CN109837438B - 一种低成本高强变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种低成本高强变形镁合金及其制备方法。该合金各组分及其重量百分比为：4.5～5.0％Zn、3.0～3.5％Sn、0.5～1.0％Mn、0.3～0.5Cu％、0.3～0.5％Ca，其余为Mg和不可避免的杂质元素。首先在760℃将工业纯镁熔化，然后依次加入纯金属Zn、Sn、Cu、Mg‑25wt.％Ca和Mg‑10wt.％Mn中间合金，合金熔化完全后搅拌均匀，静置15～20分钟后将合金熔体温度调到700～720℃浇铸成型，整个过程采用CO₂和SF₆进行保护。将铸锭进行均匀化处理后空冷，挤压成型后采用双级时效工艺T6处理。该合金在室温拉伸测试下，屈服强度≥360MPa，抗拉强度≥400MPa，延伸率≥7％，具有优良的综合力学性能。

Description

一种低成本高强变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种低成本高强变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能性好、电磁屏蔽性好、机械加工性能优良、易于回收再利用等优点，是目前得到应用的最轻的金属结构材料。在电子、汽车和航空航天等领域得到广泛应用。

与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更加优异的力学性能。目前应用较多的变形镁合金系主要有AZ、ZK、AM系，其中AZ系镁合金由于存在高温软化相，不适合在高于120℃的环境下使用。含Zr镁合金强度较高但其熔炼困难且Zr的成本较高，限制其应用。因此，发展一种综合性能良好的镁合金对于扩大镁合金应用范围有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本高强变形镁合金及其制备方法，采用热处理的方法显著提高合金的力学性能。

本发明的技术方案是：

一种低成本高强变形镁合金，镁合金中同时含有合金元素Zn、Sn、Mn、Cu、Ca，各组份质量百分含量为：4.5～5.0％Zn、3.0～3.5％Sn、0.5～1.0％Mn、0.3～0.5％Cu、0.3～0.5％Ca，其余为镁和不可避免的杂质元素。

所述的低成本高强变形镁合金，不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，具体步骤包括：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-10wt.％Mn中间合金在150～200℃下预热20～30分钟，将纯Sn在100～150℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在760℃±10℃保温使纯镁全部熔化，然后加入预热过的纯Zn、纯Sn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca和Mg-10wt.％Mn中间合金，保温20～30分钟，进行合金化，待合金化元素完全熔化后，搅拌均匀，静置15～20分钟后，将合金熔体温度调到700～720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成型；

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在360～400℃下进行均匀化处理40～60h后空冷，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温；

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T6处理，在400～440℃固溶2～4h后淬火，在70～90℃预时效20～24h后，在170～190℃时效2～8h，空冷至室温。

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，步骤(1)中的搅拌均匀，首先采用机械搅拌2～4分钟，然后向熔体中通入氩气搅拌1～3分钟。

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，步骤(1)中的CO₂和SF₆混合气体，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，步骤(2)中的挤压成型，挤压参数为：挤压温度为300～350℃，挤压比为20～30，挤压杆移动速度为1～2mm/s。

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，步骤(3)中双级时效工艺T6处理后的镁合金，在室温拉伸测试下，屈服强度≥360MPa，抗拉强度≥400MPa，延伸率≥7％。

本发明确定合金成分的设计思想是：

(1)Zn和Sn均可以通过固溶强化和时效强化的方式提高合金的强度，且形成的Mg₂Sn相熔点较高，有助于提高高温力学性能。选择Zn和Sn的含量分别为4.5～5.0％和3.0～3.5％，确保合金元素可以有效固溶。

(2)Mn可以抑制挤压Mg-Zn-Sn-Ca-Cu合金晶粒长大，提高合金力学性能，Mn元素含量为0.5～1.0％。

(3)Ca含量0.3～0.5％，Ca元素可以与Mg和Sn形成MgSnCa高温相，有助于提高高温力学性能，但Ca含量较高时形成粗大的初生MgSnCa相，不利于变形。

