CN108707800B - 一种高强塑性低稀土含量镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强塑性低稀土含量镁合金材料，由以下质量百分含量的组分组成：铝：7.42～8.55％，锡：1.57～2.23％，锌：0.90～1.38％，钇：0.42～1.53％，余量为镁。在合金中均匀分布的多种第二相和均匀细小的显微组织、较弱的基面织构，使合金具有高强度和高塑性。本发明还公开一种高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，使制备的镁合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了镁合金的力学性能。

Description

一种高强塑性低稀土含量镁合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种高强塑性低稀土含量镁合金材料及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有比强度高、比刚度高、电磁屏蔽能力强、阻尼减震性好、导电导热性好及良好的再回收性等优点，在汽车、航空、航天、通讯等领域轻量化、节能、环保等诸方面得到日益广泛的应用。但是镁合金是密排六方结构，在室温下滑移系少，不能满足多晶体塑性变形对滑移系数目的要求，所以室温下镁合金的塑性变形能力较差。少量稀土元素的添加可以使镁合金铸造组织晶粒得到明显细化，但是镁合金铸造组织中含有较多的组织缺陷如：缩松、缩孔和夹杂物，导致其力学性能较差。通过挤压、锻造、轧制后的变形镁合金与铸造镁合金相比组织更加致密均匀；而且少量稀土元素的添加可以促进热变形过程中的动态再结晶、激活非基面滑移，进而细化晶粒尺寸、弱化基面织构，使镁合金塑性得到提高。目前的高含量稀土镁合金虽然能够改善合金的力学性能，但能同时提高合金强度和塑性的技术工艺并不多见。
申请公布号CN104975214A的中国发明专利公开了一种高塑性镁合金及其制备方法，运用传统的挤压工艺，挤压后合金的最高延伸率为29.1％，但其室温抗拉强度仅为231MPa，而且稀土元素钇的添加量超过了5％，生产成本较高。申请号为CN105349862A的中国发明专利公开了高强韧稀土镁合金材料及制备方法，其中稀土元素钇的含量在3.0％-12.4％之间,采用铸造-预时效-热轧-时效制备出了抗拉强度为380MPa的高稀土镁合金材料，但延伸率仅为10％。这些公开的发明专利通过高含量稀土元素的添加，虽然能够改善镁合金的力学性能，但却很难同时提高合金的强度和塑性。此外，高稀土含量镁合金成本高、制备工艺繁杂耗能，不适合大规模化工业生产。因而，亟需探索和开发低成本、生产工艺简单的高强塑性低稀土含量镁合金。
发明内容
本发明设计开发了一种高强塑性低稀土含量镁合金材料，合金中均匀分布的多种第二相和均匀细小的显微组织、较弱的基面织构，具有高强度和高塑性。
本发明还设计开发了一种高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，使制备的镁合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了镁合金的力学性能。
本发明提供的技术方案为：
一种高强塑性低稀土含量镁合金材料，由以下质量百分含量的组分组成：铝：7.42～8.55％，锡：1.57～2.23％，锌：0.90～1.38％，钇：0.42～1.53％，余量为镁。
优选的是，所述稀土元素钇的质量分数为0.42％，0.78％，1.06％或1.53％。
一种高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将预热的镁锭在SF6和CO2混合气体下升温至680～730℃完全融化；并在660～720℃下加入预热的镁和钇中间合金以及纯铝、锡和锌得到镁合金熔融液；继续升温至680～730℃，保温10～40min后浇铸，并冷却得到镁合金铸锭；
步骤2：将所述镁合金铸锭在310～420℃下进行阶梯式固溶处理；
步骤3：将固溶处理后的镁合金铸锭在380～430℃下预热1～3h，并在400～440℃下进行热挤压，挤压速率为0.6～0.8m/min，挤压后空冷至室温。
优选的是，所述步骤1中，所述SF6和CO2混合气体的体积比为1:99。
优选的是，所述步骤2中，所述阶梯式固溶处理包括：
第一阶段：所述镁合金铸锭的热处理温度为300～340℃，热处理时间为1～3h；
第二阶段：将温度升到360～400℃，热处理时间为7～14h；
第三阶段：将温度升到400～430℃，热处理时间为1～4h，取出后迅速水冷至室温。
优选的是，所述步骤3找中，所述热挤压的挤压比为33:1。
