CN108118221A - 一种高强韧变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强韧变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种高强韧变形镁合金及其制备方法，该镁合金成分为3wt％～8wt％的铝、1wt％～6wt％的锌、0.5wt％～3wt％的钙、≤0.5wt％的锰和余量的镁。本发明镁合金可通过熔炼铸锭及先微变形量镦粗后反挤压，或增加固溶、或增加时效处理得到具有拉伸屈服强度为180～320MPa，抗拉强度330～400MPa，延伸率10％～25％的新型高强韧镁合金。

Description

一种高强韧变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金，更特别地说，是指一种可热处理强化高强韧变形镁合金。该新型镁合金可作为潜在的商用耐热高强韧镁合金或高强韧镁合金。
背景技术
镁合金是一种低密度的金属材料，但因由于它的hcp结构，作为工程结构材料的镁合金强塑性匹配性差。目前，商业上大量应用的AZ系镁合金经变形及热处理后屈服强度一般不大于180MPa，抗拉强度不超过300MPa，延伸率在12％左右，屈强比一般在0.5～0.7。另一类商用ZK系镁合金，如ZK60挤压棒材T5态抗屈服强度为280MPa，拉强度为350MPa，延伸率为11％，屈强比为0.8。事实上，为满足更高性能结构材料的使用要求，进一步拓展镁合金应用范围，研发新型高强韧镁合金刻不容缓。
近年来，为适应镁合金在汽车轻量化中的应用，研发了大量的高强韧镁合金，主要是以稀土系镁合金为主，虽然获得了非常高的强韧性，但不可避免的增加了成本。
发明内容
本发明设计的Mg-Al-Zn-Ca-Mn合金是一种新型的低成本高强韧镁合金体系，且由于获得的含Ca第二相具备高热稳定性，其具备在高温条件下服役的能力，这对发展应用高强耐热镁合金十分重要。通过添加高含量的Al、Zn和Ca，形成了高热稳定性的Mg-Al-Ca或Ca-Mg-Zn相作为增强相，此外，使得Mg-Al-Zn-Ca-Mn合金具备可热处理强化的性能。制备本发明的镁合金通过变形工艺，以铸态直接挤压和固溶处理后挤压为例，制备了可热处理强化的高强韧Mg-Al-Zn-Ca-Mn镁合金。
本发明的低成本可热处理强化的高强韧变形镁合金，其合金成分为3wt％～8wt％的铝(Al)、1wt％～6wt％的锌(Zn)、0.5wt％～3wt％的钙(Ca)、≤0.5wt％的锰(Mn)和余量为镁(Mg)。在本发明中，高强韧变形镁合金也包含有允许范围内的杂质。
本发明的镁合金以Al、Zn和Ca为作为主要元素，添加Mn是由于工业合金中经常用Mn来除Fe并可提高镁合金的耐腐蚀性。可通过挤压、轧制和锻造等变形方式从而制备出一种新型高强韧镁合金。Al、Zn和Ca的添加可产生有强化合金作用的凝固金属间化合物第二相C36-Al2(Mg,Ca)、C15-Al2Ca和(或)Ca2Mg6Zn3，本发明的合金可通过固溶以及时效析出来进一步提高镁合金的室温强度。此外，本体系合金可以通过固溶处理，改变凝固第二相形貌，使得合金可以在低于300℃变形，并可大幅度提高合金塑性，且高Zn含量合金更容易获得时效硬化。由于有大量的金属间作为第二相，且这些相在高温下具有良好的热稳定性，因此本发明的合金还兼具耐热性。
本发明提出的一种制备高强韧变形镁合金的方法，包括有下列步骤：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃～10℃/min升温到320℃～350℃，保温10～20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05～0.10％；
步骤22，然后以升温速度为15℃～20℃/min升温到740℃～760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1～0.2％；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌2～4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0～1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃～720℃，静置10～20min后进行浇铸；浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将挤压铸锭截取成直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃～30℃/min加热至260℃～350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中，挤压速率为0.2～0.5m/min，挤压比为10:1～20:1，获得高强韧变形镁合金。
经本发明方法制得的Mg-Al-Zn-Ca-Mn合金的优点在于：
①本发明的高强变形镁合金抗拉强度达到390MPa以上，高于商业ZK60和AZ80等高强镁合金。且合金含Ca量高，主要第二相Mg-Al-Ca(C36，C15)相和Ca-Mg-Zn(Ca2Mg6Zn3)相等均为热稳定相，可显著提高抗蠕变性能。
②本发明的高强变形镁合金具有可热处理强化性，可进一步提高合金的强度。
③本发明的高强变形合金在变形前经过固溶处理后，可使连续的凝固第二相形貌变得不连续，从而有利于变形，可使得合金在300℃以下变形，具备很好的商业应用前景。
④本发明的高强变形镁合金所包含的合金元素均为商业常用主元素，价格低廉，成本容易控制，是具有商业应用前景的合金。
附图说明
图1是实施例1成分的XRD图谱。
图2A是实施例1成分的铸态组织扫描电镜背散射电子照片。
图2B是实施例1成分的固溶态组织光学显微镜照片。
图2C是实施例1成分的挤压态组织光学显微镜照片。
图3是不同铸造模具下Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn下的挤压力学性能图。
图4是挤压Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn合金室温拉伸和压缩力学曲线。
图5A是实施例2成分的铸态组织扫描电镜背散射电子照片。
图5B是实施例2成分的固溶态组织光学显微镜照片。
图5C是实施例2成分的挤压态组织光学显微镜照片。
图6是挤压Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn合金室温拉伸和压缩力学曲线。
图7是Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn时效硬化曲线。
