CN109609824B - 一种高塑性铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高塑性铸造镁合金及其制备方法 Download PDF

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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

本发明提供了一种高塑性铸造镁合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：2～8wt.％Zn，3～7wt.％Er，0.2～4wt.％Nd，0.1～1.5wt.％Zr余量为Mg。其制备方法包括：熔炼、热处理两个工艺。通过控制镁合金Zn,Er的含量，保证制备的镁合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，可显著提高合金的塑性，并且在保证塑性提升的同时并没有牺牲强度。另，加入Nd能提高合金的延伸率，增强合金的塑性，再经后续双级固溶和双级时效后获得具有高塑性铸造镁合金。本发明通过优化合金成分和配比，有效提高了镁合金的塑性，镁合金的综合力学性能明显高于目前报道的铸造镁合金。

Description

一种高塑性铸造镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高塑性铸造镁合金及其制备方法，尤其是涉及一种添加了Zn、Er、Nd和Zr元素的高塑性铸造镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前最轻的工程金属材料,具有比强度、比刚度高,阻尼减振性好,电磁屏蔽和导热性能强,易切削加工和易于回收等一系列独特的优点,在航空航天、汽车和计算机、通信、消费类电子等结构件产业中具有极大的发展前景。现阶段,商业用镁合金主要集中在一体系和一体系,包括中强度铸造合金,高塑性铸造合金、高塑性变形合金和高强度铸造合金。但是,镁合金常常由于强度低、塑性差等原因严重限制了镁合金在生产生活中的广泛应用。因此,提高镁合金的塑性和强度是发展镁合金材料的重要课题。
镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金,其中,通过挤压、轧制、锻造等变形工艺可以制备出具有优良力学性能的高稀土变形镁合金,而铸造镁合金则是通过铸造方法生产的镁合金,两者在成分、组织性能上存在很大差异,变形镁合金较铸造镁合金,拥有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性。但是值得注意的是,一些重要零部件,如航天器和武器装备结构件、汽车零件、机件壳罩、电气构件等,仍然需要通过铸造的方式获得,而目前关于高塑性高强度铸造镁合金的研究仍然存在较大的不足。并且，变形镁合金无法通过固溶处理来进一步提高其性能。
通常情况下,铸造镁合金强度的增加往往会伴随塑性的下降,很难同时获得高强度和高塑性的铸造镁合金。王立峰等人发明了《一种高强度铸造镁合金的制备方法》，通过优化合金成分和配比,有效的提高了镁合金的强度，但其塑性并未得到提高。因此,现有的铸造镁合金虽然拥有极佳的强度,但合金的延伸率较低,较差的塑性不利于该系合金的广泛应用,且随着全球对铸造镁合金需求量日益增加,开发高塑性、高强度的铸造镁合金将成为镁合金研究工作的重点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，在保证其强度的情况下，提供了一种高塑性铸造镁合金及其制备方法，通过控制镁合金Zn、Er的含量，保证制备的镁合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，在保证其强度的情况下可显著提高合金的塑性。随着Er含量的提高，在保持塑形不变的前提下，合金强度和硬度提高，在一定范围内(即Er为3～7wt.％)，提高Er的含量，有利于合金力学性能提高和工业生产。且另外，加入Nd能提高合金的延伸率，增强合金的塑性，并且通过之后相应的热处理工艺双级固溶和双级时效，与单级固溶相比，双级固溶能使合金在保持较小的晶粒尺寸且不发生明显再结晶的前提下固溶更加充分，所以力学性能更好。双级时效与单级时效相比，因为分解产物的数量更多、尺寸更小，因此力学性能更好。进一步提高合金的力学性能。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高塑性铸造镁合金及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种高塑性铸造镁合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：Zn为2～8wt.％，Er为3～7wt.％，Nd为0.2～4wt.％，Zr为0.1～1.5wt.％，余量为Mg。
优选地，所述Nd为0.2～4wt.％。
优选地，所述Zn和Er的质量比2:3。
本发明还提供一种所述高塑性铸造镁合金的制备方法，包括熔炼和热处理。
优选地，所述熔炼包括如下步骤：
S1、将纯镁、纯锌、镁-铒中间合金、镁-钕中间合金、镁-镐中间合金进行预热烘干处理；
S2、将纯镁熔化后，在730～750℃下加入纯锌、镁-铒中间合金，待纯锌、镁-铒中间合金熔化后，在730～750℃下再加入镁-钕中间合金、镁-镐中间合金；
S3、待步骤S2中所有合金完全熔化后，将熔体温度回升至730～750℃搅拌，然后进行精炼、升温静置处理，静置后将熔体降温至710～740℃撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭。
优选地，步骤S1中，所述预热烘干处理的步骤为：200～240℃预热4小时以上。
优选地，步骤S2中，所述纯锌、镁-铒中间合金的加入量使得Zn和Er的质量比为Zn:Er＝2:3。一方面同时添加Zn、Er两种元素，生产的热稳定第二相Mg3Zn6Er在凝固时作为非均质形核核心，提高形核率，因而使晶粒细化，另一方面，Er在晶界处易吸附固/液界面前沿处的Zn等原子，造成成分过冷，从而增加形核率，细化晶粒，从而提高合金的力学性能。当Zn和Er的质量比采用特定的Zn:Er＝2:3时，能最大可能提高合金的性能。
优选地，步骤S3中，所述精炼的步骤为：将熔体温度升至750～760℃时不断电精炼5～10分钟。
优选地，步骤S3中，所述静置的步骤为：升温至780℃静置25～40分钟
