CN108467981A - 一种镁合金丝材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镁合金丝材制备方法，所述镁合金成分为Mg‑Zn‑Mn‑X，Zn的重量百分比为0.1%－6%：Mn的重量百分比为；X为Ag、Sr、Ca、Bi中的一种，其中Ag的重量百分比为0.1%－1%，Sr的重量百分比为0.1%－1%，Ca的重量百分比为0.1%－1%，Bi的重量百分比为0.1%－1%；包含挤压、退火、拉拔步骤，获得直径为0.1mm～1mm Mg‑Zn‑Mn‑X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）合金丝材。本发明所获得的镁合金丝材克服了镁合金变形较难的问题，同时获得的丝材直径小、显微组织均匀且力学性能良好。

Description

一种镁合金丝材的制备方法

技术领域

本发明涉及一种可通过挤压、拉拔和热处理工艺相结合，获得细直径的一种镁合金丝材的制备方法，属于金属材料及其加工工艺技术领域。

背景技术

镁合金目前是应用于工程中最轻的结构材料，被称为21世纪的绿色工程材料，因为其对环境无污染，可回收重复使用，称为广泛研究的有色金属材料之一。将其加工成不同形状，可以用于不同的应用领域，因此对其加工成形工艺的研究具有明确的实际应用价值。

但是，镁合金在加工成形方面存在一定的困难。镁基体是密排六方结构，在室温下仅有3个滑移系，所以其在室温下的塑性变形能力较差，只有通过加热到一定的温度下，开动更多的滑移系，才能进一步提高其塑性变形能力，热加工是改善其组织和性能的重要方法。

拉拔是获得金属丝材的主要塑性变形方式。在外加拉力的作用下使金属坯料通过模孔，以获得尺寸精确、表面光洁的丝材。然而，对于镁合金的拉拔，目前报道非常之少。这是因为镁合金塑性变形困难，容易产生拉丝裂纹造成报废。不过，仍然有部分对于镁合金的拉拔工艺的研究取得了一定的进展。金文中^[等研究了热拉拔成形镁合金焊丝，将AZ61镁合金经过连续多道次热拉拔拉至φ1.2mm，所得丝材的抗拉强度达到388MPa。另外Sumitomo公司采用AZ31及AZ61作为加工材料，通过挤压工艺获得了性能可和铝合金媲美的镁合金管材。中国专利申请号201710159114.4公布了一种成分为镁、锌的镁合金丝材的制备方法。该专利主要通过等通道角挤压和多道次拉拔将镁合金加工成丝材，最细的丝材直径能够达到φ0.3mm，其加工丝材的方法主要是利用等通道角挤压的剪切力让金属变形，该方法的挤压比不变，但是对模具的要求高，挤压的压力很大，模具损耗严重，与本专利的利用大挤压比破碎金属晶粒的方法不同。Zhou等人将0.5%～1.5%Nd元素添加入Mg-Zn-Mn合金中，取得了综合性能较好的挤压态镁合金材料。其中抗拉强度最高能达到250～300MPa，延伸率均高于20%，同时还具有良好的耐腐蚀性能。Qi等人研究了Y元素添加入Mg-Zn-Mn合金后材料组织和性能的变化。获得的挤压态镁合金具有很高的抗拉强度，达到了290MPa～340MPa。中国专利申请号201710051554.8公布了一种高强度高塑性镁锌锰钇合金的制备方法。该专利主要公布了一种适合于该成分合金的熔炼、均匀化及挤压工艺，从而提高了被加工合金的力学性能和塑性，有效地扩大了镁合金的使用范围。但是，对于Mg-Zn-Mn-X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）合金作为镁合金丝材使用未见报道。将Mg-Zn-Mn-X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）合金加工成丝材，可以用作结构材料使用，同时也可用于医用植入材料，用于制成手术器械用的吻合钉、连接线、针、箭头等，因此将该材料制成丝材对于拓展镁合金的应用领域有很大的促进作用。但是Mg-Zn-Mn-X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）合金在加工特性上，在组织结构上，与现有的AZ系列的镁合金有明显差别。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是Mg-Zn-Mn-X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）合金加工过程中难以获得细直径的丝材，并且具有较好的力学性能及组织形态。

