CN109022973A

CN109022973A - 一种中高强度高塑性的变形镁合金材料及其制备工艺

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Publication number: CN109022973A
Application number: CN201810669714.XA
Authority: CN
Inventors: 丁汉林; 魏峰; 陈伟
Original assignee: WUXI FUMEI LIGHT ALLOY TECHNOLOGY Co Ltd; Suzhou University
Current assignee: WUXI FUMEI LIGHT ALLOY TECHNOLOGY Co Ltd; Suzhou University
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明涉及中高强度高塑性的变形镁合金材料及其制备工艺，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0～0.2％、Si 0～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质；本发明基于材料素化思想设计,充分利用Ca元素对镁合金组织和性能的有益贡献，得到中高强度高塑性变形镁合金，其添加元素总含量严格控制在2.5％以内，使合金原材料成本降低的同时，减小了合金挤压变形抗力。本发明的制备工艺,制造工艺窗口宽，可在无需挤压前处理的条件下，实现低温、中温和高温挤压成形,并可在5～80m/min范围内实现中、快速挤压成形。此工艺生产的镁合金材料表面质量优异，基体组织中晶粒细小、分布均匀，成品率高，可为轨道交通、新能源汽车、医疗器械、建筑等行业提供理想的镁合金材料。

Description

一种中高强度高塑性的变形镁合金材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属材料的制备与加工技术领域，更具体涉及一种中高强度高塑性的变形镁合金材料及其型材的制备工艺。

背景技术

镁合金由于其优异的物理特性而被广泛应用，但其强度相对较低，作为工程结构材料的应用受到较大限制。为了提高镁合金的力学性能，通常采用稀土合金化和大塑性变形的方法。

稀土合金化是通过在镁合金中添加稀土元素，并利用稀土元素的固溶强化、细晶强化、析出强化等特性提高镁合金的力学性能，为了获得更高的力学性能，往往需要添加高含量的重稀土元素，如发明专利CN201010219698.8中涉及的稀土镁合金中Gd含量为6-13％，Y含量为2-6％等。虽然，我国的稀土资源丰富，但其价格昂贵、塑性成形困难、塑性延伸率较低等现实原因亟需解决，因此，该类型合金主要还处于实验室研究阶段，少量应用也仅局限于航空航天、国防军工等战略性领域。

大塑性变形是在单次变形过程中引入大的应变量，从而有效细化金属基体晶粒的一种制备方法，其主要是利用形变诱发动态再结晶、热机械变形或大剪切变形等方法细化晶粒来提升合金力学性能，如专利CN201310209427.8、CN201410293056.0和CN201610537275.8等。显然，由于大塑性变形的成形工艺比较苛刻而导致其与实际工业应用之间还存在很大距离，如大应变量需要大吨位的加工设备、加工效率低下严重影响生产节奏、生产技术不成熟而无法实现批量生产。

国际著名期刊《自然-材料》(XY Li,K Lu.Nature Mater.2017；16:700-701.)杂志针对金属材料的发展过度依赖于合金化来调节性能这一弊端，提出了在不改变材料成分的前提下，通过调控材料的位错、晶界、相界等缺陷，达到不(或少)依赖合金化并大幅度提高材料综合性能的目标，进而实现“材料素化”的战略思想。也就是说，基于传统的热成形工艺，如挤压、轧制等，开发低成本、低合金含量的、可工业化生产的新型变形镁合金尤为迫切。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于以较低成本和合金元素含量，在较宽的生产制造工艺条件下，制造出一种基于材料素化思想设计的新型中高强度高塑性变形镁合金，以及该镁合金材料的生产方法，以提高生产效率满足工业应用的需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中高强度高塑性的变形镁合金，其特征在于，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0～0.2％、Si0～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质，Zn或Si至少添加一种，添加元素Al、Mn、Ca、Zn、Si的总含量≤2.5％。

在一些实施方式中，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.6～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0.15～0.2％，其余为Mg及不可避免的杂质。

在一些实施方式中，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.6～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Si 0.04～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质。

在一些实施方式中，该合金中各组分的重量百分比为：Al 1.3％、Mn 0.3％、Ca0.05％、Zn 0.05％、Si 0.05％，其余为Mg及不可避免的杂质。

本发明中，中高强度高塑性的变形镁合金材料的制备工艺，包括镁合金的熔铸方法、镁合金的挤压制备方法，具体如下：

镁合金的熔铸方法如下：

(1)根据权利要求1至4任意一项所述配比，称取合金原材料，合金原材料采用纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Si中间合金；

