CN109112373A - 一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度Mg‑Li‑Sn‑Zn超轻合金的制备方法，所述制备方法包括：原料熔炼步骤，称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造步骤，铸造成Mg‑Li‑Sn‑Zn合金锭；塑性变形步骤，将得到的Mg‑Li‑Sn‑Zn合金锭进行均匀化处理，再进行塑性变形加工；热处理步骤，将完成塑性变形加工的Mg‑Li‑Sn‑Zn合金锭进行时效处理，得到高强度的Mg‑Li‑Sn‑Zn超轻合金。所制备的Mg‑Li‑Sn‑Zn超轻合金具有密度低、强度高和塑性较高的特点。

Description

一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁合金的制备方法，特别涉及一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法。
背景技术
镁(Mg)合金具有密度低、来源广泛、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。通过向镁合金中添加Li进行合金化，能够进一步降低其密度，并改善镁合金的塑性，因此，镁锂合金在航空航天等对轻量化要求很高的领域有着广泛的潜在应用前景。目前来看，限制镁锂合金应用的一大难题是其强度偏低，难以满足工程应用的要求，因此，开发新型高强镁锂合金具有非常重要的价值。
Bin Jiang等人报道了在Mg-9Li合金中加入Sn元素后，形成了高熔点的MgLiSn相和Mg2Sn相(Effects of Sn on microstructure of as-cast and as-extruded Mg-9Lialloys，Trans.Nonferrous Met.Soc.China 23(2013)904-90)。时效过程中弥散析出的高熔点相在镁合金中具有很好的强化效果。Zn元素是镁合金中常用的合金元素，Zn元素的加入不仅能起到固溶强化的作用，还能够促进MgLiSn相和Mg2Sn相的析出。
因此，如何通过向Mg-Li合金中加入其它辅助元素，获得高强度超轻合金，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，包括以下步骤：
a)原料熔炼步骤，称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造步骤，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭；
b)塑性变形步骤，将步骤a)得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行均匀化处理，再进行塑性变形加工；
c)热处理步骤，将步骤b)得到的完成塑性变形加工的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行时效处理，得到高强度的Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
可选的，步骤a)中原料熔炼步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
可选的，步骤a)中称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭的具体步骤包括：
i)称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的5-10％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在180-250℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的纯Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；锂盐溶剂的成分为重量比3:1的LiCl和LiF,锂盐溶剂受热熔化后可以覆盖在合金溶剂表面，有效地抑制合金氧化燃烧；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至700-740℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至700-740℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至670-680℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至700-740℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
可选的，步骤iv)中所述模具为预热至200℃的钢制模具。
可选的，步骤b)中所述均匀化处理工艺包括将Mg-Li-Sn-Zn合金锭在440-500℃下保温8-24h；均匀化处理可以使铸态合金锭中的化学元素分布更加均匀。
可选的，步骤b)中所述塑性变形加工的方式为挤压、轧制和锻造中的一种，加工温度在150-250℃范围内,该温度范围可以确保合金变形过程中具有良好的塑性，保证其塑性加工性能。
可选的，步骤c)中所述时效处理的温度在150-200℃范围内，时效处理的时间在8-24h范围内；时效处理可以促进强化相的析出。
可选的，所述高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金包含以重量百分比计的下列组分：6-10wt％的Li，3-6wt％的Sn，0.5-1.5wt％的Zn，0-0.02wt％的包括Si、Fe、Cu和Ni的杂质元素，其它为Mg。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
本发明通过熔炼、塑性变形和热处理步骤，向镁锂合金中添加Sn元素，形成具有高熔点的MgLiSn相和Mg2Sn相，获得良好的强化效果；通过添加Zn元素，在获得一定的固溶强化效果的同时，显著促进热处理过程中MgLiSn相和Mg2Sn相的时效析出，进一步提高合金的力学性能。
此外，本发明制备方法的加工工艺具有操作简单、方便的特点。所得到的Mg-Li-Sn-Zn超轻合金具有低密度、高强度和较高塑性的特点，满足了目前工业应用的要求。
附图说明
图1是本发明一实施高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，目前，工业上使用的镁合金存在强度偏低的问题，难以满足工程应用要求。
分析存在上述问题的原因包括：工业上为了轻量化的要求，往往在镁合金中添加锂降低密度，同时在镁锂合金中添加Al、Zn、Si等其他元素提升强度，但效果均不理想。
所以，为了解决镁锂合金强度偏低问题，本发明提供一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，能够提高所得到的合金的强度。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，图1示出了本发明一实施高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法的流程示意图。具体地，包括以下基本步骤：
a)原料熔炼步骤，称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造步骤，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭；
b)塑性变形步骤，将得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行均匀化处理，再进行塑性变形加工；
c)热处理步骤，将完成塑性变形加工的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行时效处理，得到高强度的Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
参考图1，执行步骤a)，称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造步骤，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
本发明中，原料熔炼步骤为在SF6和CO2混合气体保护下进行，本步骤中称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭的具体步骤包括：
i)称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的5-10％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在180-250℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的纯Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至700-740℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至700-740℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至670-680℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至700-740℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
参考图1，执行步骤b)，将得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行均匀化处理，再进行塑性变形加工。
具体地，均匀化处理工艺包括将Mg-Li-Sn-Zn合金锭在440-500℃下保温8-24h；塑性变形加工的方式为挤压、轧制和锻造中的一种，加工温度在150-250℃范围内。
参考图1，执行步骤c)，将得到的完成塑性变形加工的Mg-Li合金锭进行时效处理，得到高强度的Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
具体地，时效处理的温度在150-200℃范围内，时效处理的时间在8-24h范围内。
本发明中，所述高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金包含以重量百分比计的下列组分：6-10wt％的Li，3-6wt％的Sn，0.5-1.5wt％的Zn，0-0.02wt％的包括Si、Fe、Cu和Ni的杂质元素，其它为Mg。
实施例1
