CN108504883A

CN108504883A - 一种具有弱织构的Mg-LRE-HRE-Zn系变形合金的制备方法

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Publication number: CN108504883A
Application number: CN201810394321.2A
Authority: CN
Inventors: 滕赛楠; 孙书爽; 侯秀丽; 翟艺璇; 袁志钟
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2018-09-07

Abstract

本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法；具体制备工艺如下：原料预热、合金熔炼、均匀化处理和塑性加工；具体是一种通过低成本的稀土微合金化的方式来弱化变形镁合金板材织构，得到的变形合金板材具有弱化的非基面织构，从而改善镁合金板材的室温塑性成形能力；本发明所用生产设备均为普通设备，生产工艺简单，操作方便；得到的合金板材成形性能良好，显微组织为均匀的动态再结晶等轴晶组织。

Description

一种具有弱织构的Mg-LRE-HRE-Zn系变形合金的制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法。

背景技术

镁合金是迄今为止在工程中应用的最轻的金属结构材料。近年来，随着降低能耗和环境保护要求的增强，镁合金逐渐成为军事工业、汽车工业、航空航天、消费类电子产品领域的理想替代材料。我国作为原镁的生产大国，开发具有市场竞争力的变形镁合金不仅可以拓展镁的使用范围，还可以提高镁的出口附加值。

然而，阻碍变形镁合金大规模应用的主要问题是镁合金的室温加工变形性能差，成品率低，深加工成本高。镁属于密排六方结构，滑移系数量少且对称性差，容易导致其在挤压、轧制等变形加工过程中形成强烈的晶体学织构，给后续成型带来不利。这种晶粒的择优取向也造成了其力学性能的各向异性，这是在变形镁合金产品应用中的一个重要问题。在变形镁合金的开发领域中，主要有以下三种方法来改善镁的加工塑性：（1）升高变形加工温度；（2）通过强变形降低镁晶粒尺寸，从而减弱变织构，以提高合金塑性；（3）添加合金元素，可以通过合金化引起镁晶格的变化，改变孪晶或者滑移系的临界剪切应力等，进而改变合金的变形方式（滑移或者孪晶模型），减弱合金的织构，增加合金的塑性。

比较上面三种方法发现，通过提高合金的变形温度，不仅浪费能源，试验条件苛刻，而且容易重结晶，导致合金的综合力学性能下降；通过强变形提高合金的塑性是一种很有效的方法，主要的不足是因为合金的尺寸不容易控制，试验条件比较复杂；通过合金化是一种直接，有效，简单的方法，如果能通过合金化的方法减弱或者改变合金变形过程中的织构，再结合其他的变形手段，就有可能开发出新型高塑性的变形镁合金。

稀土元素（RE）包括轻稀土元素（LRE）和重稀土元素（HRE）；稀土元素和镁元素之间的原子半径差别较大，稀土固溶后容易导致镁基体晶格发生变化，减弱变形合金的织构，改变合金的力学性能各相异性。此外，稀土在镁合金中具有优异的净化熔体、改善组织、生成强化相、提高合金机械性能等作用。然而，目前的研究主要集中在高稀土含量的镁合金中，虽然高含量的稀土元素能显著增加合金的强度与耐热性，但在增加合金成本的同时也明显增加了合金的密度，使镁合金失去了轻量化的独特优势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，采用以下技术方案解决其技术问题：

本发明涉及的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法如下：

（1）原料预热：首先将纯镁、纯锌和镁稀土中间合金进行预热；

（2）合金熔炼：熔炼炉采用通有保护气氛的电阻炉或中频电磁感应炉，首先加入纯镁，升温将纯镁完全融化，然后依次加入镁稀土中间合金与纯锌，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，待熔炼完成后，熔体降温至一定温度后静置处理，然后，倒入冷却结晶器中，使用铸造机以一定速度进行直冷式半连续铸造；得到合金铸锭；

（3）均匀化处理：采用通有流动氩气保护气氛的大型箱式热处理炉对合金铸锭进行均匀化热处理，得到铸态合金坯料；

（4）塑性加工：本发明所用的塑性变形工艺包括挤压工艺、轧制工艺或两者的结合，得到的产品即为Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金。