优选的是，所述步骤1中，在进行浇铸之前还包括将所述镁合金熔融液进行吹气、搅拌和除渣操作。
优选的是，所述步骤3中，挤压后得到的镁合金为板材结构，其横截面积为5×40mm2。
优选的是，所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的各组分质量百分含量为：铝：7.42％，锡：1.57％，锌：0.78％，钇：0.78％，余量为镁，其抗拉强度350MPa，断裂伸长率27％。
优选的是，所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的各组分质量百分含量为：铝：8.55％，锡：2.23％，锌：0.90％，钇：1.06％，余量为镁，其抗拉强度355MPa，断裂伸长率29％。
本发明所述的有益效果：
本发明提供一种工艺简单可靠、易于推广使用的高强塑性低稀土含量镁合金材料及其制备方法。该方法制备的镁合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了镁合金的力学性能，使该镁合金材料具有高强度的同时还具有高塑性。主要具备以下优点：
(1)优异的力学性能：合金中均匀分布的多种第二相和均匀细小的显微组织、较弱的基面织构，使得合金同时具有高强度(355MPa)和高塑性(29％)。
(2)低廉的原料成本：通过使用非稀土元素合金代替高含量稀土元素合金，大大减低了生产成本。
(3)简单的制备方法：采用传统的挤压工艺，进行一次挤压，省去了繁琐的加工流程，具有制备简单、可靠、易于推广和使用性强等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的显微组织照片。
图2为本发明实施例1所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例2所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的显微组织照片。
图4为本发明实施例2所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的扫描电镜照片。
图5为本发明实施例3所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的显微组织照片。
图6为本发明实施例3所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的扫描电镜照片。
图7为本发明实施例4所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的显微组织照片。
图8为本发明实施例4所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种高强塑性低稀土含量镁合金材料，由以下质量百分含量的组分组成：Al：7.42～8.55％，Sn：1.57～2.23％，Zn：0.90～1.38％，Y：0.42～1.53％，Y为稀土元素钇，余量为Mg。优选的是，所述稀土元素Y的质量分数为0.42％，0.78％，1.06％或1.53％。
本发明提供的高强塑性低稀土含量镁合金材料，在合金中均匀分布的多种第二相和均匀细小的显微组织、较弱的基面织构，具有高强度和高塑性。
本发明还提供一种高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：熔炼及铸造：首先将通有SF6+CO2混合气体(体积比为1:99)的熔炼炉温度升至680～730摄氏度，然后将预热的镁锭加热和熔化；待其完全熔化后，在660～720摄氏度加入预热后的Mg-Y中间合金和纯Al、Sn和Zn；待合金熔液完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣；将温度升至680～730摄氏度，保温10～40分钟后将合金熔液浇铸到磨具中，随后在空气中冷却得到合金铸锭。
步骤2：阶梯固溶：将步骤(1)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行阶梯固溶处理。第一阶段的热处理温度是300～340摄氏度，热处理时间为1～3小时；第二阶段温度升到360～400摄氏度，热处理时间为7～14小时；最第三阶段温度升到400～430摄氏度，热处理时间为1～4小时，取出后迅速水冷至室温。
步骤3：热挤压：将步骤(2)处理得到的镁合金铸锭在380～430摄氏度预热1～3小时，然后进行热挤压；挤压温度为400～440摄氏度，挤压比为33:1，挤压速率为0.6～0.8m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面积尺寸为5×40mm2。