图8是铸态Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn的XRD图谱。
图9是Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn拉伸曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出了一种高强韧变形镁合金的制备方法，其包括有下列制备步骤：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃～10℃/min升温到320℃～350℃，保温10～20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05～0.10％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2。
步骤22，然后以升温速度为15℃～20℃/min升温到740℃～760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1～0.2％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌2～4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0～1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃～720℃，静置10～20min后进行浇铸；浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将挤压铸锭截取成直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃～30℃/min加热至260℃～350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中，挤压速率为0.2～0.5m/min，挤压比为10:1～20:1，获得高强韧变形镁合金。
在本发明中，为了使挤压铸锭在更低的温度下变形，增加变形镁合金的塑性，采用了固溶处理。即在熔炼铸锭与先微变形量镦粗后反挤压制棒材之间增加固溶处理：
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为300℃～320℃保温3～5h，然后在400℃～450℃保温5～10h后，在70℃～90℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭，获得高强韧变形镁合金。
在本发明中，为了进一步提高挤压镁合金棒材的强韧性，采用对挤压镁合金棒材进行时效处理，即：
时效处理的步骤；
将挤压镁合金棒材在175℃～200℃进行时效处理1～40小时，得到热处理强韧化高强韧变形镁合金。
经本发明方法制得的高强韧变形镁合金经直读光谱仪测得成分为3wt％～8wt％的铝(Al)、1wt％～6wt％的锌(Zn)、0.5wt％～3wt％的钙(Ca)、≤0.5wt％的锰(Mn)、余量为镁(Mg)。镁合金中增强相为固溶Zn的Mg-Al-Ca相(C36，C15)或固溶Al的Ca-Mg-Zn相(Ca2Mg6Zn3)。
经本发明方法制得的挤压镁合金棒材进行室温力学拉伸试验和压缩试验，镁合金的拉伸屈服强度为180～320MPa，抗拉强度330～400MPa，延伸率10％～25％。
实施例1
制备固溶Zn的Mg-Al-Ca相为主要增强相的可热处理强化的Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn高强变形镁合金，其目标成分及质量百分数为：Al 4％、Zn 4％、Ca 2％、Mn 0.4％和余量为Mg，总质量100％。
制备Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn高强变形镁合金的方法如下：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)和Mg-5Mn中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；为了提高洁净效果，将第二原料在干燥条件为150℃的干燥箱中烘烤20min后，取出，得到干燥第二原料。
为了使原料保持干净，可以对选用的原料需经过机械打磨，除去表面的污物，氧化皮，获得洁净原料。
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为7℃/min升温到320℃，保温15min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2，选用鹤壁市恒丰化工有限公司生产。
步骤22，然后以升温速度为20℃/min升温到760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.2％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0％；
步骤24，待炉温降至720℃，静置20min后进行浇铸；浇铸选用室温铜模，浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将挤压铸锭利用机加工切割出直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压铸锭放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃/min加热至300℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中挤压速率为0.2m/min，挤压比为12:1，得到高强韧变形镁合金。
对实施例1制得挤压镁合金棒材进行性能分析：
如图1所示，挤压镁合金棒材的XRD图谱中C36(即Mg-Al-Ca相)和少量的Q(即Mg-Al-Zn-Ca四元相)。
图2A是Mg-4Al-4Zn-2Ca的铸态组织，图2B是固溶态组织和图2C是挤压态组织，图2A为扫描电镜背散射电子照片，亮色相为Q暗色相为C36，黑色背底为α-Mg基体。固溶后的合金Mg-Al-Ca相形貌发生改变被球化，因此可以在更低温度下变形，而且挤压合金的塑性也获得了大幅度提高。挤压后晶粒获得细化，黑色为经挤压后破碎并分散的Q相。