(2)将各种合金原材料表面清洁、磨抛，以去除杂质和氧化皮的影响；

(3)将纯Mg置于坩埚中升温，按照200℃→400℃→600℃→720℃梯度升温方式加热，当温度达到400℃后通入N₂和SF₆混合气体保护；同时，将其他原料预热，预热温度200℃；

(4)纯Mg完全熔化后，向坩埚中加入所需合金原材料，合金原材料的加入顺序：纯Al、纯Zn、Mg-Ca中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Si中间合金，完全熔化后，搅拌、静置10min，获得镁合金液；

(5)将镁合金液倒入预热好的模具中浇铸，模具口采用N₂和SF₆混合气体保护，可采用重力浇铸或半连续浇铸方式制备出不同尺寸的镁合金铸棒。

镁合金的挤压制备方法：

将按照上述镁合金的熔铸方法得到的镁合金铸棒，无挤压前处理，扒皮后，直接加热至热挤压变形温度，在300～500℃进行热挤压，得到镁合金挤压型材为棒材、板材、管材或异型材；

或者，将按照上述镁合金的熔铸方法得到的镁合金铸棒，扒皮后，进行均质化处理后直接进行热挤压，均质化处理为将镁合金铸棒放入电阻炉加热至400～500℃，保温时间为0～12小时，均质化处理后，直接进行热挤压，在300～500℃进行热挤压，得到镁合金挤压型材为棒材、板材、管材或异型材；

或者，将按照上述镁合金的熔铸方法得到的镁合金铸棒，进行均质化处理后空冷至室温备用，均质化处理为将镁合金铸棒放入电阻炉加热至400～500℃，保温时间为0～12小时，均质化处理后，直接空冷至室温备用；

在一些实施方式中，步骤(5)中，所述模具预热温度为200℃，所述镁合金液的浇铸温度为690～710℃。

在一些实施方式中，镁合金的挤压制备方法中，所述热挤压的挤压比范围为1～150，镁合金挤压型材的挤出速度为5～80m/min。

在一些实施方式中，镁合金的挤压制备方法中，热挤压得到的镁合金挤压型材，可利用镁合金挤压型材自身的余温进行校直，校直后的型材可进行空冷或风冷，冷却至室温后平整、锯切、包装。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于材料素化思想设计,利用Ca元素对镁合金组织和性能的有益贡献，得到中高强度高塑性变形镁合金，添加元素总含量严格控制在2.5％以内，其合金含量较低，低于常规商用变形镁合金AZ31，使得镁合金原材料的成本降低，同时，减小了合金挤压变形抗力。

(2)本发明基于材料素化设计的镁合金，其挤压变形抗力小，为其低温挤压或快速挤压提供必要条件。

(3)根据本发明提供的镁合金中各组分的含量配比，结合发明的生产方法制备出的镁合金铸棒，与常规的AZ31、AZ61等商用镁合金相比，其显微组织图中显示，本发明的镁合金中共晶第二相的含量很少，为其无挤压前处理和快速挤压成形的特征工艺提供必要条件；对本发明制备出的镁合金铸棒进行均质化处理，经均质化处理后的基体以α-Mg为主，仅有极少量的第二相存在于晶界处；采用本发明中镁合金的挤压制备方法所制备的镁合金型材，表面质量优异，基体组织中晶粒细小、分布均匀；本发明降低生产加工成本，可少均质化处理，生产出的镁合金材料成品率高。

(4)本发明的生产方法，制造工艺窗口宽，可实现低温、中温和高温挤压成形；可在5～80m/min范围内实现中、快速挤压成形。

(5)本发明，在低合金含量的前提下，通过挤压成形工艺控制和组织调控，实现新型变形镁合金的中高强度和高塑性的优异匹配,基于本发明可有效降低镁合金及变形材的成本、提高其性能和加工效率，可为高铁、轨道交通、新能源汽车、机器人、医疗器械、建筑等行业提供理想的镁合金材料。

附图说明

图1是本发明实施案例一中镁合金铸棒的显微组织图；

图2是本发明实施案例二中镁合金铸棒的显微组织图；

图3是本发明实施案例三中镁合金铸棒的显微组织图；

图4是本发明实施案例一中镁合金挤压型材的显微组织图；

图5是本发明实施案例二中镁合金挤压型材的显微组织图；

图6是本发明实施案例三中镁合金挤压型材的显微组织图；

图7是用本发明的制备工艺生产出的管材和棒材，在室温下，拉伸测试所得的典型强度-延伸率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明公开的一种中高强高塑性的变形镁合金，其合金中各组分的重量百分比为：Al 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0～0.2％、Si 0～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质，其中，Zn或Si至少添加一种，添加元素Al、Mn、Ca、Zn、Si的总含量严格控制在2.5％以内。