这种镁合金丝材的制备方法，所述镁合金成分为Mg-Zn-Mn-X， Zn的重量百分比为0.1%－6%：Mn的重量百分比为；X为Ag、Sr、Ca、Bi中的一种，其中Ag的重量百分比为0.1%－1%，Sr的重量百分比为0.1%－1%，Ca的重量百分比为0.1%－1%，Bi的重量百分比为0.1%－1%；包含如下步骤：

（1）挤压：铸造后的合金锭坯在350℃～400℃下均匀化退火处理16－24小时，均匀化后的铸锭在350℃～380℃温度下，挤压成棒材，挤压比控制在20～50比1范围内；

（2）挤压后的棒材在350℃～450℃下进行中间退火6－8小时；

（3）退火后的棒材经过打磨以后穿过拉丝模具进行拉拔，拉拔的每道次变形量为直径缩小0.2～0.05mm；每道次拉拔后，将材料在350℃～450℃退火2～15分钟，然后进行下一道次的拉拔，直到拉伸到最终需要的尺寸。

上述加工方案中，关键在于控制变形程度与退火温度之间的搭配关系，一般在变形初期，每道次变形的缩减率较大，退火温度较高，退火时间也较长，而在变形后期，每道次变形的直径缩减率减小，退火温度较低，退火时间也较短。具体的工艺搭配方案见实施例。

本发明的积极效果在于，适用于Mg-Zn-Mn-X（X=Ag、Sr、Ca、Bi）多种成分的镁合金，能够获得直径最细为0.1mm的丝材，获得的丝材抗拉强度达到240MPa～450MPa，延伸率达到12%～40%，丝材内部显微组织均匀，丝材耐腐性性能优良，在37℃的林格试剂中腐蚀速率<1.2mm/年。

附图说明

图1是本发明实例1所得丝材的宏观照片图。

图2是本发明实例1所得丝材的显微组织图。

图3是本发明实例2所得丝材的显微组织图。

图4是本发明实例3所得丝材的显微组织图。

图5是本发明实例4所得丝材的显微组织图。

图6是本发明实例5所得丝材的显微组织图。

图7是本发明实例6所得丝材的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

实施例1：

针对Mg-6Zn-2Mn镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：5.76%，Mn：1.85%，Mg：余量。铸锭在400℃下进行48h均匀化处理，之后在350℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为20:1。挤压后的棒材进行中间退火8小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取450℃，时间取15分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为5分钟，温度降至400℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图1为合金拉拔至φ1.2mm所获得样品外观形貌，图2为合金拉拔至φ1.2mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-6Zn-2Mn合金丝材直径为φ1.2mm，抗拉强度456.6MPa，延伸率12.0%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.45mm/年。

实施例2：

针对Mg-1Zn-0.1Mn镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：0.99%，Mn：0.085%，Mg：余量。铸锭在350℃下进行24h均匀化处理，之后在350℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为50:1。挤压后的棒材进行中间退火6小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取400℃，时间取8分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为3分钟，温度降至350℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图3为合金拉拔至φ0.1mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-1Zn-0.1Mn镁合金丝材直径为φ0.1mm，抗拉强度350.52MPa，延伸率25.0%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.43mm/年。

实施例3：

针对Mg-1Zn-1Mn-0.5Ag镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：1.12%，Mn：0.86%，Ag：0.47%，Mg：余量。铸锭在400℃下进行24h均匀化处理，之后在360℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为25:1。挤压后的棒材进行中间退火6小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取420℃，时间取8分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为3分钟，温度降至400℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图4为合金拉拔至φ0.8mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-1Zn-1Mn-0.5Ag镁合金丝材直径为φ0.8mm，抗拉强度412.52MPa，延伸率15.2%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.85mm/年。