采用与实施例1相同的工艺，不同之处在于：(A)浇注时选用不同铸造模具，并在300℃和350℃下挤压；(B)对挤压铸锭进行固溶处理，并在270℃下挤压。则有：固溶态坯料270℃挤压，记为试样a；预热钢模铸态坯料350℃挤压，记为试样b；室温铜模坯料350℃挤压，记为试样c；室温铜模坯料300℃挤压，记为试样d。对试样进行室温力学拉伸试验和压缩试验，其性能如图3所示。获得的试样a拉伸屈服强度180MPa，抗拉强度305MPa，延伸率18.2％；试样b拉伸屈服强度230MPa，抗拉强度332MPa，延伸率10.8％，压缩屈服强度207MPa(拉压对称比为0.9)；试样c拉伸屈服强度283MPa，抗拉强度354MPa，延伸率11.3％；试样d拉伸屈服强度324MPa，抗拉强度393MPa，延伸率10.7％。
实施例1制得挤压Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn合金室温拉伸和压缩力学曲线如图4所示，图中拉伸强度和压缩强度之比即拉压对称比0.83下。
实施例2
制备固溶Zn的Mg-Al-Ca相为主要增强相的可热处理强化的Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn高强变形镁合金，其目标成分及质量百分数为：Al 6％，Zn 4％，Ca 3％，0.4％Mn和余量为Mg，总质量100％。
制备Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn高强变形镁合金的方法如下：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金，Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为10℃/min升温到350℃，保温10min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2。
步骤22，然后以升温速度为15℃/min升温到740℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌3min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃，静置20min后进行浇铸；浇铸选用室温铜模，浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为300℃保温5h，然后在400℃保温10h，在90℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭。
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将固溶态挤压铸锭利用机加工切割出直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为30℃/min加热至350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中挤压速率为0.2m/min，挤压比为12:1；
时效处理的步骤；
将挤压镁合金棒材在200℃下时效处理36小时，得到热处理强韧化高强韧变形镁合金。
对实施例2制得挤压镁合金棒材进行性能分析：
图5A是Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn的铸态组织，主要相为为Mg-Al-Ca相和Mg-Al-Zn-Ca四元Q相，Q相体积分数比实施例1更高；图5B是固溶态组织和图5C是挤压态组织，图5A为扫描电镜背散射电子照片，亮色相为Q暗色相为C36，黑色背底为α-Mg基体。
将挤压棒材加工成力学拉伸试验棒和压缩试验圆柱，进行室温力学拉伸试验和压缩试验，结果如图6所示。获得的棒材拉伸屈服强度234MPa，抗拉强度356MPa，延伸率12.5％，压缩屈服强度197MPa(拉压对称比为0.84)。
图7显示的棒材的时效硬化曲线表明该类合金具有一定的时效强化效果，挤压态为73HV，200℃峰值时效为83HV，175℃峰值时效为85HV。
实施例3
制备固溶Al的Ca-Mg-Zn相为主要增强相的可热处理强化的Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn高强变形镁合金，其各组分及质量百分数为：Al 3％，Zn5％，Ca 3％，0.4％Mn和余量为Mg，总质量100％。
制备Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn高强变形镁合金的方法如下：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃/min升温到350℃，保温20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2。
步骤22，然后以升温速度为18℃/min升温到760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.15％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.2％；
步骤24，待炉温降至720℃，静置10min后进行浇铸；浇铸选用室温铜模，浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为315℃保温3h，然后在420℃保温8h，在70℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭。
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将挤压铸锭利用机加工切割出直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为26℃/min加热至310℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中挤压速率为0.15m/min，挤压比为12:1，得到高强韧变形镁合金。
对实施例3制得挤压镁合金棒材进行性能分析：
如图8所示，挤压Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn棒材的XRD图谱中Ca2Mg6Zn3(即Ca-Mg-Zn相)和少量的C15(即Mg-Al-Ca相)。将挤压棒材加工成力学拉伸试验棒，进行室温力学拉伸试验，结果如图9所示。获得的棒材拉伸屈服强度227MPa，抗拉强度308MPa，延伸率13.7％。
实施例4
制备固溶Zn的Mg-Al-Ca相为主要增强相的可热处理强化的Mg-8Al-2Zn-3Ca-0.2Mn高强变形镁合金，其目标成分及质量百分数为：Al 4％、Zn 4％、Ca 2％、Mn 0.4％和余量为Mg，总质量100％。
