CN108866410A - 一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度和高屈强比Mg‑Al‑Ca‑Y‑Mn系镁合金及其制备方法和应用，属于镁合金制备技术领域，所述高强度和高屈强比Mg‑Al‑Ca‑Y‑Mn系镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：2.0～6.0％；Ca：1.0～4.0％；Y：0.5～6.0％；Mn：0.002～1.0％；其余为镁和不可避免杂质。本发明制备得到变形镁合金材料综合性能良好，通过挤压变形后获得优良的力学性能，经检测，室温抗拉强度和屈服强度分别达到340和320MPa以上，延伸率大于10％，屈强比达到94％以上，同时制备方法简单，因此具有良好的工业化应用前景和实际应用之价值。

Description

一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于镁合金制备技术领域，具体涉及一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
镁合金是目前得到应用的最轻的金属结构材料，其密度仅为钢铁的1/4，铝的2/3，钛的1/3，在轻量化方面具有显著优势，同时还具有减震、电磁屏蔽性能好、切削加工性能优良、比强度比刚度高等优点，在航空航天、汽车、电子产品、国防军事等领域具有重要应用价值和广阔应用前景。然而，镁合金一般为典型密排六方结构，变形能力较差，屈服强度低，限制了其在结构件上的应用。
金属材料的屈强比为屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值。对于结构零件来说，所选材料屈服强度和屈强比越大，抵抗变形能力越强，可靠性越大。同时若在高屈服强度和屈强比前提下，能保证较好的塑性，对于提高镁合金在结构件上的应用潜力具有重要意义。
目前应用最多的商用变形镁合金系主要有AZ、AM、ZK系。AZ和AM系合金，价格便宜，但绝对强度和屈强比均较低，应用受到限制；ZK系合金如ZK60，挤压后屈服强度介于240～250MPa，抗拉强度达到325～340MPa，屈强比一般低于0.8，延伸率介于10～12％。除此之外，人们还开发了一些高屈强比镁合金，如专利申请号200810069464.2，名称为“一种高屈强比和高塑性的变形镁合金”、专利申请号201410210886.2，名称为“一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金”、专利申请号2017100388932，名称为“一种高屈强比变形镁合金及其制备方法”。
然而，上述合金均难以在得到高屈强比的同时，保证高的屈服强度以及较好的塑性。因此，发展一种新型综合性能良好的镁合金具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术中镁合金绝对强度较低、屈强比较低等问题，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金及其制备方法和应用，本发明制备得到变形镁合金材料综合性能良好，通过挤压变形后获得优良的力学性能，同时制备方法简单，具有良好的工业化应用前景和实际应用之价值。
本发明的目的之一在于提供一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金。
本发明的目的之二在于提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金的制备方法。
本发明的目的之三在于提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，所述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：2.0～6.0％；Ca：1.0～4.0％；Y：0.5～6.0％；Mn：0.002～1.0％；其余为镁和不可避免杂质；
优选的，所述镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～5.0％；Ca：2.0～3.5％；Y：1.0～5.0％；Mn：0.002～0.6％；其余为镁和不可避免杂质。
进一步优选的，所述的镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～4.5％；Ca：2.5～3.5％；Y：2.0～4.0％；Mn：0.1～0.4％；其余为镁和不可避免杂质。
需要说明的是，本发明高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金中不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。
本发明的第二个方面，提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金的制备方法，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
优选的，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热20～40分钟；升温至700℃后保温使工业纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭；
进一步优选的，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯Mg，在700℃保温使其全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
优选的，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在CO2和SF6混合气体保护下480～520℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
优选的，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在350～450℃下预热30～120min，然后挤压成型。
优选的，所述CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
本发明的第三个方面，提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金在航空航天、汽车、电子产品领域中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明中合金中的主要合金元素Al、Ca在铸态时以片层状高温稳定相Al2Ca或Mg2Ca形式存在，经热处理后，片层状Al2Ca或Mg2Ca逐渐变为微米级细小颗粒，在挤压变形时起到钉扎位错，促进动态再结晶的作用，也可起到弥散强化作用。添加稀土元素Y可明显抑制晶粒长大，并且稀土元素可以提高镁合金塑性变形能力。Mn元素可以改善挤压镁合金的组织形貌，细化晶粒，提高合金力学性能；
(2)本发明挤压态合金晶粒尺寸小于5μm，第二相细小弥散，室温抗拉强度和屈服强度分别达到340和320MPa以上，延伸率大于10％，屈强比达到94％以上，是一种塑性优良的高强度和高屈强比变形镁合金。
综上，本发明提供了一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，同时制备方法简单，因此具有较好的工业化应用前景及实际应用之价值。
附图说明
图1为本发明镁合金(实施例1)常温下的工程应力-应变曲线。
图2为本发明镁合金(实施例1)的挤压态金相组织照片。
图3为本发明镁合金(实施例2)的挤压态金相组织照片。
图4为本发明镁合金(实施例3)的挤压态金相组织照片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，现有技术中的合金难以在得到高屈强比的同时，保证高的屈服强度以及较好的塑性。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，所述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：2.0～6.0％；Ca：1.0～4.0％；Y：0.5～6.0％；Mn：0.002～1.0％；其余为镁和不可避免杂质；
本发明采用Al、Ca作为主要合金元素，这两种元素在镁合金中易形成片层状高温稳定相Al2Ca或Mg2Ca，控制热处理温度和时间，片层状Al2Ca或Mg2Ca逐渐变为微米级细小颗粒，可在挤压变形时起到钉扎位错，促进动态再结晶的作用，也可起到弥散强化作用；
同时通过添加稀土元素Y，在镁合金中添加少量Y即可明显抑制晶粒长大，并且稀土元素可以提高镁合金塑性变形能力；
其中Mn元素可以改善挤压镁合金的组织形貌，细化晶粒，提高合金力学性能。