优选地，步骤S3中，所述浇铸采用的钢制模具预先加热至200～240℃。
优选地，所述镁-铒中间合金中Er占25wt.％；所述镁-钕中间合金中Nd占30wt.％；所述镁-镐中间合金中Zr占30wt.％。
优选地，所述熔炼的步骤均在SF6和CO2的混合气体保护条件下进行。
优选地，所述热处理包括依次进行固溶处理和时效处理。
更优选地，所述固溶处理的工艺为：将熔炼得到的合金锭先在490～550℃温度中固溶6～30小时，然后在400～480℃温度中进行3～15小时的固溶处理，水淬至室温。在一定温度范围内，随着固溶温度的升高，使合金基体组织中粗大共晶相的溶解速率及固溶程度获得大幅提高，合金的力学性能将得到提高，但固溶温度过高会出现过烧现象，使晶界熔化，会降低力学性能。同样，在一定范围内，随固溶时间的延长，Mg合金的晶粒尺寸不断减小，有利于合金力学性能的提高，但当镁合金晶粒尺寸达到一定程度时在合金中容易引入一定缺陷，导致强度降低。选择上述固溶处理工艺时，具有最佳效果。
更优选地，所述时效处理的工艺为：在180～280℃条件下时效6～50小时，然后在100～170℃下时效4～30小时。在一定温度范围内，随着时效温度的增加，原子动能增大，第二相的析出及长大速度会增加，但超过一定温度，会出现过时效软化效应，力学性能会下降。在一定时间内，随着时效时间的增加，其析出相会增多和其尺寸增加，其拉伸性能增加，但超过一定时间，析出相尺寸过大时，会导致合金中裂纹的萌生和扩展，导致最后拉伸性能下降。选择上述时效处理工艺时，具有最佳效果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通常情况下,铸造镁合金强度的增加往往会伴随塑性的下降,很难同时获得高强度和高塑性的铸造镁合金。本发明提供给了一种在保证其强度不下降，又能大幅度提高镁合金塑性的工艺制备方法。
2、本发明同时添加Zn和Er两种元素，并且控制两种元素的比例，能更好的起到晶粒细化的作用，提高其力学性能。
3、本发明加入一定量的Nd能提高合金的延伸率，增强合金的塑性。
4、本发明还提供了一种双级固溶，双级时效的热处理方法，进一步提高合金的力学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例所提供一种高塑性Mg-Zn-Er-Nd-Zr铸造镁合金，其各组分质量百分含量为：2～8wt.％Zn，3～7wt.％Er，0.2～4wt.％Nd，0.1～1.5wt.％Zr余量为Mg。所述的wt.％是指组分占所配制的合金总质量的百分比，该总质量为Mg,Zn和各种中间合金的质量和。
本发明采用Zn(锌)，中间合金Mg-Er为第一组分，控制镁合金Zn,Er的含量，保证制备的镁合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，可显著提高合金的塑性；本发明采用Nd为第二组分，Nd的加入能够有效细化晶粒，提高合金的塑性；本发明采用Zr为第三组分，Zr含量过高导致单质Zr沉降，降低晶粒细化效果，Zr含量过低会导致晶粒细化效果不明显，因此控制Zr含量为0.1～1.5wt.％，能更好地细化晶粒，提高合金的强韧性。
本发明所述的高塑性铸造镁合金Mg-Zn-Er-Nd-Zr的制备方法分为两个阶段，其包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序；其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体条件保护下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、镁-铒、镁-钕、镁-镐中间合金预热4小时以上达到200～240℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化；
(3)加Zn，Er:待纯镁完全熔化后，熔体温度回升至730～750℃时加入一定含量的Zn和中间合金Mg-Er，其质量确保Zn:Er＝2:3；
(4)加Nd和Zr:待Zn,Mg-Er熔化后，熔体温度回升至730～750℃时加入中间合金Mg-Nd,加入量根据该中间合金Mg-Nd中Nd所占质量百分比确定；按照此方式，再加入Mg-Zr。
(5)铸造：待所有合金完全熔化后，熔体温度回升至730～750℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750～760℃时不断电精炼5～10分钟，精炼后升温至780℃静置25～40分钟，静置后待熔体降温至710～740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至200～240℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭先在490～550℃温度中固溶6～30小时，而后在400～480℃温度中进行3～15小时的固溶处理，水淬至室温，然后在180～280℃条件下时效6～50小时，100～170℃下时效4～30小时。
本发明所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Er中Er占25wt.％；所述的中间合金Mg-Nd中Nd占30wt.％；所述的中间合金Mg-Zr中Zr占30wt.％。
实施例1
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：2wt.％Zn，3wt.％Er，0.2wt.％Nd，0.5wt.％Zr余量为Mg。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体条件保护下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、镁-铒、镁-钕、镁-镐中间合金预热4小时以上达到200℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化；
(3)加Zn，Er:待纯镁完全熔化后，熔体温度回升至730℃时加入Zn和中间合金Mg-Er；
(4)加Nd和Zr:待Zn,Mg-Er熔化后，熔体温度回升至730℃时加入中间合金Mg-Nd,加入量根据该中间合金Mg-Nd中Nd所占质量百分比确定；按照此方式，再加入Mg-Zr。