(4)Cu含量为0.3～0.5％，Cu元素可以促进时效过程中Mg-Zn相和Mg₂Sn相析出，提高时效后合金的强度。

本发明的优点及有益效果是：

(1)采用Zn元素和Sn元素通过固溶强化和时效强化保证合金的强度，Mg₂Sn相有较好的高温强化效果，加入Ca后形成MgSnCa高温强化相，Mn的添加可以抑制挤压合金晶粒长大。Cu可以促进时效析出，提高时效态合金的力学性能。

(2)本发明镁合金材料不含贵金属，挤压变形后有较好的综合力学性能，热处理后可以显著提高材料的强度。

(3)本发明挤压态合金室温抗拉强度可以达到304MPa以上，屈服强度达到190MPa以上，伸长率达到17％以上，经时效处理后，抗拉强度达到400MPa以上，屈服强度可以达到360MPa以上，延伸率7％以上。

(4)本发明镁合金材料通过挤压变形及后续热处理可以获得较高的强度，合金中不含贵金属，成本低。

附图说明

图1为实施例1中挤压态合金显微组织照片；

图2为实施例1中挤压态合金拉伸应力(Stress)-应变(Strain)曲线；

图3为实施例1中时效态合金显微组织照片；

图4为实施例1中时效态合金拉伸应力(Stress)-应变(Strain)曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金成分(质量百分比)为：Zn为5.0％，Sn为3.5％，Mn为0.9％，Ca为0.4％，Cu为0.5％，其余为镁和不可避免的杂质元素。其中，不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金的制备方法，采用工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Sn、工业纯Cu和Mg-10wt.％Mn、Mg-25wt.％Ca中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-10wt.％Mn中间合金在200℃预热20分钟，将纯Sn在100℃下预热20分钟，将纯镁放入铁坩埚后，置于电阻炉中，设定温度为760℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Sn、纯Cu、Mg-Ca中间合金和Mg-Mn中间合金，待合金完全熔化后，首先采用机械搅拌3分钟，然后向熔体中通入高纯氩气(体积纯度99.999％)2分钟，静置15分钟后降温到710℃，最后浇铸成型。整个熔炼过程采用CO₂和SF₆混合气体(按体积百分比计，CO₂占99％，SF₆占1％)全程保护；

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在380℃下进行均匀化40小时。最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数为：挤压温度为350℃，挤压比为25，挤压杆移动速度为1.5mm/s。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T6处理，在440℃固溶4h后淬火，在75℃预时效24h后在175℃时效2h，空冷至室温。

本实施例得到挤压态镁合金屈服强度为215MPa，抗拉强度为314MPa，延伸率为17％，时效处理后屈服强度为376MPa，抗拉强度为408MPa，延伸率为7％，具有优良的综合力学性能。

如图1所示，实施例1中制备出的挤压态镁合金显微组织照片，从图中可以看出，第二相沿挤压方向分布，合金晶粒尺寸约为8μm左右。其工程应力应变曲线如图2所示，从图中可以看出该合金具有较高的强度和延伸率。时效处理后合金的显微组织照片如图3所示，固溶和时效过程中合金晶粒没有异常长大。时效后其强度得到明显提高，其工程应力应变曲线如图4所示。

实施例2：

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金成分(质量百分比)为：Zn为4.5％，Sn为3.2％，Mn为0.8％，Ca为0.3％，Cu为0.4％，其余为镁和不可避免的杂质元素。其中，不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金的制备方法，采用工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Sn、工业纯Cu和Mg-10wt.％Mn、Mg-25wt.％Ca中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-10wt.％Mn中间合金在160℃预热30分钟，将纯Sn在120℃下预热30分钟，将纯镁放入铁坩埚后，置于电阻炉中，设定温度为760℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Sn、纯Cu、Mg-Ca中间合金和Mg-Mn中间合金，待合金完全熔化后，首先采用机械搅拌2分钟，然后向熔体中通入高纯氩气(体积纯度99.999％)3分钟，静置18分钟后降温到720℃，最后浇铸成型。整个熔炼过程采用CO₂和SF₆混合气体(按体积百分比计，CO₂占99.5％，SF₆占0.5％)全程保护；

