CN108486445B

CN108486445B - 一种可快速挤压成形的镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN108486445B
Application number: CN201810332874.5A
Authority: CN
Inventors: 郑兴伟; 曹宇; 王世明; 褚振华; 张丽珍; 梁拥成; 庄欣; 袁杰
Original assignee: Shanghai Ocean University
Current assignee: Shanghai Ocean University
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: CN108486445A

Abstract

本发明涉及一种金属冶金技术领域，具体为一种可快速挤压成形的镁合金及其制备方法，其成分合金元素为锡、钙、锰、铈，其余成分为镁，所述锡、钙、锰、铈元素的重量百分比分别为0.1‑1％、0.1‑1％、0.1‑0.5％、0.1‑0.5％，四种合金元素的总重量百分比不超过2％。制备方法通过将纯镁预热熔化后分别加入Mg‑Sn、Mg‑Mn、Mg‑Ce和Mg‑Ca中间合金，待所添加的金属都熔化后进行精炼；在精炼后的镁合金熔体采用连铸方法制备出适用于快速挤压变形的镁合金。本发明所制备的Mg‑Sn‑Ca‑Mn‑Ce变形镁合金可以在挤压速度在60‑80m/分钟速度下快速挤压成形所需的零件，可使得变形镁合金零件的成本有效降低30‑50％。同时本合金中添加的都是常见的合金元素，且含量较低，制造成本较低，适用于工业化应用。

Description

一种可快速挤压成形的镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，特别是一种可快速挤压成形的镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小(1.8g/cm³左右)，强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好，主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在世界石化能源危机和环境污染的双重压力下，减重是实现能源利用率的重要手段之一，各国纷纷对汽车和航空航天等工业领域都提出了减重的要求，镁合金的密度只有铝合金的三分之二，钢铁的四分之一，因此在上述领域具有重要的应用潜力。

镁合金又被称为难成形金属，由于镁为密排六方结构，在加热状态下，镁呈现明显的延性转变，塑性大大提高；同时，扩散加强，攀移易产生，加上镁合金具有较低的堆垛层错能，高温时发生回复、再结晶而造成的软化，也会使镁合金具有较高的塑性。

目前阶段镁合金成形的主要方式是压铸成形，但在压铸过程中极其容易在镁合金铸件内部出现缩松或缩孔的缺陷，因此采用压铸的方法制备的镁合金难以达到航空航天、军工领域的应用要求。另一种成形方式为挤压成形，可以有效的弥补压铸成形方法的缺陷。目前已经较为成熟的挤压成形镁合金有Mg-Al-Zn系列合金，例如AZ31和AZ60等。但是上述挤压成形镁合金存在挤压速度小的工业应用瓶颈，通常AZ系列镁合金的适用挤压速度仅20-30m/分钟，这一挤压速度仅仅是常见铝合金挤压速度的五分之一(2024铝合金的挤压速度可高达100m/分钟)，这也极大的增加了相应镁合金的制备成本。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种可快速挤压成形的镁合金及其制备方法，可以有效提高镁合金的制备效率和降低镁合金的成本，对于扩大镁合金在汽车及其它工业领域的应用具有重要的意义。

本发明的技术方案为：

一种可快速挤压成形的镁合金，其成分合金元素为锡、钙、锰、铈，其余成分为镁，所述锡、钙、锰、铈元素的重量百分比分别为0.1-1％、0.1-1％、0.1-0.5％、0.1-0.5％，四种合金元素的总重量百分比不超过2％。

所述锡、钙、锰、铈元素的重量百分比分别为0.5％、0.5％、0.3％、0.25％，其余成分为镁。

所述镁合金还包含杂质元素，所述杂质元素的重量百分比少于0.05％。

所述镁合金的挤压速度为60-80m/分钟。

一种可快速挤压成形的镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将纯镁升温熔化，将镁钙合金、镁锡合金、镁锰合金、镁铈合金添加到纯镁熔液中，使所添加的合金熔化，制成合金熔液；

步骤二：将合金熔液进行精炼处理后，冷却至铸造温度进行连续铸造，制备连铸坯料；

步骤三：对连铸坯料进行预处理，再挤压变形，制得镁合金零件。

所述步骤一的将纯镁升温熔化过程具体为：将纯镁在保护气体或阻燃覆盖物保护下升温熔化。

所述步骤一的添加合金的过程具体为：先添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金，后添加镁铈合金；所述添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金的过程具体为：将镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金在160-250℃下，保温5-15分钟，将纯镁熔液升温到650-800℃，添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金；所述添加镁铈合金的过程具体为：将镁铈合金在160-250℃下，保温5-15分钟，将镁合金熔液升温到750-850℃，添加镁铈合金。