进一步的，步骤（1）所述的纯锌的用量为0.3wt.%~0.5wt.%；

进一步的，步骤（1）所述的镁稀土中间合金记为Mg−(20~30)RE wt.%，其中，其中RE为Ce、Nd、Gd、Dy或Y的任意一种。

进一步的，所述Ce或Nd的用量为0.3wt.%~1.0wt.%；所述Gd、Dy或Y的用量为0.5wt.%~2.0wt.%。

进一步的，步骤（1）所述的镁稀土中间合金实际称重重量比理论值多出5%，以弥补其在合金熔炼过程中的损耗。

进一步的，步骤（1）所述镁的重量百分数为去掉其余合金元素后的平衡余量。

进一步的，步骤（1）所述的预热温度为200℃。

进一步的，步骤（2）中，所述的升温温度为720℃~780℃；所述的降温温度至710℃~750℃，静置10min。

进一步的，步骤（2）中，所述的铸造速度为80~120mm/min。

进一步的，步骤（3）中，所述的均匀化热处理的温度为400℃~520℃，时间为12h~18h。

进一步的，步骤（4）中，所述的挤压工艺：将均匀化处理后的铸态合金坯料在380℃或400℃进行预热，然后以1mm/s的挤压速率进行挤压；在出口处，对挤出材料进行流水冷却，挤压；挤压模具为矩形的板材截面或为其它形状的板材截面，最终得到各板面横截面厚度为2~8mm，挤压比12~30的挤压板材。

进一步的，步骤（4）中，所述的轧制工艺：轧制所用的合金原始坯料为均匀化处理后的铸态合金坯料或挤压板材；轧制前，原始坯料在410℃下保温30 min，然后，同时将两个轧辊预热至250℃~300℃；轧制速率为15 mm/s，每道次压下率为20%，各道次之间进行去应力退火，轧制合金板厚度最终降至2-3 mm。

有益效果：

1. 本发明制得的Mg−LRE−HRE−Zn系变形镁合金板材具有低密度的非基面织构，合金的宏观织构峰值强度5~7远远低于同等条件下制备的商业纯镁板材的峰值强度25，织构极图的极点偏离中心方向20°~30°，极点周围织构密度的分布也比传统镁合金板材更加分散，保证了合金板材的二次塑性加工性能，增加了变形镁合金的应用范围。

2. 本发明选用的稀土合金元素对变形镁合金具有良好的织构弱化作用，而且能够细化合金晶粒，对合金起到固溶强化的效果，保证了合金的综合力学性能；此外，稀土元素添加量在3.0wt.%以内，不仅控制了合金的成本，还极大程度的保留了镁合金轻量化的独特优势。

3. 本发明所用生产设备均为普通设备，生产工艺简单，操作方便。本发明的合金板材成形性能良好，显微组织为均匀的动态再结晶等轴晶组织，适用于汽车、3C产品、军工、航空航天等领域。

附图说明

图1为实施例1中挤压合金板材的金相组织图。

图2为实施例1中挤压合金板材的基面极图。

图3为实施例2中轧制合金板的金相组织图。

图4为实施例2中轧制合金板的基面极图。

图5为实施例3中轧制合金板退火后的金相组织图。

图6为实施例3中轧制合金板退火后的基面极图。

图7为对比实例中商业纯镁轧制板材的宏观织构极图。

具体实施方式

本发明用以下实施说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围内，变化实施都包含在本发明的技术范围内。

实施例1：

1. 成分配比：原材料选用工业用纯镁(Mg＞99.9 wt.%)、工业用纯锌(Zn＞99.9wt.%)，以及镁稀土中间合金Mg−20Gd wt.%和Mg−30Nd wt.%。合金的各组分重量百分比分别为Gd：1.5%，Nd：0.5%，Zn：0.3%，Mg含量为平衡余量。所用原材料均出自山西闻喜银光镁业有限责任公司。

2. 制备方法：

（1）原料秤重，依据各组分原料的重量百分比进行称重配料，其中稀土中间合金的实际称重重量比理论值多出5%，以弥补其在合金熔炼过程中的损耗；

（2）合金熔炼：熔炼炉采用通有CO₂与SF₆混合气体的电阻炉，熔炼前所有原材料预热至200℃；升温至760℃将纯镁锭完全融化，然后依次加入镁稀土中间合金与纯锌，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，每隔10min搅拌一次。熔炼完成后，熔体降至720℃静置10min，倒入冷却结晶器中，铸造机用100mm/min的铸造速度直冷式半连续铸造。合金铸锭直径120 mm，长度1500 mm。

