多元素复合强化弱织构变形镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量5.5％-6.5％，Al元素含量1.0％-6.5％，Mn元素含量0.1％-0.4％，Sn元素含量0.1％-0.4％，Ca元素含量0.1％-0.4％，Cu元素含量0.1％-0.4％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

3.根据权利要求1所述多元素复合强化弱织构变形镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量6.0％，Al元素含量1.0％-6.0％，Mn元素含量0.1％-0.3％，Sn元素含量0.1％-0.3％，Ca元素含量0.1％-0.3％，Cu元素含量0.1％-0.3％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。

4.根据权利要求1所述多元素复合强化弱织构变形镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Zn元素含量6.0％，Al含量6.0％，Mn元素含量0.3％，Sn元素含量0.3％，Ca元素含量0.3％，Cu元素含量0.3％，余量为Mg。

5.根据权利要求1～4任一项所述多元素复合强化弱织构变形镁合金，其特征在于：Mn元素、Ca元素和Cu元素分别以Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金和Mg-Cu中间合金形式添加；Al元素，Zn元素和Sn元素以纯Al，纯Zn和纯Sn金属形式添加。

6.权利要求1～5任一项所述多元素复合强化弱织构变形镁合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)的挤压处理具体为：将半连续铸锭随炉升温至350℃保温24小时，升温时间8-12h，空冷至室温，在350℃挤压，挤压比20-25，挤压前预热1-1.5h。