CN108103375A - 一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法，属于镁合金生产技术领域，按质量百分比计，所述镁合金包括如下组分：Zn：5.0‑7.0％；Mn：0.5‑1.5％；Gd：1.0‑8.0％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。该镁合金不但具有较高的强度，还具有较高的塑性，其抗拉强度为316‑373MPa，屈服强度为234‑333MPa，延伸率为11.8‑18％。通过熔炼和塑性加工而成，制备工艺简单，可采用常规化的铸锭制备手段冶炼，具有工业使用价值，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，在现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金。

Description

一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金生产技术领域，具体涉及一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前密度最小的金属结构材料，具有比强度、比刚度高，阻尼性能好，易于切削加工等优点，广泛应用于汽车、电子、航天航空和国防军事工业等领域。特别是密度低这一特性，在汽车轻量化这一新兴领域具有广泛的应用前景，不仅能够降低汽车的重量，同时还能够降低能源消耗和排放，对于节能减排具有重大的意义。
镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类，与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更优良的综合力学性能，因此对变形镁合金的研究就尤为重要。目前的商用变形镁合金还是主要以Mg-Zn和Mg-Al为主，但是其室温强度不高、塑性变形困难这一特点限制了镁合金在工业中的进一步应用。专利200710078329.X公开了一种高含锌量的镁-锌-锰系镁合金，价格低廉，但抗拉强度低于ZK60。专利CN106148785A公开了一种室温高延展性变形镁合金及其制备方法，该镁合金室温延展性达到了30-50％，但是其拉伸屈服强度在110MPa左右，远远不能满足工业应用的要求，因此，急需一种高强度高塑性镁合金及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金，目的之二在于提供一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金，按质量百分比计，所述镁合金包括如下组分：Zn：5.0-7.0％；Mn：0.5-1.5％；Gd：1.0-8.0％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。
进一步，按质量百分比计，所述镁合金包括如下组分：Zn：5.5-6.5％；Mn：0.7-1.0％；Gd：1.0-6.0％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。
2、所述的一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)熔炼：根据所述镁合金中各元素的质量百分比，称取镁锭、锌锭、镁钆中间合金和氯化锰，将镁锭在720-730℃下熔化、打渣后加入锌锭和氯化锰，然后升温至760-780℃，再加入镁钆中间合金，待所述锌锭、氯化锰和镁钆中间合金全部熔化后再继续搅拌5-10min，最后将合金熔体经除渣后静置至杂质沉降，在690-720℃下半连续铸造，制得半连续铸锭；
(2)塑性加工：将步骤(1)中制备的半连续铸锭进行均匀化退火处理，然后经冷却后进行车皮，最后将车皮后的铸锭在350℃下进行变形加工，制得镁锌锰钇合金。
进一步，步骤(1)中，所述镁钆中间合金中含25wt％的钆元素。
进一步，步骤(2)中，所述均匀化退火处理具体为在330℃下保温24h。
进一步，步骤(2)中，所述变形加工的方式为挤压、轧制或锻造中的一种。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金及其制备方法，通过控制该镁合金中各组成成分的含量来控制第二相，使最终制备的镁合金不但具有较高的强度，还具有较高的塑性，其抗拉强度为316-373MPa，屈服强度为234-333MPa，延伸率为11.8-18％。该镁合金中稀土元素Gd，合金元素锌以及基体元素镁结合形成一系列具有一定体积分数和大小的Mg-Zn-Gd三元相，该三元相主要有三种，准晶I相(Mg3Zn6Gd，二十面体准晶，具有优良机械性能)、面心立方W相(Mg2Zn3Gd2，立方结构，高温稳定相)和长周期结构X相(Mg12ZnGd，18R结构)，其中，I相为塑性相，该相不但能够与基体共格，具有良好的界面稳定性，裂纹沿界面扩展的几率小，并且弥散的I相可以作为在镁合金塑性加工过程中动态再结晶的形核基底，促进形核，提高塑性。同时，I相的高热稳定性能够有效的抑制晶界的迁移，阻碍位错扩展，在提高合金塑性的同时还能保证合金具有一定的强度。W相为强化相，该相热稳定性高，能有效阻碍位错的和晶界的移动，但是它与基体界面不共格，W相的增加，塑性会有所降低，但是由于晶粒细化的作用，其塑性降低并不明显。同时，将镁合金中Zn的含量控制为5.0-7.0％，使其能够在挤压过程中析出更多的Mg7Zn3颗粒，阻碍位错运动，提高强度，同时，弥散的Mg7Zn3颗粒还可以作为形核的基底，促进形核，细化晶粒，可以同时提高强度和塑性，使最终制备的镁合金的屈服强度和抗拉强度较ZM21分别提高了25％和30％。Gd固溶在镁合金基体中，造成晶格畸变，形成置换固溶体，起到固溶强化作用，但高含Gd量镁合金虽然强度高，但是塑性低，且成本高，不利于批量生产，而低含Gd量的镁合金虽然塑性高，但是强度低，难以满足工业上的应用要求，本发明将Gd的含量控制在1.0-8.0％，可以同时提高镁合金的塑性及强度。将镁合金中Mn的含量控制为0.5-1.5％，一方面可以在熔炼过程中降低杂质Fe的含量，提高合金的综合性能；另一方面，在挤压过程中会析出大量的弥散的α-Mn颗粒，弥散的α-Mn颗粒够阻碍位错运动和晶界迁移，提高合金的强度，而且弥散的α-Mn颗粒也会影响动态再结晶过程，阻碍已再结晶晶粒的长大，细化晶粒，提高综合力学性能。该镁合金制备工艺简单，可采用常规化的铸锭制备手段冶炼，具有工业使用价值，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，在现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金。
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1-3及对比例中制备的镁合金的XRD图；
图2为实施例1中制备的镁合金的金相扫描图；
图3为实施例2中制备的镁合金的金相扫描图；
图4为实施例3中制备的镁合金的金相扫描图；
图5为对比例中制备的镁合金的金相扫描图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1-3及对比例
按照如下方法制备镁合金，最终制备的镁合金中各组分质量百分比含量见表1：
(1)熔炼：根据镁合金中各元素的质量百分比，称取镁锭、锌锭、镁-25％钆中间合金和氯化锰，将镁锭在720℃下熔化、打渣后加入锌锭和氯化锰，然后升温至780℃，再加入镁钆中间合金，待所述锌锭、氯化锰和镁钆中间合金全部熔化后再继续搅拌10min，最后将合金熔体经除渣后静置至杂质沉降，在690℃下半连续铸造，制得半连续铸锭；
(2)塑性加工：将步骤(1)中制备的半连续铸锭在330℃下保温24h，然后冷却至室温后进行车皮，最后将车皮后的铸锭预热1h后，进行挤压成型，据此制得镁锌锰钆合金，挤压主要工艺参数见如表2所示。
表1实施例1-3及对比例中制备的镁合金中组分质量百分比含量
表2实施例1-3及对比例制备镁合金挤压时的主要工艺参数
对实施例1-3及对比例制备镁合金进行微观分析及性能测试
1、微观组织表征
将实施例1-3及对比例制备的镁合金表面经400-1200号碳化硅水磨砂纸磨平后，用X-射线衍射仪分别对各样品进行物相分析，结果如图1所示，由图1可知，实施例1-3中制备的镁合金中I相的衍射峰逐渐减弱，表明随着Gd含量的增加，I相的含量逐渐减低。W相的衍射峰逐渐增强，说明W相的含量逐渐增加，其中实施例1没有W相的衍射峰，说明没有W相存在。对比例制备的镁合金中，没有观察到I相和W相的峰，证明该镁合金中不存在I相和W相，对比例制备的镁合金中的主要物相为α-Mg和Mg7Zn3。
将实施例1-3及对比例制备的镁合金表面经400-1200号碳化硅水磨砂纸磨平后，用金相显微镜分别对各样品进行晶相分析，结果如图2-5所示，由图2-5可知，与对比例制备的镁合金相比，实施例1-3制备的镁合金的晶粒均得到细化，晶粒尺寸明显减小且分布更加均匀。图2-4中的热稳定相沿晶界分布，在变形过程中进一步阻碍再结晶晶粒的长大。
2、力学性能测试
根据国标GB228-2002的标准，将实施例1-3及对比例制备的镁合金加工成标准拉伸式样，进行室温拉伸试验，得出本发明的室温力学性能，如表3所示：
表3各试样力学性能
实施例 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 263 338 18
实施例2 305 354 15
实施例3 328 372 12
对比例 207 304 11
由表3可知，实施例1-3中制备的镁合金的屈服强度，抗拉强度，延伸率都明显高于对比例中制备的镁合金，且强度随着Gd含量的增加而增加。
取AZ31，ZK60，AM30三种典型的商用镁合金和实施例1中制备的镁合金进行对比，结果如表4所示：
表4各商用镁合金和实施例1中制备的镁合金的力学性能
由表4可知，和传统用变形镁合金AZ31相比，实施例1中制备的镁合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了31.5％和20％，延伸率提高了50％；和含Zr的ZK60相比，实施例1中制备的镁合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了14.3％和5.6％，延伸率提高了63.6％；和AM30相比，实施例1中制备的镁合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了25.2％和23.3％，延伸率提高了91.4％。足以证明本发明中的镁合金相比现有的镁合金，在塑性和强度上都有明显的提高。
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 (6)