实施案例一：

一种中高强高塑性的变形镁合金，该合金中实际组分的重量百分比为：Al 0.6％、Mn 0.2％、Zn 0.15％、Ca 0.06％，其余为Mg及不可避免的杂质。Mg为主要元素的，Al、Mn、Ca、Zn为添加元素。

该镁合金的制备工艺步骤如下：

(1)该镁合金的熔炼原材料为纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-5Mn中间合金和Mg-20Ca中间合金，其中各添加元素按10％烧损量进行配比；

(2)将各种原材料的表面清洁、磨抛，以去除原材料表面的杂质和氧化皮；

(3)将纯Mg置于坩埚中，按照200℃→400℃→600℃→720℃梯度升温方式加热，温度达到400℃后通入N2和SF6混合气体保护；其他原材料纯Al、纯Zn、Mg-5Mn中间合金、Mg-20Ca中间合金以及模具同时预热，预热温度200℃；

(4)待坩埚内的纯Mg完全熔化后，顺序加入纯Al、纯Zn、Mg-20Ca中间合金和Mg-5Mn中间合金，搅拌、静置10min，获得镁合金液；

(5)将上述步骤(4)得到的熔融镁合金液在700℃保温静置后，采用手工重力浇铸制备直径120mm圆形铸棒；

(6)将上述步骤(5)得到的铸棒扒皮，采用工频感应加热至300℃后直接热挤压制备4mm厚镁合金板材，挤压比19.7，镁合金挤压材的挤出速率约40m/min；

(7)挤压后利用镁合金挤压材的余温校直，冷却至室温后平整、锯切、包装。

本实施案例的所制备镁合金板材室温拉伸性能指标如表1的所示。

实施案例二：

一种中高强高塑性的变形镁合金，该合金中实际组分的重量百分比为：Al 1.0％、Mn 0.4％、Ca 0.12％、Si 0.04％，其余为Mg及不可避免的杂质。Mg为主要元素的，Al、Mn、Ca、Si为添加元素。

该镁合金的制备工艺步骤如下：

(1)该镁合金的熔炼原材料为纯Mg、纯Al、Mg-15Si中间合金、Mg-5Mn中间合金和Mg-20Ca中间合金，其中各添加元素按10％烧损量进行配比；

(3)将纯Mg置于坩埚中，按照200℃→400℃→600℃→720℃梯度升温方式加热，温度达到400℃后采用N2和SF6混合气体保护；其他原材料纯Al、Mg-15Si中间合金、Mg-5Mn中间合金、Mg-20Ca中间合金以及模具同时预热，预热温度200℃；

(4)待坩埚内的纯Mg完全熔化后，顺序加入纯Al、Mg-20Ca中间合金、Mg-5Mn中间合金和Mg-15Si中间合金，搅拌、静置10min，获得镁合金液；

(5)将上述步骤(4)得到的熔融镁合金液在710℃保温静置后，采用半连续浇铸制备直径160mm铸棒；

(6)将上述步骤(5)得到的铸棒扒皮，采用电阻炉加热至350℃后保温4小时进行均质化处理后，热挤压制备最薄壁3mm厚、120mm宽异型镁合金型材，挤压比33.5，镁合金挤压材的挤出速率约30m/min；

本实施案例的所制备镁合金型材室温拉伸性能指标如表1的所示。

实施案例三：

一种中高强高塑性的变形镁合金，该合金中实际组分的重量百分比为：Al 1.3％、Mn 0.3％、Ca 0.05％、Zn 0.05％、Si 0.05％，其余为Mg及不可避免的杂质。Mg为主要元素的，Al、Mn、Ca、Zn、Si为添加元素。

(1)该镁合金的熔炼原材料为纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-15Si中间合金、Mg-5Mn中间合金和Mg-20Ca中间合金，其中各添加元素按10％烧损量进行配比；

(3)将纯Mg置于坩埚中，按照200℃→400℃→600℃→720℃梯度升温方式加热，温度达到400℃后采用N2和SF6混合气体保护；其他原材料纯Al、纯Zn、Mg-15Si中间合金、Mg-5Mn中间合金、Mg-20Ca中间合金以及模具同时预热，预热温度200℃；

(4)待坩埚内的的纯Mg完全熔化后，顺序加入纯Al、纯Zn、Mg-20Ca中间合金、Mg-5Mn中间合金和Mg-15Si中间合金，搅拌、静置10min，获得镁合金液；

(5)将上述步骤(4)得到的熔融镁合金液在710℃保温静置后，采用半连续浇铸制备直径120mm铸棒；

(6)将上述步骤(5)得到的铸棒，在380℃温度下保温6小时进行均质化处理后空冷至室温备用；本实施例中，将均质化处理并冷却后的铸棒需要进一步制备成镁合金管材，将备用的铸棒扒皮后，采用工频感应加热至360℃直接挤压制备外径60mm，壁厚5mm的镁合金管材，挤压比13.1，镁合金挤压材挤出速率约18m/min；