本发明通过挤压变形可以获得高强度和高屈强比镁合金，并且塑性优良，延伸率大于10％。
本发明的又一具体实施方式中，所述镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～5.0％；Ca：2.0～3.5％；Y：1.0～5.0％；Mn：0.002～0.6％；其余为镁和不可避免杂质。
本发明的又一具体实施方式中，所述的镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～4.5％；Ca：2.5～3.5％；Y：2.0～4.0％；Mn：0.1～0.4％；其余为镁和不可避免杂质。
本发明的又一具体实施方式中，本发明高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金中不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金的制备方法，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热20～40分钟；升温至700℃后保温使工业纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯Mg，在700℃保温使其全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在CO2和SF6混合气体保护下480～520℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在350～450℃下预热30～120min，然后挤压成型。
本发明的又一具体实施方式中，所述CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金在航空航天、汽车、电子产品领域中的应用。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
实施例1
合金成分(质量百分比)为：Al为4.0％，Ca为3.0％，Y为1.0％，Mn为0.5％，其余为镁和不可避免杂质。
按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明镁合金材料：
(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700℃保温使纯镁全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在CO2和SF6混合气体保护下480℃热处理6小时；CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，在380℃预热50分钟，然后在挤压机上挤压成型，空冷至室温最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
实施例2
合金成分(质量百分比)为：Al为4.5％，Ca为2.5％，Y为2.0％，Mn为0.6％，其余为镁和不可避免杂质。
按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明镁合金材料：
(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700℃保温使纯镁全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温25分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在CO2和SF6混合气体保护下500℃热处理5小时；CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，在410℃预热70分钟，然后在挤压机上挤压成型，空冷至室温最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
实施例3
合金成分(质量百分比)为：Al为3.0％，Ca为3.0％，Y为3.0％，Mn为0.002％，其余为镁和不可避免杂质。
按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明镁合金材料：
(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700℃保温使纯镁全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在CO2和SF6混合气体保护下510℃热处理4小时。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，在400℃预热90分钟，然后在挤压机上挤压成型，空冷至室温最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
本发明实施例1～3挤压参数如表1所示。
表1本发明镁合金材料主要挤压参数
本发明实施例1～3挤压态和热处理态下的室温力学性能如表2所示。
表2本发明所述镁合金材料的室温力学性能
如图1所示，从实施例1挤压合金的工程应力-应变曲线可以看出，合金屈服强度超过330MPa，并且屈服后可在相当强度下继续拉伸，延伸率超过14％，这对提高工件安全性十分有利。
如图2～图4所示，从实施例1～3的挤压态金相组织照片可以看出，合金均发生了完全的动态再结晶，晶粒细小均匀，尺寸均小于5μm，第二相分布弥散。
实施例结果表明，本发明镁合金挤压态条件下可获得高屈服强度和高屈强比,同时塑性优良，具有良好的挤压成型性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，其特征在于，所述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：2.0～6.0％；Ca：1.0～4.0％；Y：0.5～6.0％；Mn：0.002～1.0％；其余为镁和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，其特征在于，所述镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～5.0％；Ca：2.0～3.5％；Y：1.0～5.0％；Mn：0.002～0.6％；其余为镁和不可避免杂质。
3.如权利要求1所述的一种高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，其特征在于，所述的镁合金各组份质量百分含量为：Al：3.0～4.5％；Ca：2.5～3.5％；Y：2.0～4.0％；Mn：0.1～0.4％；其余为镁和不可避免杂质。
4.如权利要求1-3任一项所述的高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金，其特征在于，所述不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。
5.权利要求1-4任一项所述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热20～40分钟；升温至700℃后保温使工业纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭；
优选的，所述步骤S1中，先将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加热纯Mg，在700℃保温使其全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，升温至740℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在CO2和SF6混合气体保护下480～520℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在350～450℃下预热30～120min，然后挤压成型。
9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述CO2和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO2占99～99.5％，SF6占0.5～1.0％。
10.权利要求1-4任一项所述高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金和/或权利要求5-9任一项所述制备方法得到的高强度和高屈强比Mg-Al-Ca-Y-Mn系镁合金在航空航天、汽车、电子产品领域中的应用。
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