CN109706336A - 一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法，包括合金熔炼→固溶→等温挤压；该方法首先按成分熔炼含质量百分数为0.8～1.5%稀土元素镱（Yb）的ZK60镁合金，随后快速冷凝成铸锭，随后对其进行400°C×48 h的固溶处理，最后在330~350℃以0.1~1.0 s^‑1的应变速率和10~30的挤压比进行等温挤压，得到平均晶粒尺寸小于1μm，抗拉强度大于400 MPa，延伸率大于15%的超细晶高强塑性镁合金块体。本发明利用常规低挤压比变形获得常规镁合金体系难以得到的超细晶组织，并结合稀土元素的添加量调控合金强度和塑性，最终获得组织细化且兼具高强度和塑性的镁合金块料。成本低、流程短、效率高，具有良好的工业应用前景。

Description

一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法

技术领域

本发明属于镁合金的加工技术领域，特别是涉及一种生产超细晶高强塑性稀土镁合金的简单加工方法，具体是一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法。

背景技术

由于镁合金具有密度低、比刚度、比强度高、阻尼性能、减震性能和电磁屏蔽性能好及可回收利用等优点，镁合金被广泛运用于汽车、航空航天、兵器等领域。但是镁合金强度较低、耐蚀性差，在室温下塑性差等缺点也严重的制约着镁合金的发展和运用。

由于基体元素镁的晶格结构为密排六方结构，在室温下，非基面的临界剪切应力较大，能被激活的滑移系的数量较少，塑形变形困难，致使其加工性能较差，一定程度上制约着镁合金的发展。近年来，国内外对高强度变形镁合金的开发基本围绕合金化和变形加工技术展开。合金化主要是基于现有的变形镁合金体系（Mg-Zn系和Mg-Al系），添加适量的合金元素（Ca，Sn，Ag，Cu，Y，Ho，Er，Nd，Gd等）进行基体改性，通过固溶强化、析出相化和弥散强化来进一步提高镁合金的强度和塑性。但是仅仅通过合金化改性来增加镁合金的强度和塑性还是不能满足镁合金在大多数工程上的运用。为推动变形镁合金的更广泛使用，进而获得超细晶粒组织和优良的力学性能，国内外行业人员多采用大塑形变形（SPD技术，如等径角挤压工艺、搅拌摩擦焊工艺、差速轧制工艺、累计叠轧工艺、高压扭转工艺、多向锻造工艺、累计挤压、循环挤压压缩工艺等）、的技术手段通过细化晶粒和形变强化等机理获得性能更好的镁合金材料。这些方法存在以下几个方面的不足：

1、合金化方法虽然通过沉淀强化可以进一步提高镁合金的强度，但是这种提高强度的方法是以牺牲镁合金塑性为代价的；

2、添加高含量（质量分数10%以上）稀土元素的合金化方法虽然能够明显提高镁合金的强度，但是由于稀土是一种较昂贵的资源，导致用该种方法生产的镁合金成本极高且对稀土资源造成大量的消耗；

3、大塑性变形的方法虽然可以得到细化的晶粒组织，使镁合金的塑性和强度同时提高，但是生产设备复杂而昂贵，生产周期长。这样的加工方法不利于在实际工程中的运用。

鉴于此，本发明旨在探索一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法，该方法利用合理的成分设计、熔炼工艺和加工工艺从源头上获得高质量锭坯的同时，充分发挥多种强韧化方法共同作用的积极效果，获得高强韧性配合的变形镁合金材料，具有流程短，效率高，成本低，质量好的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术中生产超细晶镁合金技术的劣势，提供一种变形量小、损伤低、成本低、生产周期短的超细晶超强塑性稀土镁合金制备方法。该方法不但可实现制备出平均晶粒尺寸小于1 μm的，抗拉强度为大于400 MPa，延伸率大于15%的高性能稀土镁合金，而且原料易得，流程短，操作简单，所使用设备常规，工艺普通且成本低，具有良好的工业应用前景。

该方法首先优选稀土合金化元素，并利用合理的熔炼浇铸工艺细化晶粒组织，从源头上改善初始锭的质量。利用高质量初始锭坯进简单固溶处理后直接等温挤压，使强化相在变形过程中最大程度弥散析出且有效抑制再结晶晶粒长大，从而得到组织细化，高强度高塑性的镁合金块料。该方法立足于合金成分的选择、坯料初始状态的控制和变形参数的优化，结合固溶强化、析出强化、形变强化和细晶强化的方法，实现制备低成本、短流程的超细晶高强塑性稀土镁合金的方法。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：合金熔炼→固溶→等温挤压：

a、所述合金熔炼为：在SF₆＋CO₂气体保护下按正常熔炼工艺熔炼ZK60合金配料，待充分溶解后在770~780 ºC加入含Yb量为最终熔炼合金设计质量百分比含量0.8~1.5 %的Mg–Yb中间合金，充分熔化后在700~730 ºC静置保温10~20 min除渣，随后出炉浇注并自然冷却至室温；

b、所述固溶为：在400 ℃并充满氩气的环境中保温48 h使坯料在固溶时不被氧化，然后水冷至室温；

c、所述等温挤压为：将固溶处理后的坯料在氩气的环境中加热至330~350 ℃保温30min，同时控制挤压筒温度与坯料加热温度相同，并以恒定应变速率0.1~1.0 s^-1将坯料进行挤压比为10~30的挤压，挤压过程实时控制挤压筒与挤压坯料温差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温。