(7)挤压后利用镁合金管材的余温校直，冷却至室温后平整、锯切、包装；

本实施例的所制备镁合金管材室温拉伸性能指标如表1的所示。

表1为：部分成分变形镁合金挤压材及其力学性能

本发明的镁合金，基于材料素化思想设计,利用Ca元素对镁合金组织和性能的有益贡献，得到中高强度高塑性变形镁合金，添加元素总含量严格控制在2.5％以内，其合金含量较低，低于常规商用变形镁合金AZ31，使得镁合金原材料的成本降低。而且，本发明基于材料素化设计的镁合金，其挤压变形抗力小，为其低温挤压或快速挤压提供必要条件。

根据本发明提供的镁合金中各组分的含量配比，结合发明的生产方法制备出的镁合金铸棒，与常规的AZ31、AZ61等商用镁合金相比，如图1至3所示，其显微组织图中显示，本发明的镁合金中共晶第二相的含量很少，为其无挤压前处理和快速挤压成形的特征工艺提供必要条件。图1至3为三个实施案例中步骤(5)得到的镁合金铸棒的显微组织图。如对本发明制备出的镁合金铸棒进行均质化处理，经均质化处理后的基体以α-Mg为主，仅有极少量的第二相存在于晶界处。图4至6是经过本发明的挤压制备方法制备的镁合金挤压材的显微组织图，从图中可以看出，采用本发明中镁合金的挤压制备方法所制备的镁合金型材，表面质量优异，基体组织中晶粒细小、分布均匀，生产出的镁合金材料成品率高。如图7所示，用本发明的制备工艺生产出的管材和棒材，在室温下，拉伸测试所得的典型强度-延伸率曲线，图7结合表1，可以看出，本发明提出的镁合金具有中高强度、高塑性变形的性能。

本发明的制备工艺，制造工艺窗口宽，可在无需挤压前处理的条件下，实现低温、中温和高温挤压成形，并可在5～80m/min范围内实现中、快速挤压成形。

本发明，各添加元素的总含量严格控制在2.5％以内，在低合金含量的前提下，通过挤压成形工艺控制和组织调控，实现新型变形镁合金的中高强度和高塑性的优异匹配,基于本发明可有效降低镁合金及变形材的成本、提高其性能和加工效率，可为高铁、轨道交通、新能源汽车、机器人、医疗器械、建筑等行业提供理想的镁合金材料。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种中高强度高塑性的变形镁合金，其特征在于，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0～0.2％、Si 0～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质，所述Zn或Si至少添加一种，所述添加元素Al、Mn、Ca、Zn、Si的总含量≤2.5％。

2.根据权利要求1所述的中高强度高塑性的变形镁合金，其特征在于，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.6～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Zn 0.15～0.2％，其余为Mg及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的中高强度高塑性的变形镁合金，其特征在于，该合金中各组分的重量百分比为：Al 0.6～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ca 0.05～0.15％、Si 0.04～0.1％，其余为Mg及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的中高强度高塑性的变形镁合金，其特征在于，该合金中各组分的重量百分比为：Al 1.3％、Mn 0.3％、Ca 0.05％、Zn 0.05％、Si 0.05％，其余为Mg及不可避免的杂质。

5.中高强度高塑性的变形镁合金材料的制备工艺，包括镁合金的熔铸方法、镁合金的挤压制备方法，其特征在于，具体如下：

镁合金的熔铸方法如下：

镁合金的挤压制备方法：

或者，将按照上述镁合金的熔铸方法得到的镁合金铸棒，进行均质化处理后空冷至室温备用，均质化处理为将镁合金铸棒放入电阻炉加热至400～500℃，保温时间为0～12小时，均质化处理后，直接空冷至室温备用。

6.根据权利要求5所述的中高强度高塑性的变形镁合金材料的制备工艺，其特征在于，步骤(5)中，所述模具预热温度为200℃，所述镁合金液的浇铸温度为690～710℃。

7.根据权利要求5所述的中高强度高塑性变形镁合金材料的制备工艺，其特征在于，镁合金的挤压制备方法中，所述热挤压的挤压比范围为1～150，镁合金挤压型材的挤出速率为5～80m/min。

8.根据权利要求5所述的中高强度高塑性变形镁合金材料的制备工艺，其特征在于，镁合金的挤压制备方法中，热挤压得到的镁合金挤压型材，可利用镁合金挤压型材自身的余温进行校直，校直后的型材可进行空冷或风冷，冷却至室温后平整、锯切、包装。