实施例1
高强塑性低稀土含量镁合金的各组分质量百分数为：Al：7.42％，Sn：1.57％，Zn：0.78％，Y：0.42％，余量为Mg。
其制备方法，步骤如下：
(1)熔炼及铸造：首先将熔炼炉中的镁锭加热熔化；待其完全熔化后，在690摄氏度加入预热后的Mg-Y中间合金和纯Al、Sn和Zn；待合金熔液完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣，熔炼过程中保护气体为SF6和CO2的混合气体(体积比为1:99)；然后将温度升至715摄氏度，保温30分钟后将合金熔液浇铸到磨具中，随后在空气中冷却得到合金铸锭。
(2)阶梯固溶：将步骤(1)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行阶梯固溶处理。第一阶段的热处理温度是310摄氏度，热处理时间为3小时；第二阶段温度升到380摄氏度，热处理时间为12小时；第三阶段温度升到420摄氏度，热处理时间为4小时，取出后迅速水冷至室温。
(3)热挤压：将步骤(2)处理得到的镁合金铸锭进行420摄氏度2小时的预热，然后进行热挤压；挤压温度为420摄氏度，挤压比为33:1，挤压速率为0.70m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面积尺寸为5×40mm2。
本实施方式得到的高强塑性低稀土含量镁合金的显微组织照片如图1所示，扫描电镜照片如图2所示，经测试其室温拉伸力学性能为：抗拉强度348MPa；断裂伸长率25％。
实施例2
高强塑性低稀土含量镁合金的各组分质量百分数为：Al：8.55％，Sn：2.23％，Zn：0.90％，Y：0.78％，余量为Mg。
其制备方法，步骤如下：
(1)熔炼及铸造：首先将熔炼炉中的镁锭加热熔化；待其完全熔化后，在675摄氏度加入预热后的Mg-Y中间合金和纯Al、Sn和Zn；待合金熔液完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣，熔炼过程中保护气体为SF6和CO2的混合气体(体积比为1:99)；将温度升至700摄氏度左右时，保温40分钟后将合金熔液浇铸到磨具中，随后在空气中冷却得到合金铸锭。
(2)阶梯固溶：将步骤(1)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行阶梯固溶处理。第一阶段的热处理温度是320摄氏度，热处理时间为3小时；第二阶段温度升到390摄氏度，热处理时间为11小时；最第三阶段温度升到415摄氏度，热处理时间为2小时，取出后迅速水冷至室温。
(3)热挤压：将步骤(3)处理得到的镁合金铸锭进行415摄氏度2小时的预热，然后进行热挤压；挤压温度为430℃，挤压比为33:1，挤压速率为0.75m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面积尺寸为5×40mm2。
本实施方式得到的高强塑性低稀土含量镁合金的显微组织照片如图3所示，扫描电镜照片如图4所示，经测试其室温拉伸力学性能为：抗拉强度350MPa；断裂伸长率27％。
实施例3
高强塑性低稀土含量镁合金的各组分质量百分数为：Al：8.01％，Sn：1.99％，Zn：1.30％，Y：1.06％，余量为Mg。
其制备方法，步骤如下：
(1)熔炼及铸造：首先将熔炼炉中的镁锭加热熔化；待其完全熔化后，在685℃加入预热后的Mg-Y中间合金和纯Al、Sn和Zn；待合金熔液完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣，熔炼过程中保护气体为SF6和CO2的混合气体(体积比为1:99)；将温度升至725℃，保温15min后将合金熔液浇铸到磨具中，随后在空气中冷却得到合金铸锭。
(2)阶梯固溶：将步骤(1)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行阶梯固溶处理。第一阶段的热处理温度是330摄氏度，热处理时间为1小时；第二阶段温度升到360摄氏度，热处理时间为10小时；第三阶段温度升到430℃，热处理时间为2小时，取出后迅速水冷至室温。
(3)热挤压：将步骤(2)处理得到的镁合金铸锭进行400摄氏度2小时的预热，然后进行热挤压；挤压温度为440℃，挤压比为33:1，挤压速率为0.68m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面积尺寸为5×40mm2。
本实施方式得到的高强塑性低稀土含量镁合金的显微组织照片如图5所示，扫描电镜照片如图6所示，其室温力学性能为：抗拉强度355MPa；断裂伸长率29％。