（3）均匀化处理：采用通有流动氩气保护气氛的大型箱式热处理炉对合金铸锭进行均匀化处理，以达到合金成分、组织上的均匀化，均匀化热处理温度为480℃，保温时间16h。

（3）塑性加工：采用挤压工艺，将均匀化处理后的合金铸锭车削为直径100 mm圆柱坯料，在380℃温度加热保温40min，模具预热至300℃，在630吨卧式挤压机上进行挤压加工，挤压速率1mm/s。为了保证挤出材料的表面质量，在出口处，对挤出材料进行流水冷却。最终获得厚度为2 mm的挤压薄板，挤压比为30，即为Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金。

3.合金检测：

用LEICA公司的DM-2500M金相显微镜观测合金的显微组织，通过用配置Cu Kα辐射的帕纳科X射线衍射仪测量Ψ = 0–75°之间的不完全极图来获得合金的宏观织构。图1为实施例的金相组织图片，合金板材呈均匀的动态再结晶组织；图2为合金板材的基面极图，可以看出合金板材具有非基面织构，（0002）晶面的取向以垂直方向（TD）为轴向挤压方向（ED）方向发生约30度偏转，并形成了两个峰值组元，最大峰值强度5.5。

实施例2：

1. 成分配比：原材料选用工业用纯镁(Mg＞99.9 wt.%)、工业用纯锌(Zn＞99.9wt.%)，以及镁稀土中间合金Mg−30Ce (wt.%)，Mg−26Dy (wt.%)。该合金的各组分重量百分比分别为Ce：1.0%，Dy：0.5%，Zn：0.5%，Mg含量为平衡余量。所用原材料均购自山西闻喜银光镁业有限责任公司。

2. 制备方法：

（2）合金熔炼：熔炼炉采用通有CO₂与SF₆混合气体的电阻炉。熔炼前所有原材料预热至200℃。升温至780℃将纯镁锭完全融化，然后依次加入镁稀土中间合金与纯锌，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，每隔10min搅拌一次。熔炼完成后，熔体降至750℃静置10min，倒入冷却结晶器中，铸造机用80mm/min的铸造速度直冷式半连续铸造。合金铸锭直径120 mm，长度2000 mm。

（3）均匀化处理：采用通有流动氩气保护气氛的大型箱式热处理炉对合金铸锭进行均匀化处理，以达到合金成分、组织上的均匀化，均匀化热处理温度为520℃，保温时间12h。

（3）塑性加工：采用轧制工艺，将均匀化处理后的合金铸锭车削为厚度为12 mm的板状坯料。轧制前，板状坯料在410℃保温30min，同时将两个轧辊预热至300℃。轧制速率为15 mm/s，每道次压下率为20%，各道次之间进行去应力退火，轧制合金板厚度最终降至3mm，得到Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金。

3.合金检测：

用LEICA公司的DM-2500M金相显微镜观测合金的显微组织，通过用配置Cu Kα辐射的帕纳科X射线衍射仪测量Ψ = 0–75°之间的不完全极图来获得合金的宏观织构。图3为轧制合金板材的金相组织图片；图4为轧制合金板材的基面极图，可以看出合金板材具有非基面织构，（0002）晶面的取向以垂直方向（TD）为轴向轧制方向（RD）方向发生约18度偏转，并形成了两个峰值组元，最大峰值强度7.6。

实施例3：

1. 成分配比：原材料选用工业用纯镁(Mg＞99.9 wt.%)、工业用纯锌(Zn＞99.9wt.%)，以及镁稀土中间合金Mg−28Y (wt.%)，Mg−30Ce (wt.%)。该合金的各组分重量百分比分别为Y：2.0%，Ce：0.3%，Zn：0.4%，Mg含量为平衡余量。所用原材料均出自山西闻喜银光镁业有限责任公司。

2. 制备方法：

（2）合金熔炼：熔炼炉采用通有CO₂与SF₆混合气体的电阻炉。熔炼前所有原材料预热至200℃。升温至720℃将纯镁锭完全融化，然后依次加入镁稀土中间合金与纯锌，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，每隔10min搅拌一次。熔炼完成后，熔体降至710℃静置10min，倒入冷却结晶器中，铸造机用120mm/min的铸造速度直冷式半连续铸造。铸锭直径120 mm，长度1800 mm。

