CN109161765A - 一种高铝高锶含量的变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高铝高锶含量的变形镁合金及其制备方法，属于变形镁合金材料领域。本发明的高铝高锶含量的变形镁合金组分按质量百分比为：铝：3.00％～15.00％；锶：2.00％～10.00％；锌：0.1％～5.00％；锰：0.1％～3.00％；钡：0.1％～5.00％，余量为镁和不可避免的杂质。本发明的制备方法为：先熔化纯镁铸锭，充分熔化后，再加入金属铝、锶、锌、锰、钡等，充分搅拌之后浇铸成铸锭，随后进行铸锭的均匀化处理，经过反向挤压工艺挤压得出相应的挤压型材。通过熔炼、均匀化处理及后续挤压(反向挤压)工艺制备出了强韧兼备的新型变形镁合金，其强度和韧性得到增强，有较好的力学性能。

Description

一种高铝高锶含量的变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金材料领域，特别是涉及一种高铝高锶含量的变形镁合金及其制备方法。
背景技术
随着近年来环境问题的日益严重及资源紧缺，节能降耗已经成为急需解决的问题。材料的轻型化可很大程度上使得能源损耗水平下降，对提高能源使用率和保护环境有重要的意义。作为目前最轻的金属结构材料，镁的密度仅有1.74g/cm3，只相当于铝的2/3，钢的1/4，具有较高的比强度和比刚度，阻尼减震性能较好，机械加工性能良好以及良好的导热性，尤其可以重复利用，因而被称为21世纪的“绿色工程材料”。但是，由于镁合金本身的强度比钢以及铝合金低，镁合金在工业方面的应用一直受到限制。提高镁合金强度的方法已经被大量研究，向镁基体中添加适当的合金元素，在热处理变形过程中通过强烈的析出强化以及细晶强化等效应，可显著提高镁合金强度。如最近开发的重稀土Gd和Y含量达13wt.％以上的超高强变形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，经变形及时效处理后合金的抗拉强度高500MPa。可是，加入高含量的稀土元素增添了合金的成本。并且加入稀土元素增加了合金的密度，限制了合金的应用。因此，需要其他合适的元素取代稀土元素，来开发低成本高强变形镁合金。
近几年来有很多关于变形镁合金和Al、Sr、Zn、Mn、Ba等元素在镁合金中的作用的研究被广泛关注。本专利通过添加合金元素铝、锶、锌、锰、钡等以充分利用细晶强化和第二相强化，以期开发出新型的成本低廉、高力学性能的变形镁合金。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高铝高锶含量的变形镁合金及其制备方法，制备出不含稀土的强韧兼备的变形镁合金。
一种高铝高锶含量的变形镁合金，其组分按质量百分比为：铝：3.00～15.00％；锶：2.00～10.00％；锌：0～5.00％；锰：0～3.00％；钡：0～5.00％，余量为镁和不可避免的杂质。
所述的高铝高锶含量的变形镁合金，抗拉强度为：312～470MPa，屈服强度为：269～435MPa，延伸率为：6～18％。
一种高铝高锶含量的变形镁合金的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)准备原料：按高铝高锶含量的变形镁合金组分质量百分比称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：在保护气体保护下，将原料分两批次加入：第一批次：加入纯镁加热至740～780℃，充分搅拌并待其全部熔化；第二批次：加入纯铝、锶或镁锶中间合金、纯锌、锰或镁锰中间合金、纯钡；充分搅拌3～6分钟，将熔液温度控制在700～750℃静置10～20分钟，清除表面的浮渣，浇铸至预热到200～350℃的铁模中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将高铝高锶含量的变形镁合金铸锭隔绝空气，加热至480～520℃，保温20～60小时，水淬后得到均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车削掉表面氧化皮之后在230～350℃下预热15分钟，涂抹上石墨润滑，在230～350℃温度范围内进行反向挤压，挤压比为(10～30):1，挤压速度为0.01～2m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
所述的步骤(1)中，原料均为纯金属或镁中间合金。
所述的步骤(2)中，保护气体为高纯氩气。
所述的步骤(3)中，高铝高锶含量的变形镁合金铸锭隔绝空气的方法为：用石墨粉覆盖或在真空环境或在保护气体下，所述保护气体为氩气、氦气或氮气。
有益效果：
(1)本发明的高铝高锶含量的变形镁合金是一类新型的含锶的强韧兼备的变形镁合金，通过在Mg-Al-Sr合金的基础上添加Zn、Mn、Ba，可以强烈细化热变形后的合金组织，Al2Sr、Al4Sr或MgBa相在基体或晶界上的弥散分布，保证了合金的强度和韧性；添加合金元素Al，可以固溶的形式提高强度；添加合金元素Zn可以固溶的形式提高强度；添加合金元素Mn可以强烈促进再结晶，进一步的降低合金的晶粒尺寸；
(2)通过熔炼、均匀化处理及后续挤压(反向挤压)工艺制备出了强韧兼备的新型变形镁合金，其强度和韧性得到增强，有较好的力学性能。
附图说明
图1本发明实施例1Mg-3Al-2Sr(AJ32)合金在230℃反向挤压棒材的应力-应变曲线；
图2本发明实施例2Mg-3Al-2Sr(AJ32)合金在300℃反向挤压棒材的应力-应变曲线；
图3本发明实施例3Mg-6Al-2Sr(AJ62)合金在230℃反向挤压棒材的应力-应变曲线；
图4本发明实施例4Mg-6Al-2Sr(AJ62)合金在300℃反向挤压棒材的应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例1
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-3Al-2Sr(AJ32)，组分按质量百分比为：3wt.％Al；2wt.％Sr；余量为Mg。
本实施例的高铝高锶含量的变形镁合金的制备方法为：