所述步骤二的精炼处理具体为：将镁合金熔液搅拌3-30分钟，之后升温到750-850℃，静置20-100分钟；所述连续铸造速度范围为20-2000mm/分钟，温度范围为700-800℃。

所述步骤三的预处理为：对连铸坏料进行均匀化处理，均匀化时间为30-300分钟。

所述步骤三的预处理为：对连铸坯料进行固溶处理，固溶温度为450-520℃，处理时间为120-300分钟。

本发明通过在镁中添加锡、钙、锰、铈等合金元素，并采用连续铸造的工艺方法制备出适用于快速挤压的镁-锡-钙-锰-铈合金坯料，该镁合金坯料可以实现在60-80m/分钟快速挤压速度下制备镁合金零件，同时本合金中添加的都是常见的合金元素，且含量较低，制造成本较低，适用于工业化应用。

具体实施方式

以下将对本发明的构思及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明的可快速挤压成形的Mg合金，其成分合金元素为Sn、Ca、Mn、Ce，其余成分为Mg，所述Sn、Ca、Mn、Ce元素的重量百分比分别为0.1-1％、0.1-1％、0.1-0.5％、0.1-0.5％，四种合金元素的总重量百分比不超过2％。Mg合金还包含杂质元素，所述杂质元素的重量百分比少于0.05％。

本发明合金中添加Ce元素，可以有效的提高稀土Ce元素的收得率，还可以起到细化晶粒和降低Mg合金的变形织构，从而有效的提高合金塑性变形能力。合金中添加Sn元素，在Mg合金熔体冷却过程中形成热稳定性极高的Mg₂Sn(熔点535℃)，该第二相可以作为合金凝固过程中异质形核的晶粒细化剂，起到细化晶粒的作用，也可以有效的提高合金塑性变形能力。合金中添加Ca元素，一方面可以有效的抑制Mg合金在挤压变形的织构随机化和剪切带的出现，也可以有效的提高合金的塑性变形能力，此外还可以有效提高合金的阻燃特性。合金中添加Mn元素，可以有效的改善该合金的耐腐蚀性能。

本发明的可快速挤压成形的Mg合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纯Mg在保护气体或阻燃覆盖物保护下升温熔化，将Mg-Ca合金、Mg-Sn合金、Mg-Mn合金和Mg-Ce合金等中间合金在160-250℃下，保温5-15分钟。

(2)将纯Mg熔液升温到650-800℃，添加Mg-Ca合金、Mg-Sn合金和Mg-Mn合金，使添加的合金熔化；再将制得的Mg合金熔液升温到750-850℃，添加Mg-Ce合金，使添加的合金熔化，制成合金熔液。

(3)去除Mg合金熔液表面的浮渣，将Mg合金熔液搅拌3-30分钟，之后升温到750-850℃，静置20-100分钟。

(4)将Mg合金熔液冷却至铸造温度进行连续铸造，制备Mg-Sn-Ce-Mn-Ca连铸锭子，连续铸造速度为20-2000mm/分钟，温度为700-800℃。

(5)对连铸坯料进行预处理，对连铸坏料进行均匀化处理，均匀化时间为30-300分钟；或对连铸坯料进行固溶处理，固溶温度为450-520℃，处理时间为120-300分钟。

(6)将连铸坯料预热到350-500℃之间，将连铸坯料挤压成形为Mg合金零件。

通过连铸的方法制备合金可以有效的减少合金内部的缩松和缩孔等缺陷，从而有效的提高Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金坯料的利用率和该Mg合金变形件的质量。利用上述方法制备的Mg合金坯料可以实现在60-80m/分钟的挤压速度下快速挤压制备Mg合金零件，从而使得Mg合金零件制备成本下降30-50％。

以下通过六个实施例说明不同合金含量和制备方法对镁合金力学性能的影响。

实施例1：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为0.1％、1％、0.5％、0.1％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到200℃，然后将纯Mg放在通有SF₆保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到800℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到800℃并静置60分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在350℃均匀化处理120分钟；(6)在挤压速度为60m/分钟进行挤压制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