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在370℃下进行均匀化50小时。最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数为：挤压温度为330℃，挤压比为27，挤压杆移动速度为1.0mm/s。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T6，在430℃固溶2h后淬火，在80℃预时效22h后在180℃时效6h，空冷至室温。

本实施例得到挤压态镁合金屈服强度为190MPa，抗拉强度为304MPa，延伸率为19.5％，时效处理后屈服强度为360MPa，抗拉强度为400MPa，延伸率为7.5％，具有优良的综合力学性能。

实施例3：

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金成分(质量百分比)为：Zn为4.8％，Sn为3.0％，Mn为0.5％，Ca为0.5％，Cu为0.3％，其余为镁和不可避免的杂质元素。其中，不可避免杂质元素含量低于1.0wt％。

本实施例中，Mg-Zn-Sn-Mn-Ca-Cu系镁合金的制备方法，采用工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Sn、工业纯Cu和Mg-10wt.％Mn、Mg-25wt.％Ca中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-10wt.％Mn中间合金在180℃预热25分钟，将纯Sn在130℃下预热25分钟，将纯镁放入铁坩埚后，置于电阻炉中，设定温度为760℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Sn、纯Cu、Mg-Ca中间合金和Mg-Mn中间合金，待合金完全熔化后，首先采用机械搅拌4分钟，然后向熔体中通入高纯氩气(体积纯度99.999％)1分钟，静置20分钟后降温到700℃，最后浇铸成型。整个熔炼过程采用CO₂和SF₆混合气体(按体积百分比计，CO₂占99％，SF₆占1％)全程保护；

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在390℃下进行均匀化45小时。最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数为：挤压温度为320℃，挤压比为23，挤压杆移动速度为2.0mm/s。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T6，在420℃固溶3h后淬火，在85℃预时效20h后在185℃时效4h，空冷至室温。

本实施例得到挤压态镁合金屈服强度为228MPa，抗拉强度为325MPa，延伸率为20％，时效处理后屈服强度为394MPa，抗拉强度为401MPa，延伸率为7.5％，具有优良的综合力学性能。

Claims (5)

1.一种低成本高强变形镁合金，其特征在于，镁合金中同时含有合金元素Zn、Sn、Mn、Cu、Ca，各组份质量百分含量为：4.5～5.0% Zn、3.0～3.5% Sn、0.5～0.9% Mn、0.3～0.5%Cu、0.3～0.5% Ca，其余为镁和不可避免的杂质元素；

所述的低成本高强变形镁合金的制备方法，具体步骤包括：

（1）合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.% Ca、Mg-10 wt.% Mn中间合金在150～200℃下预热20～30分钟，将纯Sn在100～150℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在760℃±10℃保温使纯镁全部熔化，然后加入预热过的纯Zn、纯Sn、纯Cu、Mg-25 wt.% Ca和Mg-10wt.% Mn中间合金，保温20～30分钟，进行合金化，待合金化元素完全熔化后，搅拌均匀，静置15～20分钟后，将合金熔体温度调到700～720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成型；

（2）合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在360～400℃下进行均匀化处理40～60h后空冷，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温；

步骤（2）中的挤压成型，挤压参数为：挤压温度为300～350℃，挤压比为20～30，挤压杆移动速度为1～2mm/s；

（3）挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T6处理，在400～440℃固溶2～4h后淬火，在70～90℃预时效20～24h后，在170～190℃时效2～8h，空冷至室温。

2.按照权利要求1所述的低成本高强变形镁合金，其特征在于，不可避免杂质元素含量低于1.0wt%。

3.按照权利要求1所述的低成本高强变形镁合金，其特征在于，步骤（1）中的搅拌均匀，首先采用机械搅拌2～4分钟，然后向熔体中通入氩气搅拌1～3分钟。

4.按照权利要求1所述的低成本高强变形镁合金，其特征在于，步骤（1）中的CO₂和SF₆混合气体，按体积百分比计，CO₂占99～99.5%，SF₆占0.5～1.0%。

5.按照权利要求1所述的低成本高强变形镁合金，其特征在于，步骤（3）中双级时效工艺T6处理后的镁合金，在室温拉伸测试下，屈服强度≥360MPa，抗拉强度≥ 400MPa，延伸率≥7%。

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