实施例4
高强塑性低稀土含量镁合金的各组分质量百分数为：Al：7.78％，Sn：2.13％，Zn：1.22％，Y：1.53％，余量为Mg。
其制备方法，步骤如下：
(1)熔炼及铸造：首先将熔炼炉中的镁锭加热熔化；待其完全熔化后，在670摄氏度加入预热后的Mg-Y中间合金和纯Al、Sn和Zn；待合金熔液完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣，熔炼过程中保护气体为SF6和CO2的混合气体(体积比为1:99)；将温度升至725摄氏度，保温15分钟后将合金熔液浇铸到磨具中，随后在空气中冷却得到合金铸锭。
(2)阶梯固溶：将步骤(1)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行阶梯固溶处理。第一阶段的热处理温度是340摄氏度，热处理时间为1小时；第二阶段温度升到370摄氏度，热处理时间为13小时；第三阶段温度升到420℃，热处理时间为3小时，取出后迅速水冷至室温。
(3)热挤压：将步骤(2)处理得到的镁合金铸锭进行410摄氏度3小时的预热，然后进行热挤压；挤压温度为440℃，挤压比为33:1，挤压速率为0.8m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面积尺寸为5×40mm2。
本实施方式得到的高强塑性低稀土含量镁合金的显微组织照片如图7所示，扫描电镜照片如图8所示，其室温拉伸力学性能为：抗拉强度335MPa；断裂伸长率24％。
对比例1
一种高塑性镁合金，合金成分为：4.95wt.％Y，0.53wt.％Zr，余量为Mg；所述百分比为质量百分比；
按上述配比和以下方法制备，得到本实施例的镁合金：
(1)合金冶炼及铸造：
原材料：工业纯镁锭、Mg-30wt.％Y中间合金、Mg-27.85wt.％Zr中间合金。
采用半连续铸造方法铸造：先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF6和C02的混合气体作保护气。当温度上升到720℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭。
(2)机加工：将步骤(1)得到的镁合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用。
(3)均匀化：将镁合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，温度为490℃，保温时间为11h，水冷至室温。
(4)热挤压：将挤压模具和步骤(3)处理后的铸锭在400℃预热2.5小时，然后进行热挤压；挤压温度为400℃，挤压比11.5:1，挤压速率为1.3Om/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125mm2，金相显微组织如图1所示。
(5)力学性能测试：根据GB228-2002沿挤压方向将挤压板材加工成标准拉伸样，进行拉伸试验，延伸率高达29.1％，但是屈服强度仅为153Mpa，抗拉强度为231Mpa。
对比例2
一种高塑性镁合金(Mg-Y-Zn-Zr)，合金成分(wt.％)是：Y12.4，Zn3.45，Zr0.60，Si≤0.03，Fe≤0.05，Ca≤0.03，Cu≤0.01，Ni≤0.005，单个其他杂质含量≤0.05，杂质总含量≤0.30，其余为Mg。
本实施例中Mg-Y-Zn-Zr合金板材的制备方法按以下步骤进行：
(1)按照上述合金成分称重，熔铸使用的原材料为高纯镁锭、纯锌锭、镁钇中间合金、镁锆中间合金；
(2)将重熔用Mg～Y、Mg～Zr中间合金和全部的纯Mg入炉加覆盖剂(RJ-5)，升温至750℃充分熔化，降至730℃后加入纯Zn后搅拌棒搅拌，静置50min除渣加覆盖剂(RJ-5)，保温静置10min后浇注。浇铸温度710℃，铸造速度75～85mm/min，冷却水压0.8×106～0.9×106Pa，冷却水流量16.5m3/h，获得200mm×300mm×500mm的铸锭。
(3)将铸锭进行固溶温度505℃×固溶时间24h+水淬+时效温度200℃×时效时间90h时效，室温装炉，加热1小时30分钟至410℃保温2h；
(4)热轧工艺：开轧温度395℃，终轧温度385℃，轧制速度120mm/s～145mm/s，总加工率86％，道次加工率5％～25％；
(5)板材中间退火工艺：退火温度390℃×退火时间1h；经中间一次退火，最终获得28mm厚板材；
(6)对终轧板材进行时效温度200℃×时效时间50h时效处理，获得高强韧镁合金板材，该材料测量结果：抗拉强度378MPa，屈服强度305MPa，但是延伸率仅为10％。