(5)铸造：待所有合金完全熔化后，熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750℃时不断电精炼5分钟，精炼后升温至780℃静置30分钟，静置后待熔体降温至710℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至200℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭先在490℃温度中固溶10小时，而后在400℃温度中进行8小时的固溶处理，水淬至室温，然后在180℃条件下时效10小时，120℃下时效8小时。
本发明所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Er中Er占25wt.％；所述的中间合金Mg-Nd中Nd占30wt.％；所述的中间合金Mg-Zr中Zr占30wt.％。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：210MPa，抗拉强度：270MPa，延伸率：12.1％。
实施例2
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：3wt.％Zn，4.5wt.％Er，1wt.％Nd，0.8wt.％Zr余量为Mg。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体条件保护下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、镁-铒、镁-钕、镁-镐中间合金预热4小时以上达到220℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化；
(3)加Zn，Er:待纯镁完全熔化后，熔体温度回升至740℃时加入Zn和中间合金Mg-Er；
(4)加Nd和Zr:待Zn,Mg-Er熔化后，熔体温度回升至740℃时加入中间合金Mg-Nd,加入量根据该中间合金Mg-Nd中Nd所占质量百分比确定；按照此方式，再加入Mg-Zr。
(5)铸造：待所有合金完全熔化后，熔体温度回升至740℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750℃时不断电精炼5分钟，精炼后升温至780℃静置25分钟，静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至220℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭先在500℃温度中固溶15小时，而后在430℃温度中进行10小时的固溶处理，水淬至室温，然后在200℃条件下时效20小时，140℃下时效10小时。
本发明所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Er中Er占25wt.％；所述的中间合金Mg-Nd中Nd占30wt.％；所述的中间合金Mg-Zr中Zr占30wt.％。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：220MPa，抗拉强度：285MPa，延伸率：14.2％。
实施例3
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：3.6wt.％Zn，5.4wt.％Er，3wt.％Nd，1wt.％Zr余量为Mg。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体条件保护下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、镁-铒、镁-钕、镁-镐中间合金预热4小时以上达到240℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化；
(3)加Zn，Er:待纯镁完全熔化后，熔体温度回升至740℃时加入Zn和中间合金Mg-Er；
(4)加Nd和Zr:待Zn,Mg-Er熔化后，熔体温度回升至740℃时加入中间合金Mg-Nd,加入量根据该中间合金Mg-Nd中Nd所占质量百分比确定；按照此方式，再加入Mg-Zr。
(5)铸造：待所有合金完全熔化后，熔体温度回升至740℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750℃时不断电精炼8分钟，精炼后升温至780℃静置30分钟，静置后待熔体降温至730℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至240℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭先在520℃温度中固溶20小时，而后在450℃温度中进行10小时的固溶处理，水淬至室温，然后在220℃条件下时效15小时，150℃下时效20小时。
本发明所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Er中Er占25wt.％；所述的中间合金Mg-Nd中Nd占30wt.％；所述的中间合金Mg-Zr中Zr占30wt.％。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：250MPa，抗拉强度：295MPa，延伸率：17.2％。
实施例4
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：2wt.％Zn，3wt.％Er，4wt.％Nd，0.5wt.％Zr余量为Mg。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例1一致。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：240MPa，抗拉强度：290MPa，延伸率：15.8％。
实施例5
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：3wt.％Zn，2wt.％Er，0.2wt.％Nd，0.5wt.％Zr余量为Mg。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例1一致。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：203MPa，抗拉强度：258MPa，延伸率：11.3％。
实施例6