制备Mg-8Al-2Zn-3Ca-0.2Mn高强变形镁合金的方法如下：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)和Mg-5Mn中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为7℃/min升温到320℃，保温15min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2，选用鹤壁市恒丰化工有限公司生产。
步骤22，然后以升温速度为20℃/min升温到760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.2％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0％；
步骤24，待炉温降至720℃，静置20min后进行浇铸；浇铸选用室温铜模，浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为320℃保温5h，然后在450℃保温10h，在80℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭。
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将固溶态挤压铸锭利用机加工切割出直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃/min加热至270℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中挤压速率为0.2m/min，挤压比为20:1，得到高强韧变形镁合金。
对实施例4制得挤压镁合金棒材进行性能分析：
挤压镁合金Mg-8Al-2Zn-3Ca-0.2Mn棒材的XRD图谱中C36(即Mg-Al-Ca相)和少量的Q(即Mg-Al-Zn-Ca四元相)。Mg-8Al-2Zn-3Ca-0.2Mn的拉伸屈服强度210MPa，抗拉强度350MPa，延伸率12.5％。
实施例5
制备固溶Zn的Mg-Al-Ca相为主要增强相的可热处理强化的Mg-4Al-4Zn-1Ca-0.2Mn高强变形镁合金，其目标成分及质量百分数为：Al 4％、Zn 4％、Ca 2％、Mn 0.4％和余量为Mg，总质量100％。
制备Mg-4Al-4Zn-1Ca-0.2Mn高强变形镁合金的方法如下：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)和Mg-5Mn中间合金(选用闻喜县兴霖有色金属材料有限公司生产)以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为7℃/min升温到320℃，保温15min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05％；加入RJ-6是为了润湿坩埚；RJ-6的主要成分为BaCl2，选用鹤壁市恒丰化工有限公司生产。
步骤22，然后以升温速度为20℃/min升温到760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.2％；加入RJ-6是为了降低纯镁熔化过程中的烧损；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0％；
步骤24，待炉温降至720℃，静置20min后进行浇铸；浇铸选用室温铜模，浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为320℃保温5h，然后在450℃保温10h，在80℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭。
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将固溶态挤压铸锭利用机加工切割出直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃/min加热至270℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中挤压速率为0.2m/min，挤压比为12:1，得到高强韧变形镁合金。
对实施例5制得挤压镁合金棒材进行性能分析：
挤压镁合金Mg-4Al-4Zn-1Ca-0.2Mn棒材的XRD图谱中C36(即Mg-Al-Ca相)和Q(即Mg-Al-Zn-Ca四元相)。Mg-4Al-4Zn-1Ca-0.2Mn的拉伸屈服强度280MPa，抗拉强度360MPa，延伸率22.5％。
本发明是一种新型可热处理强化变形镁合金的成分范围，该合金在不同成分范围下可获得两种不同的主要增强相，分别为Mg-Al-Ca相和Ca-Mg-Zn相。该类合金具有高体积分数的增强相，能够通过不同冷却速度获得不同的预挤压坯料，具备良好的成型性，可以用铸态坯料直接进行变形获得高强韧镁合金。同时，也可经过热处理后再进行变形，能够大幅度调控合金的强度和塑性。由于合金成分中有Zn的存在，使得合金具备可热处理强化特性，从而可进一步提升合金的力学性能。

Claims (10)

1.一种高强韧变形镁合金，其特征在于：镁合金成分为3wt％～8wt％的铝(Al)、1wt％～6wt％的锌(Zn)、0.5wt％～3wt％的钙(Ca)、≤0.5wt％的锰(Mn)和余量为镁(Mg)。
2.根据权利要求1所述的高强韧变形镁合金，其特征在于：镁合金中增强相为固溶Zn的Mg-Al-Ca相或者固溶Al的Ca-Mg-Zn相，并可进行热处理强化。
3.根据权利要求1所述的高强韧变形镁合金，其特征在于：镁合金的拉伸屈服强度为180～320MPa，抗拉强度330～400MPa，延伸率10％～25％。
4.一种制备如权利要求1所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于包括有下列步骤：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃～10℃/min升温到320℃～350℃，保温10～20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05～0.10％；