(1)按照质量百分比称取以下成分：3wt.％铝；2wt.％锶，余量为镁；锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至740℃，待其熔化后，加入合金元素铝，锶，搅拌3分钟，将溶液温度控制在700℃静置10分钟，打掉表面的浮渣，在温度700℃的条件下将溶液浇铸至预热到200℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将高铝高锶含量的变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至500℃进行均匀化处理48小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在230℃下预热，涂抹上石墨润滑后在230℃下进行反向挤压；挤压比为20:1，挤压速度为0.5m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例Mg-3Al-2Sr(AJ32)合金在230℃反向挤压棒材的应力-应变曲线如图1所示，本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在230℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：362MPa，屈服强度为：358MPa，延伸率为：9％。
实施例2
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-3Al-2Sr(AJ32)，组分按质量百分比为：3wt.％Al；2wt.％Sr；余量为Mg。
本实施例的高铝高锶含量的变形镁合金的制备方法为：
(1)按照质量百分比称取以下成分：3wt.％铝；2wt.％锶，余量为镁；锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至740℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，搅拌3分钟，将溶液温度控制在700℃静置10分钟，打掉表面的浮渣，在温度700℃的条件下将溶液浇铸至预热到200℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将高铝高锶含量的变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至500℃进行均匀化处理48小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在300℃下预热，涂抹上石墨润滑后在300℃下进行反向挤压；挤压比为20:1，挤压速度为0.5m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例Mg-3Al-2Sr(AJ32)合金在300℃反向挤压棒材的应力-应变曲线如图2所示，本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在300℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：312MPa，屈服强度为：291MPa，延伸率为：13％。
实施例3
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-6Al-2Sr(AJ62)，组分按质量百分比为：6wt.％Al；2wt.％Sr；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：6wt.％铝；2wt.％锶，余量为镁；锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至740℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，搅拌3分钟，将溶液温度控制在700℃静置10分钟，打掉表面的浮渣，在温度700℃的条件下将溶液浇铸至预热到200℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至500℃进行均匀化处理48小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在230℃下预热，涂抹上石墨润滑后在230℃下进行反向挤压；挤压比为20:1，挤压速度为0.5m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例Mg-6Al-2Sr(AJ62)合金在230℃反向挤压棒材的应力-应变曲线如图3所示，本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在230℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：363MPa，屈服强度为：306MPa，延伸率为：15％。
实施例4
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-6Al-2Sr(AJ62)，组分按质量百分比为：6wt.％Al；2wt.％Sr；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：6wt.％铝；2wt.％锶，余量为镁；锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至740℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，搅拌3分钟，将溶液温度控制在700℃静置10分钟，打掉表面的浮渣，在温度700℃的条件下将溶液浇铸至预热到200℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至500℃进行均匀化处理48小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在300℃下预热，涂抹上石墨润滑后在300℃下进行反向挤压；挤压比为20:1，挤压速度为0.5m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例Mg-6Al-2Sr(AJ62)合金在300℃反向挤压棒材的应力-应变曲线如图4所示，本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在300℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：328MPa，屈服强度为：269MPa，延伸率为：18％。