本实施例涉及一种高塑性铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比：2wt.％Zn，4wt.％Er，0.2wt.％Nd，0.5wt.％Zr余量为Mg。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例1一致。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：200MPa，抗拉强度：260MPa，延伸率：11.1％。
对比例1
本对比例涉及一种铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比含量与实施例3基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，Er为2.5wt.％，即合金各组分为：3.6wt.％Zn，2.5wt.％Er，3wt.％Nd，1wt.％Zr余量为Mg。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例3一致。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：220MPa，抗拉强度：260MPa，延伸率：12.0％。
对比例2
本对比例涉及一种铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比含量与实施例3基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，Zn为1.8wt.％，Er为2.7wt.％，即合金各组分为：1.8wt.％Zn，2.7wt.％Er，3wt.％Nd，1wt.％Zr余量为Mg。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例3一致。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：200MPa，抗拉强度：250MPa，延伸率：11.2％。
对比例3
本对比例涉及一种铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比与实施例3一致。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例3基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，固溶工艺为：将熔炼得到的合金锭先在520℃温度中固溶20小时，而后在490℃温度中进行10小时的固溶处理，水淬至室温。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：190MPa，抗拉强度:260MPa，延伸率：10.1％。
对比例4
本对比例涉及一种铸造镁合金，所述合金各组分的质量百分比与实施例3一致。该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，具体步骤与实施例3基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，时效工艺为：在170℃条件下时效15小时，150℃下时效20小时。
该合金的室温力学性能为：
屈服强度：185MPa，抗拉强度：255MPa，延伸率：10.2％。
本发明提供了一种高塑性铸造镁合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：2～8wt.％Zn，3～7wt.％Er，0.2～4wt.％Nd，0.1～1.5wt.％Zr余量为Mg。通过控制镁合金Zn,Er的含量，保证制备的镁合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，可显著提高合金的塑性，并且在保证塑性提升的同时并没有牺牲强度。另外，加入Nd能提高合金的延伸率，增强合金的塑性，再经后续双级固溶和双级时效后获得具有高塑性铸造镁合金。高塑形铸造镁合金的制备方法包括：熔炼、热处理两个工艺。本发明通过优化合金成分和配比，有效的提高了镁合金的塑形，本发明的高强度铸造镁合金的综合力学性能明显高于目前报道的铸造镁合金。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种高塑性铸造镁合金，其特征在于，由如下以重量百分比含量的各组分组成：Zn为3.6wt.％，Er为5.4wt.％，Zr为1wt.％，Nd为3wt.％；余量为Mg；所述Zn和Er的质量比2:3；
包括熔炼和热处理；
所述熔炼包括如下步骤：
S1、将纯镁、纯锌、镁-铒中间合金、镁-钕中间合金、镁-锆中间合金进行预热烘干处理；
S2、将纯镁熔化后，在730～750℃下加入纯锌、镁-铒中间合金，待纯锌、镁-铒中间合金熔化后，在730～750℃下再加入镁-钕中间合金、镁-锆中间合金；
S3、待步骤S2中所有合金完全熔化后，将熔体温度回升至730～750℃搅拌，然后进行精炼、升温静置处理，静置后将熔体降温至710～740℃撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭。
2.根据权利要求1所述的高塑性铸造镁合金，其特征在于，步骤S2中，所述纯锌、镁-铒中间合金的加入量使得Zn和Er的质量比为Zn:Er＝2:3。
3.根据权利要求1所述的高塑性铸造镁合金，其特征在于，步骤S3中，所述精炼的步骤为：将熔体温度升至750～760℃时不断电精炼5～10分钟。
4.根据权利要求1所述的高塑性铸造镁合金，其特征在于，步骤S3中，所述静置的步骤为：升温至780℃静置25～40分钟。
5.根据权利要求1所述的高塑性铸造镁合金，其特征在于，所述镁-铒中间合金中Er占25wt.％；所述镁-钕中间合金中Nd占30wt.％；所述镁-锆中间合金中Zr占30wt.％。
6.根据权利要求1所述的高塑性铸造镁合金，其特征在于，所述热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；
所述固溶处理的工艺为：将熔炼得到的合金锭先在490～550℃温度中固溶6～30小时，然后在400～480℃温度中进行3～15小时的固溶处理，水淬至室温；
所述时效处理的工艺为：在180～280℃条件下时效6～50小时，然后在100～170℃下时效4～30小时。
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