步骤22，然后以升温速度为15℃～20℃/min升温到740℃～760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1～0.2％；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌2～4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0～1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃～720℃，静置10～20min后进行浇铸；浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将挤压铸锭截取成直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃～30℃/min加热至260℃～350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中，挤压速率为0.2～0.5m/min，挤压比为10:1～20:1，获得高强韧变形镁合金。
5.一种制备如权利要求1所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于包括有下列步骤：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃～10℃/min升温到320℃～350℃，保温10～20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05～0.10％；
步骤22，然后以升温速度为15℃～20℃/min升温到740℃～760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1～0.2％；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌2～4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0～1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃～720℃，静置10～20min后进行浇铸；浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为300℃～320℃保温3～5h，然后在400℃～450℃保温5～10h后，在70℃～90℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将固溶态挤压铸锭截取成直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃～30℃/min加热至260℃～350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中，挤压速率为0.2～0.5m/min，挤压比为10:1～20:1，获得高强韧变形镁合金。
6.一种制备如权利要求1所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于包括有下列步骤：
按目标成分配料的步骤；
按质量百分数，采用工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金以及工业纯镁(Mg)进行配料，分别获得第一原料和第二原料，待用；
第一原料为工业纯镁(Mg)；
第二原料为工业纯铝(Al)，工业纯锌(Zn)，Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金；
熔炼铸锭的步骤；
步骤21，预热坩埚；将石墨坩埚置于电阻炉内，以升温速度为5℃～10℃/min升温到320℃～350℃，保温10～20min后，均匀地撒上第一次RJ-6用料；第一次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.05～0.10％；
步骤22，然后以升温速度为15℃～20℃/min升温到740℃～760℃，将第一原料(即Mg)投入坩埚内，均匀地撒上第二次RJ-6用料保护熔体；第二次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为0.1～0.2％；
步骤23，待Mg完全熔化后将第二原料投入Mg熔体中，经全部熔化后，捞去表面渣滓，加入第三次RJ-6用料进行精炼排除氧化物，用烘干好的搅拌棒垂直搅拌2～4min，液面呈镜面后停止搅拌；第三次RJ-6用料相对目标成分的质量百分比用量为1.0～1.5％；
步骤24，待炉温降至700℃～720℃，静置10～20min后进行浇铸；浇铸整个过程在CO2和SF6气体保护氛围下进行，以降低镁合金熔炼过程中的烧损，制得挤压铸锭；
固溶处理的步骤；
将挤压铸锭置于箱式马弗炉内进行固溶处理，固溶工艺为300℃～320℃保温3～5h，然后在400℃～450℃保温5～10h后，在70℃～90℃热水淬火获得固溶态挤压铸锭；
先微变形量镦粗后反挤压制棒材的步骤；
将固溶态挤压铸锭截取成直径35mm、长25mm的圆柱，端面车平，得到挤压试样；将挤压试样放入直径40mm的挤压套筒，以升温速度为20℃～30℃/min加热至260℃～350℃后，进行挤压，材料在挤压套筒内经微变形量镦粗后通过反挤模具获得挤压镁合金棒材；其中，挤压速率为0.2～0.5m/min，挤压比为10:1～20:1；
时效处理的步骤；
将挤压镁合金棒材在175℃～200℃进行时效处理1～40小时，得到热处理强韧化高强韧变形镁合金。
7.根据权利要求4、5、6之一所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于：对第一原料和第二原料可以经干燥处理得到干燥原料，干燥条件是在100℃～150℃的干燥箱中烘烤20～50min。
8.根据权利要求4、5、6之一所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于：浇铸选用钢模或者铜模。
9.根据权利要求4、5、6之一所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于：获得优选的挤压镁合金棒材的成分为Mg-4Al-4Zn-2Ca-0.4Mn、Mg-6Al-4Zn-3Ca-0.4Mn、Mg-3Al-5Zn-3Ca-0.4Mn、Mg-8Al-2Zn-3Ca-0.2Mn或者Mg-4Al-4Zn-1Ca-0.2Mn。
10.根据权利要求4、5、6之一所述的高强韧变形镁合金的方法，其特征在于：镁合金的拉伸屈服强度为180～320MPa，抗拉强度330～400MPa，延伸率10％～25％。
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