（3）均匀化处理：采用通有流动氩气保护气氛的大型箱式热处理炉对合金铸锭进行均匀化处理，以达到合金成分、组织上的均匀化，均匀化热处理温度为400℃，保温时间18h。

（3）塑性加工：采用挤压工艺和轧制工艺共同处理，将均匀化处理后的合金铸锭车削为直径100 mm圆柱坯料，在400℃温度加热保温30min，模具预热至300℃，在630吨卧式挤压机上进行挤压加工，挤压速率1mm/s。为了保证挤出材料的表面质量，在出口处，对挤出材料进行流水冷却，获得厚度为8 mm厚，挤压比为12的挤压板材；然后，将挤压板材进行轧制加工，轧制前，挤压板材在410℃保温30min，同时将两个轧辊预热至300℃；轧制速率为15mm/s，每道次压下率为20%，各道次之间进行去应力退火，轧制合金板厚度最终降至2 mm，得到Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金。

3.合金检测：

用LEICA公司的DM-2500M金相显微镜观测合金的显微组织，通过用配置Cu Kα辐射的帕纳科X射线衍射仪测量Ψ = 0–75°之间的不完全极图来获得合金的宏观织构。图5为轧制合金板材退火后的金相组织图片，合金具有细小的再结晶晶粒；图6为轧制合金板材的基面极图，可以看出合金板材具有非基面织构，（0002）晶面的取向以垂直方向（TD）为轴向轧制方向（RD）方向发生约20度偏转，并形成了两个峰值组元，最大峰值强度6.4。

对比实例：

对比实例不添加稀土元素，选用与实例3相同塑性加工工艺获得的商业纯镁轧制薄板。图7为采用实例3相同方法测试所得的对比实例，即商业纯镁轧制板材的宏观织构极图。可以看出合金具有典型的基面织构，织构峰值强度25，为实例3的3.9倍；所以相比于对比实例，本发明选用的稀土合金元素对变形镁合金具有良好的织构弱化作用，而且能够细化合金晶粒，对合金起到固溶强化的效果，保证了合金的综合力学性能。

Claims

1.一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）合金熔炼：熔炼炉采用通有保护气氛的电阻炉或中频电磁感应炉，首先加入纯镁，升温将纯镁完全融化，然后加入镁稀土中间合金与纯锌，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，待熔炼完成后，熔体降温至一定温度后静置处理，然后，倒入冷却结晶器中，使用铸造机以一定速度进行直冷式半连续铸造，得到合金铸锭；

均匀化处理：采用通有流动氩气保护气氛的大型箱式热处理炉对合金铸锭进行均匀化热处理，得到铸态合金坯料；

（4）塑性加工：对得到的铸态合金坯料进行塑性加工，得到最终产品；其中的塑性加工工艺包括挤压工艺、轧制工艺或两者的结合。

2.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的纯锌的用量为0.3wt.%~0.5wt.%。

3.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的镁稀土中间合金记为Mg−(20~30)RE wt.%；其中RE为Ce、Nd、Gd、Dy或Y的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，所述Ce或Nd的用量为0.3wt.%~1.0wt.%；所述Gd、Dy或Y的用量为0.5wt.%~2.0wt.%。

5.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的预热温度为200℃。

6.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的升温温度为720℃~780℃；所述的降温温度为710℃~750℃，静置时间10min。

7.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的铸造速度为80~120mm/min。

8.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的均匀化热处理的温度为400℃~520℃，时间为12h~18h。

9.根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的挤压工艺具体步骤为：将均匀化处理后的铸态合金坯料在380℃或400℃进行预热，然后以1mm/s的挤压速率进行挤压；在出口处，对挤出材料进行流水冷却，挤压；挤压模具为矩形的板材截面或为其它形状的板材截面，最终得到各板面横截面厚度为2~8mm，挤压比12~30的挤压板材。

10. 根据权利要求1所述的一种具有弱织构的Mg−LRE−HRE−Zn系变形合金的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的轧制工艺具体步骤为：轧制所用的合金原始坯料为均匀化处理后的铸态合金坯料或挤压工艺后的挤压板材；轧制前，原始坯料在410℃下保温30 min，然后，同时将两个轧辊预热至250℃~300℃；轧制速率为15 mm/s，每道次压下率为20%，各道次之间进行去应力退火，轧制合金板厚度最终降至2-3 mm。