实施例2：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为0.1％、1％、0.5％、0.1％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到200℃，然后将纯Mg放在通有SF₆保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到800℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到800℃并静置60分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在350℃均匀化处理120分钟；(6)在挤压速度为70m/分钟进行挤压制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

实施例3：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为0.5％、0.5％、0.3％、0.25％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到200℃，然后将纯Mg放在通有SF₆保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到800℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到800℃并静置60分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在350℃均匀化处理120分钟；(6)在挤压速度为80m/分钟进行挤压制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

实施例4：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为0.1％、1％、0.1％、0.5％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到180℃，然后将纯Mg放在通有CO₂保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到780℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到780℃并静置80分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在500℃固溶处理180分钟；(6)在挤压速度为65m/分钟进行挤压，制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

实施例5：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为1％、0.5％、0.1％、0.1％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到180℃，然后将纯Mg放在通有CO₂保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到780℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到780℃并静置80分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在500℃固溶处理180分钟；(6)在挤压速度为65m/分钟进行挤压，制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

实施例6：

(1)按照合金成分配置好各合金元素，其中Sn、Ca、Mn、Si的重量百分比分别为0.5％、1％、0.1％、0.25％，先将纯Mg和Mg-Ca、Mg-Sn、Mg-Mn和Mg-Ce预热到180℃，然后将纯Mg放在通有CO₂保护气体的熔炉中熔化。(2)待纯Mg全部熔化之后，往Mg熔体中加入预热后的Mg-Ca、Mg-Sn和Mg-Mn中间合金，带所添加的中间合金都熔化后将熔体升温到780℃后，往合金熔体中添加Mg-Ce中间合金。(3)待所添加的合金元素都熔化后撇去表面浮渣，之后搅拌10分钟，最后将Mg合金熔体升温到780℃并静置80分钟。(4)将静置后的Mg合金熔体冷却到适当的温度采用连铸的方法制备连铸坯，连铸速度范围为20-2000mm/分钟，连铸温度范围为700-800℃；(5)Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金在500℃固溶处理180分钟；(6)在挤压速度为65m/分钟进行挤压，制备出高强耐热变形Mg-Sn-Ce-Mn-Ca合金零件。

六个实施例所制备的镁合金的力学性能如下表如示：

由上表可见，本发明的方法制备镁合金的挤压速度快，降低了制备的成本。实施例3所制备的镁合金的抗拉强度为353MPa，屈服强度为324MPa，延伸率为38.5％，其力学性能均显示出优于其它实施例，为本发明的最优实施例，相应的Sn、Ca、Mn、Si的含量配比为最优配比。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，其成分合金元素为锡、钙、锰、铈，其余成分为镁；

所述锡、钙、锰、铈元素的重量百分比分别为0.5％、0.5％、0.3％、0.25％，其余成分为镁；

所述可快速挤压成形的镁合金的制备方法包括以下步骤：

步骤三：对连铸坯料进行预处理，再挤压变形，制得镁合金零件；

所述步骤一的添加合金的过程具体为：先添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金，后添加镁铈合金；所述添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金的过程具体为：将镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金在160-250℃下，保温5-15分钟，将纯镁熔液升温到650-800℃，添加镁钙合金、镁锡合金和镁锰合金；所述添加镁铈合金的过程具体为：将镁铈合金在160-250℃下，保温5-15分钟，将镁合金熔液升温到750-850℃，添加镁铈合金；

所述镁合金的挤压速度为60-80m/分钟。

2.根据权利要求1所述的可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，所述镁合金还包含杂质元素，所述杂质元素的重量百分比少于0.05％。

3.根据权利要求1所述的可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，所述步骤一的将纯镁升温熔化过程具体为：将纯镁在保护气体或阻燃覆盖物保护下升温熔化。

4.根据权利要求1所述的可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，所述步骤二的精炼处理具体为：将镁合金熔液搅拌3-30分钟，之后升温到750-850℃，静置20-100分钟；所述连续铸造速度范围为20-2000mm/分钟，温度范围为700-800℃。

5.根据权利要求1所述的可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，所述步骤三的预处理为：对连铸坏料进行均匀化处理，均匀化时间为30-300分钟。

6.根据权利要求1所述的可快速挤压成形的镁合金，其特征在于，所述步骤三的预处理为：对连铸坯料进行固溶处理，固溶温度为450-520℃，处理时间为120-300分钟。