实施例5
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-9Al-6Sr-2Zn-1Mn-3Ba，组分按质量百分比为：9wt.％Al；6wt.％Sr；2wt.％Zn；1wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：9wt.％Al；6wt.％Sr；2wt.％Zn；1wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至760℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌5分钟，将溶液温度控制在730℃静置15分钟，打掉表面的浮渣，在温度730℃的条件下将溶液浇铸至预热到300℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至480℃进行均匀化处理20小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在250℃下预热，涂抹上石墨润滑后在250℃下进行反向挤压；挤压压比为10:1，挤速度为0.01m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在250℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：437MPa，屈服强度为：391MPa，延伸率为：15％。
实施例6
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-12Al-6Sr-2Zn-1Mn-3Ba，组分按质量百分比为：12wt.％Al；6wt.％Sr；2wt.％Zn；1wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：12wt.％Al；6wt.％Sr；2wt.％Zn；1wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至760℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌5分钟，将溶液温度控制在730℃静置15分钟，打掉表面的浮渣，在温度730℃的条件下将溶液浇铸至预热到300℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至480℃进行均匀化处理20小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在250℃下预热，涂抹上石墨润滑后在250℃下进行反向挤压；挤压比为10:1，挤压速度为0.01m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在250℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：455MPa，屈服强度为：426MPa，延伸率为：12％。
实施例7
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-9Al-9Sr-3Zn-2Mn-3Ba，组分按质量百分比为：9wt.％Al；9wt.％Sr；3wt.％Zn；2wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：9wt.％Al；9wt.％Sr；3wt.％Zn；2wt.％Mn；3wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至760℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌5分钟，将溶液温度控制在730℃静置15分钟，打掉表面的浮渣，在温度730℃的条件下将溶液浇铸至预热到300℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至480℃进行均匀化处理20小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在250℃下预热，涂抹上石墨润滑后在250℃下进行反向挤压；挤压比为10:1，挤压速度为0.01m/min，得到棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在250℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：470MPa，屈服强度为：435MPa，延伸率为：16％。
实施例8
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-12Al-7Sr-4Zn-2.5Mn-4Ba，组分按质量百分比为：12wt.％Al；7wt.％Sr；4wt.％Zn；2.5wt.％Mn；4wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：12wt.％Al；7wt.％Sr；4wt.％Zn；2.5wt.％Mn；4wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至780℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌6分钟，将溶液温度控制在750℃静置20分钟，打掉表面的浮渣，在温度750℃的条件下将溶液浇铸至预热到350℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至520℃进行均匀化处理60小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在350℃下预热，涂抹上石墨润滑后在350℃下进行反向挤压；挤压比为30:1，挤压速度为2m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在350℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：465MPa，屈服强度为：428MPa，延伸率为：10％。