1.一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金，其特征在于，按质量百分比计，所述镁合金包括如下组分：Zn：5.0-7.0％；Mn：0.5-1.5％；Gd：1.0-8.0％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。
2.如权利要求1所述的一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金，其特征在于，按质量百分比计，所述镁合金包括如下组分：Zn：5.5-6.5％；Mn：0.7-1.0％；Gd：1.0-6.0％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。
3.权利要求1或2所述的一种高强度高塑性镁锌锰钆镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)熔炼：根据所述镁合金中各元素的质量百分比，称取镁锭、锌锭、镁钆中间合金和氯化锰，将镁锭在720-730℃下熔化、打渣后加入锌锭和氯化锰，然后升温至760-780℃，再加入镁钆中间合金，待所述锌锭、氯化锰和镁钆中间合金全部熔化后再继续搅拌5-10min，最后将合金熔体经除渣后静置至杂质沉降，在690-720℃下半连续铸造，制得半连续铸锭；
(2)塑性加工：将步骤(1)中制备的半连续铸锭进行均匀化退火处理，然后经冷却后进行车皮，最后将车皮后的铸锭在350℃下进行变形加工，制得镁锌锰钇合金。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镁钆中间合金中含25wt％的钆元素。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述均匀化退火处理具体为在330℃下保温24h。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述变形加工的方式为挤压、轧制或锻造中的一种。
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