具体实施例1-4和对比例1-2得到的镁合金的力学性能如表1所示。
表1镁合金的力学性能
Figure BDA0001759033840000091
Figure BDA0001759033840000101
由表1可以看出本发明的制备方法得到的镁合金具有优异的力学性能，使该镁合金材料同时具有高强度的同时还具有高塑性。对比例1运用传统的挤压工艺，挤压后合金的最高延伸率为29.1％，但其室温抗拉强度仅为231MPa，而且稀土元素钇的添加量超过了5％，生产成本较高。对比例2中稀土元素钇的含量在3.0％-12.4％之间,采用铸造-预时效-热轧-时效制备出了抗拉强度为380MPa的高稀土镁合金材料，但延伸率仅为10％。对比例和对比例2通过高含量稀土元素的添加，虽然能够改善镁合金的力学性能，但却很难同时提高合金的强度和塑性。此外，高稀土含量镁合金成本高、制备工艺繁杂耗能，不适合大规模化工业生产。而本发明采用工艺简单可靠、易于推广使用的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，该方法制备的镁合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了镁合金的力学性能，使该镁合金材料具有高强度(抗拉强度达到350Mpa)的同时还具有高塑性(延展性可高达29％)。
本发明提供一种工艺简单可靠、易于推广使用的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法。该方法制备的镁合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了镁合金的力学性能，使该镁合金材料具有高强度的同时还具有高塑性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将预热的镁锭在SF6和CO2混合气体下升温至680～730℃完全融化；并在660～720℃下加入预热的镁和钇中间合金以及纯铝、锡和锌得到镁合金熔融液；继续升温至680～730℃，保温10～40min后浇铸，并冷却得到镁合金铸锭；
步骤2：将所述镁合金铸锭在310～420℃下进行阶梯式固溶处理；
步骤3：将固溶处理后的镁合金铸锭在380～430℃下预热1～3h，并在400～440℃下进行热挤压，挤压速率为0.6～0.8m/min，挤压后空冷至室温；
其中，所述高强塑性低稀土含量镁合金材料由以下质量百分含量的组分组成：铝：7.42～8.55％，锡：1.57～2.23％，锌：0.90～1.38％，钇：0.42～1.53％，余量为镁。
2.如权利要求1所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述SF6和CO2混合气体的体积比为1:99。
3.如权利要求2所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述阶梯式固溶处理包括：
第一阶段：所述镁合金铸锭的热处理温度为310～340℃，热处理时间为1～3h；
第二阶段：将温度升到360～400℃，热处理时间为7～14h；
第三阶段：将温度升到400～420℃，热处理时间为1～4h，取出后迅速水冷至室温。
4.如权利要求3所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述热挤压的挤压比为33:1。
5.如权利要求1、2、3或4所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，在进行浇铸之前还包括将所述镁合金熔融液进行吹气、搅拌和除渣操作。
6.如权利要求5所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，挤压后得到的镁合金为板材结构，其横截面积为5×40mm2。
7.如权利要求6所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的各组分质量百分含量为：铝：7.42％，锡：1.57％，锌：0.78％，钇：0.78％，余量为镁，其抗拉强度350MPa，断裂伸长率27％。
8.如权利要求7所述的高强塑性低稀土含量镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述高强塑性低稀土含量镁合金材料的各组分质量百分含量为：铝：8.55％，锡：2.23％，锌：0.90％，钇：1.06％，余量为镁，其抗拉强度355MPa，断裂伸长率29％。
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