实施例9
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-15Al-10Sr-4Zn-2.5Mn-4Ba，组分按质量百分比为：15wt.％Al；10wt.％Sr；4wt.％Zn；2.5wt.％Mn；4wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：15wt.％Al；10wt.％Sr；4wt.％Zn；2.5wt.％Mn；4wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至780℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌6分钟，将溶液温度控制在750℃静置20分钟，打掉表面的浮渣，在温度750℃的条件下将溶液浇铸至预热到350℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至520℃进行均匀化处理60小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在350℃下预热，涂抹上石墨润滑后在350℃下进行反向挤压；挤压比为30:1，挤压速度为2m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在350℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：460MPa，屈服强度为：430MPa，延伸率为：9％。
实施例10
高铝高锶含量的变形镁合金Mg-12Al-7Sr-5Zn-3Mn-5Ba，组分按质量百分比为：12wt.％Al；7wt.％Sr；5wt.％Zn；3wt.％Mn；5wt.％Ba；余量为Mg。
(1)按照质量百分比称取以下成分：12wt.％Al；7wt.％Sr；5wt.％Zn；3wt.％Mn；5wt.％Ba；余量为镁；锰为锰含量6wt.％的镁锰中间合金，锶为锶含量20wt.％的镁锶中间合金，金属纯度均在99％以上；
(2)铸锭熔炼：在高纯氩气的保护下，将工业纯镁加热至780℃,待其熔化后，加入合金元素铝，锶，锌，锰，钡，搅拌5分钟，将溶液温度控制在750℃静置20分钟，打掉表面的浮渣，在温度750℃的条件下将溶液浇铸至预热到350℃的模具中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将含锶含钙变形镁合金铸锭在石墨粉覆盖下隔绝空气，加热至520℃进行均匀化处理60小时，水淬后得到均匀化处理的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：将均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车皮之后在350℃下预热，涂抹上石墨润滑后在350℃下进行反向挤压；挤压比为30:1，挤压速度为2m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
本实施例制得的高铝高锶含量的变形镁合金，在350℃下挤压得出的棒材，抗拉强度为：425MPa，屈服强度为：397MPa，延伸率为：6％。

Claims (6)

1.一种高铝高锶含量的变形镁合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：铝：3.00～15.00％；锶：2.00～10.00％；锌：0.10～5.00％；锰：0.10～3.00％；钡：0.10～5.00％，余量为镁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高铝高锶含量的变形镁合金，其特征在于，抗拉强度为：312～470MPa，屈服强度为：269～435MPa，延伸率为：6～18％。
3.权利要求1所述的高铝高锶含量的变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备原料：按高铝高锶含量的变形镁合金组分质量百分比称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：在保护气体保护下，将原料分两批次加入：第一批次：加入纯镁加热至740～780℃，充分搅拌并待其全部熔化；第二批次：加入纯铝、锶或镁锶中间合金、纯锌、锰或镁锰中间合金、纯钡；充分搅拌3～6分钟，将熔液温度控制在700～750℃静置10～20分钟，清除表面的浮渣，浇铸至预热到200～350℃的铁模中，制得高铝高锶含量的变形镁合金铸锭；
(3)均匀化处理：将高铝高锶含量的变形镁合金铸锭隔绝空气，加热至480～520℃，保温20～60小时，水淬后得到均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭；
(4)反向挤压：均匀化态的高铝高锶含量的变形镁合金锭，车削掉表面氧化皮之后在230～350℃下预热15分钟，涂抹上石墨润滑，在230～350℃温度范围内进行反向挤压，挤压比为(10～30):1，挤压速度为0.01～2m/min，得到高铝高锶含量的变形镁合金棒材。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，原料均为纯金属或镁中间合金。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，保护气体为高纯氩气。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，高铝高锶含量的变形镁合金铸锭隔绝空气的方法为：用石墨粉覆盖或在真空环境或在保护气体下，所述保护气体为氩气、氦气或氮气。
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