实施例4：

针对Mg-1Zn-1Mn-1Sr镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：0.96%，Mn：1.05%，Sr：1.12%，Mg：余量。铸锭在400℃下进行48h均匀化处理，之后在380℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为25:1。挤压后的棒材进行中间退火8小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取420℃，时间取8分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为3分钟，温度降至400℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图5为合金拉拔至φ0.8mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-1Zn-1Mn-1Sr镁合金丝材直径为φ0.8mm，抗拉强度434.52MPa，延伸率13.2%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.76mm/年。

实施例5：

针对Mg-1Zn-1Mn-0.5Ca镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：1.14%，Mn：0.88%，Ca：0.59%，Mg：余量。铸锭在400℃下进行36h均匀化处理，之后在380℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为25:1。挤压后的棒材进行中间退火6小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取420℃，时间取8分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为3分钟，温度降至400℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图6为合金拉拔至φ1.0mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-1Zn-1Mn-1Sr镁合金丝材直径为φ1.0mm，抗拉强度405.21MPa，延伸率12.2%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.95mm/年。

实施例6：

针对Mg-1Zn-1Mn-0.5Bi镁合金，合金经熔炼获得铸锭，其中各元素经过金属元素ICP分析，以质量计所占百分比分别为：Zn：1.10%，Mn：0.92%，Bi：0.47%，Mg：余量。铸锭在400℃下进行48h均匀化处理，之后在380℃下通过φ6mm的挤压模具，将铸锭挤压成φ6mm± 0.5mm的棒材，挤压比为25:1。挤压后的棒材进行中间退火8小时。

对棒材头部进行加工，减小其直径，以便于穿过小于6mm的拉丝模孔。以5.8mm为初始模孔直径，步长取0.2mm。即，将棒材头部穿过5.8mm孔径的模孔进行拉拔，完成一道次后再将头部穿过5.6mm孔径的模孔进行拉拔，如此进行。在每经过3个道次的工序后对棒材进行退火，温度取420℃，时间取8分钟。将棒材加工至直径3mm。此后减小步长为0.1mm，仍然是每3道次进行退火处理，退火时间减为3分钟，温度降至400℃。棒材直径至1.5mm后，缩小步长为0.05mm拉拔，每3道次进行退火处理，时间减为2分钟，直至拉拔至最后所需要的尺寸。图7为合金拉拔至φ1.0mm得到的显微组织。

通过上述方法获得的Mg-1Zn-1Mn-0.5Bi镁合金丝材直径为φ1.0mm，抗拉强度396.65MPa，延伸率14.0%。在37±0.5℃的林格试剂中腐蚀速率为0.78mm/年。

Claims (1)

1.一种镁合金丝材的制备方法，其特征在于：所述镁合金成分为Mg-Zn-Mn-X， Zn的重量百分比为0.1%－6%：Mn的重量百分比为；X为Ag、Sr、Ca、Bi中的一种，其中Ag的重量百分比为0.1%－1%，Sr的重量百分比为0.1%－1%，Ca的重量百分比为0.1%－1%，Bi的重量百分比为0.1%－1%；包含如下步骤：

（1）挤压：铸造后的合金锭坯在350℃～400℃下均匀化退火处理16－24小时，均匀化后的铸锭在350℃～380℃温度下，挤压成棒材，挤压比控制在20～50比1范围内；

（2）挤压后的棒材在350℃～450℃下进行中间退火6－8小时；

（3）退火后的棒材经过打磨以后穿过拉丝模具进行拉拔，拉拔的每道次变形量为直径缩小0.2～0.05mm；每道次拉拔后，将材料在350℃～450℃退火2～15分钟，然后进行下一道次的拉拔，直到拉伸到最终需要的尺寸。