相比现有技术，本方法具有的有益效果在于：

1、通过常规技术手段制备出超细晶镁合金块体材料，相对行业普遍使用的大塑性变形技术（SPD）而言，具有节约能源，流程短，装备常规易得，成本低的优点。且制备出的挤压块体可进一步借助热处理调控强塑性匹配，具有SPD方法无法比拟的优势。该申请技术工艺简单可控，具有广泛推广应用的潜力；

2、本申请的技术是通过在中低温（<350 ℃），小挤压比（10~30）作用下一次制备获得，挤压材料损伤小，致密度高的同时，获得了通过SPD方法相当或者更优越的高强度（>400MPa）、高塑性（>15%）、高动态再结晶百分数的（>90%）超细晶（<1 μm）镁合金块体；

3、通过检索我们发现公开号为CN101407879A的中国专利公开了一种含Yb变形镁合金及其动态析出强韧化制备方法，该方法虽然在提高镁合金强度上效果明显，但无超细晶特征，最重要的在于采用该方法生产出的镁合金延伸率仍然偏低（申请人文献公开延伸率为~3%），在一定程度上仍然无法满足工业应用的需求。相对该技术，本申请在继承了相当强度的基础上，通过不同的合金成分和挤压制度（温度和应变速率）调控，发现了超细晶特征，而这一特征带来了合金塑性的显著提升。因此，本申请相对于前述技术（CN101407879A）具有一定进步。

本发明所提供的技术方法虽然简单易得，但按本申请的技术实施产生了预想不到的效果，特别是在晶粒均匀程度、平均晶粒大小（小于1 μm）和延伸率（15%）方面与相似技术比获得了显著的提升，尚未检索到利用该技术制备类似超细晶高强塑性稀土镁合金的报道。本方案实施，可使镁合金经小挤压比变形后获得高性能，有效的避免了大塑性变形加工周期长、加工成本高和加工条件苛刻等缺点。具有流程短，操作简单，效率高、成本低、所使用的原料和设备易得等优点，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法的工艺流程图。

图2为采用本申请技术制备的ZK60-1.2Yb超细晶高性能镁合金的挤压态组织和力学性能图。

具体实施方式

为了便于理解本发明所述方法，下面采用ZK60-1.2Yb变形镁合金作为示例用材料，并结合附图说明和具体实施示例对本发明作进一步详细的说明。

制备ZK60-1.2Yb镁合金时，具体可采用下述方法：

a、合金熔炼：在SF₆＋CO₂气体保护下按正常熔炼工艺熔炼国标为ZK60的镁合金配料，待充分溶解后在770~780 ºC加入含Yb量为最终熔炼合金设计质量百分比含量1.2%的Mg–Yb中间合金，充分熔化后在700~730 ºC静置保温10~20 min除渣，随后出炉浇注并自然冷却至室温；

b、固溶处理：在400 ℃并充满氩气的环境中保温48 h使坯料在固溶时不被氧化，然后水冷至室温；

c、等温挤压：将固溶处理后的坯料在氩气的环境中加热至330~350 ℃保温30 min，同时控制挤压筒温度与坯料加热温度相同，并以恒定应变速率0.1 s^-1将坯料进行挤压比为30的挤压，挤压过程实时控制挤压筒与挤压坯料温差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温。

经金相观察和力学性能测试发现其平均晶粒尺寸为760 nm，动态再结晶体积百分数为92%，抗拉强度为402 MPa，延伸率为18.6%。

最后说明的是，以上实施例仅用于更清楚地说明本发明的工作原理和过程，并不对本发明产生限制。本发明还可以适用于本申请所约束的其它Yb含量的ZK60镁合金，其加工原理和加工步骤与上述实例并无不同，故不需重复举例。本发明对现有技术做出创造性贡献的地方，在于提出了一种低成本短流程超细晶高强塑性稀土镁合金的制备方法，有效发挥合金性能潜力，提高生产效率，具有流程短，效率高，质量好的优点，有益效果非常显著。

Claims (2)

1.一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法，其特征在于：包括合金熔炼→固溶→等温挤压；

1) 所述合金熔炼为：在SF₆＋CO₂气体保护下按正常熔炼工艺熔炼ZK60镁合金配料，待充分溶解后在770~780 ºC加入含Yb量为最终熔炼合金设计质量百分比含量0.8~1.5 %的Mg–Yb中间合金，充分熔化后在700~730 ºC静置保温10~20 min除渣，随后出炉浇注并自然冷却至室温；

2) 所述固溶为：在400 ºC并充满氩气的环境中保温48 h，确保坯料在固溶时不被氧化，然后水冷至室温；

3) 所述等温挤压为：将固溶处理后的坯料在氩气的环境中加热至330~350 ℃保温30min，同时控制挤压筒温度与坯料加热温度相同，并以恒定应变速率0.1~1.0 s^-1将坯料进行挤压比为10～30的挤压，挤压过程实时控制挤压筒与挤压坯料温差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温。

2. 根据权利要求1所述的一种超细晶高强塑性稀土镁合金的低成本制备方法，其特征在于挤压坯料最终晶粒均匀细小，平均晶粒尺寸小于1 μm，抗拉强度大于400 MPa，延伸率为大于15%。