高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的组分及其质量百分比为：6wt％的Li，3wt％的Sn，0.5wt％的Zn，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％，余量为Mg。
原料熔炼步骤：
i)按照上述质量百分比称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的5％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在180℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至740℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至740℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至680℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至740℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至已预热至200℃的钢制模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
塑性变形步骤：将所述原料熔炼步骤得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在440℃均匀化处理24小时，然后将完成均匀化处理的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在250℃进行挤压变形加工。
热处理步骤：将所述挤压变形得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在150℃下进行时效处理24h。得到高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
该高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金T5态的室温力学性能为：
屈服强度185MPa，抗拉强度201MPa，延伸率19.8％。
实施例2
高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的组分及其质量百分比为：8wt％的Li，4wt％的Sn，1wt％的Zn，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％，余量为Mg。
原料熔炼步骤：
i)按照上述质量百分比称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的8％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在200℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至720℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至720℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至670℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至720℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至已预热至200℃的钢制模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
塑性变形步骤：将所述原料熔炼步骤得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在460℃均匀化处理20小时，然后将完成均匀化处理的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在200℃进行挤压变形加工。
热处理步骤：将所述挤压变形得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在175℃下进行时效处理16h。得到高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
该高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金T5态的室温力学性能为：
屈服强度181MPa，抗拉强度212MPa，延伸率21.5％。
实施例3
高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的组分及其质量百分比为：10wt％的Li，6wt％的Sn，1.5wt％的Zn，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％，余量为Mg。
原料熔炼步骤：
i)按照上述质量百分比称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的8％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在250℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至700℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至700℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至670℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至700℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至已预热至200℃的钢制模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
塑性变形步骤：将所述原料熔炼步骤得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在500℃均匀化处理24小时，然后将完成均匀化处理的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在150℃进行轧制加工。
热处理步骤：将所述挤压变形得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭在200℃下进行时效处理8h。得到高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
该高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金T5态的室温力学性能为：
屈服强度168MPa，抗拉强度197MPa，延伸率23.8％。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)原料熔炼步骤，称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造步骤，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭；
b)塑性变形步骤，将步骤a)得到的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行均匀化处理，再进行塑性变形加工；
c)热处理步骤，将步骤b)得到的完成塑性变形加工的Mg-Li-Sn-Zn合金锭进行时效处理，得到高强度的Mg-Li-Sn-Zn超轻合金。
2.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤a)中原料熔炼步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
3.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤a)中称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂，再经过烘料、熔Mg、加Sn和Zn、加Li、铸造，铸造成Mg-Li-Sn-Zn合金锭的具体步骤包括：
i)称取纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li，按照制备合金质量的5-10％称取锂盐溶剂，再将上述所有原料在180-250℃下预热烘干3h以上，得到烘干的纯Mg、纯Sn、纯Zn、纯Li和锂盐溶剂；
ii)将步骤i)得到的烘干后的纯Mg和锂盐溶剂放入坩埚电阻炉中加热熔化得到镁液；
iii)将步骤ii)得到的镁液加热至700-740℃，然后加入步骤i)得到的烘干后的纯Sn,加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度回升至700-740℃后，加入步骤i)得到的烘干后的纯Zn，加热至其全部熔化成金属液体，待金属液体温度降至670-680℃后，将步骤i)得到的烘干后的纯Li用不锈钢丝网包覆，再将其用不锈钢钟罩压入上述金属液体中，待所述纯Li完全熔化后取出钟罩和不锈钢丝网；
iv)将步骤iii)得到的金属液体温度升至700-740℃，保温10分钟，撇去表面浮渣，再浇铸至模具中，得到Mg-Li-Sn-Zn合金锭。
4.根据权利要求3所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤iv)中所述模具为预热至200℃的钢制模具。
5.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述均匀化处理工艺包括将Mg-Li-Sn-Zn合金锭在440-500℃下保温8-24h。
6.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述塑性变形加工的方式为挤压、轧制和锻造中的一种，加工温度在150-250℃范围内。
7.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述时效处理的温度在150-200℃范围内，时效处理的时间在8-24h范围内。
8.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金的制备方法，其特征在于，所述高强度Mg-Li-Sn-Zn超轻合金包含以重量百分比计的下列组分：6-10wt％的Li，3-6wt％的Sn，0.5-1.5wt％的Zn，0-0.02wt％的包括Si、Fe、Cu和Ni的杂质元素，其它为Mg。
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