CN108130466A - 一种多元素复合强化高强度低成本镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多元素复合强化高强度低成本镁合金及其制备方法，原料中各元素含量分别为：Al含量2.5％‑6.5％，Zn元素含量0.6％‑1.5％，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；本发明制得合金抗拉强度和抗压强度均大幅度提升，同时延伸率不发生恶化，本发明镁合金材料通过合金化添加少量的合金元素即可制成，变形处理在普通的变形加工设备上即可完成，不会显著增加合金成本，因此具有高性能和高商用价值的有点，有效地扩大镁合金的使用范围。

Description

一种多元素复合强化高强度低成本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高强度低成本镁合金，还涉及该镁合金的制备方法。
背景技术
镁合金是最轻的金属结构材料，具有减震性好，电磁屏蔽性好，切削加工性能好等一系列优点，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。虽然镁合金具有十分优秀的性能，但是其一样存在绝对强度低，成本高等一系列缺点，这些缺点限制了镁合金的应用。为了进一步提高镁合金的力学性能，一般采用两种方法，一种是通过加入合金元素，一种是通过大变形处理。向镁合金中添加合金元素是一种比较比较有效的提高合金力学性能的方法，但是合金元素的添加一方面会增加合金的生产成本，另一方面过高的合金元素会增加使材料中形成大块的析出相，严重降低合金塑性；大变形处理(包括挤压、轧制和锻造)对设备有要求很高，并且镁合金产品规格受到限制，另一方面，由于镁合金的密排六方结构，变形处理之后镁合金往往呈现较强的织构，构件表现出严重的力学性能各向异性。
目前，通用的提高镁合金力学性能的途径是在合金中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Al、Zn元素的镁合金称为AZ系镁合金，是主要的变形镁合金，但是该系镁合金仍然存在力学性能不够理想；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。Mn，Cu，Ca，Sn元素都是镁合金中常添加的合金元素，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；Cu元素通过形成AlCuMg相细化合金铸态组织，但是AlCuMg相热稳定性很高，在挤压过程中难易被挤碎，过多的AlCuMg相会降低合金力学性能；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。
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高强度低成本镁合金；本发明的目的之二在于提供多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Al元素含量2.5％-6.5％，Zn元素含量0.6％-1.5％，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：Al元素含量3％-6％，Zn元素含量1.0％-1.2％，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：Al元素含量3.0％，Zn元素含量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％，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：Al元素含量6.0％，Zn元素含量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％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。
优选的，镁合金原料中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元素以纯金属加入。
2、所述多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，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。
更优选的，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：本发明公开的多元素复合强化高强度低成本镁合金通过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元素是主要的强化元素，添加Al元素能够提高合金的流动性，并且能与其他元素形成化合物提高合金力学性能，Al元素在镁合金中的固溶度很大，因此添加较多；Zn元素也可以与Cu、Ca和Mg形成化合物，促进挤压过程晶粒细化，但是过高的Zn容易引起铸锭热裂，因此Zn含量控制在较低水平，使大部分Zn都能固溶于基体中；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；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。通过以上元素少量的添加，充分利用各种元素添加的有利效果，添加的合金元素种类多但总量少，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所得镁合金光学显微组织照片；
图2为实施例3所得镁合金光学显微组织照片；
图3为实施例4所得镁合金光学显微组织照片。
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，按质量百分比计，该镁合金原料元素含量如下：Al含量3.0％，Zn元素含量1.1％，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％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。
多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，包括如下步骤：
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，Mg-Mn中间合金和纯Sn将合金在690℃-710℃左右熔炼，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，然后将炉体温度控制在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1)处理后的镁合金进行挤压处理：将半连续铸锭合金随炉升温至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，按质量百分比计，该镁合金原料元素含量如下：Al含量6.0％，Zn元素含量1.2％，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％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。
多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，包括如下步骤：
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，Mg-Mn中间合金和纯Sn将合金在690℃-710℃左右熔炼，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，然后将炉体温度控制在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1)处理后的镁合金进行挤压处理：将半连续铸锭合金随炉升温至350℃保温16小时，升温时间6h，空冷至室温，在300℃挤压，挤压比30，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，按质量百分比计，该镁合金原料元素含量如下：Al含量3.0％，Zn元素含量1.2％，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％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。
多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，包括如下步骤：
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，Mg-Mn中间合金和纯Sn将合金在690℃-710℃左右熔炼，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，然后将炉体温度控制在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1)处理后的镁合金进行挤压处理：将半连续铸锭合金随炉升温至350℃保温28小时，升温时间6h，空冷至室温，在320℃挤压，挤压比16，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，按质量百分比计，该镁合金原料元素含量如下：Al含量6.0％，Zn元素含量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％，不可避免杂质≤0.15％，余量为Mg。
多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，包括如下步骤：
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，Mg-Mn中间合金和纯Sn将合金在690℃-710℃左右熔炼，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，然后将炉体温度控制在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1)处理后的镁合金进行挤压处理：将半连续铸锭合金随炉升温至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。
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，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合金力学性能均有明显提升，实施例3镁合金拉伸屈服强度达到284MPa，延伸率仍有12.6％；实施例4镁合金拉伸屈服强度达到237MPa，延伸率仍有16.1％。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强度发生大幅度的增加同时延伸率不产生明显降低。进一步增加Ca、Cu、Sn、Mn等元素的含量合金力学性能可能会进一步增加，但是会带来制备成本的显著增加，与本发明设计思路相悖。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所得镁合金的光学显微组织照片；图2为实施例3所得镁合金的光学显微组织照片；图3为实施例4所得镁合金的光学显微组织照片，光学图片观察面均垂直于挤压方向。
对比图1，图2，图3可以看出实施例3合金组织最为细小，在所有实施例中实施例1镁合金组织最为粗大，这是因为实施例合金元素添加较少，各种元素对晶粒细化的作用较弱，因此合金组织粗大，力学性能也较低；实施例4添加合金元素，合金的组织也较为细小均匀，并且可以看到在合金的组织中有一些黑色块状化合物，这是因为改合金中合金元素添加较多，与Mg形成的化合物，可以推断进一步增加合金元素含量，挤压后合金中的块状第二相会进一步增加，对合金力学性能也会有不利的影响。
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 (7)

1.一种多元素复合强化高强度低成本镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Al元素含量2.5％-6.5％，Zn元素含量0.6％-1.5％，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高强度低成本镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Al元素含量3％-6％，Zn元素含量1.0％-1.2％，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。
3.根据权利要求1所述多元素复合强化高强度低成本镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Al元素含量3.0％，Zn元素含量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％，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高强度低成本镁合金，其特征在于：所述镁合金按质量百分比计由如下元素制成：Al元素含量6.0％，Zn元素含量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％，不可避免杂质≤0.15％，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高强度低成本镁合金，其特征在于：镁合金原料中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元素以纯金属加入。
6.权利要求1～5任一项所述多元素复合强化高强度低成本镁合金的制备方法，其特征在于，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。
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。
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