CN110564996B - 一种高强度镁合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于高性能镁合金材料技术领域，特别是关于一种高强度镁合金材料，所述镁合金材料由以下成分组成：Lu：2.0～3.5wt.％；Ni：0.8～1.5wt.％；Ca：0.1～0.5wt.％；余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.03wt.％；与镁合金化的Lu与Ni元素的质量比是2:1～4:1。向镁合金中加入了含特定配比的Lu、Ni及Ca合金化元素，通过铸造+挤压工艺制备出了一种高强度镁合金材料，该镁合金的抗拉强度高达320～340MPa，屈服强度高达260～290MPa，延伸率大于8％，是一种优异的高强度镁合金材料。
Description
技术领域
本发明关于高性能镁合金材料技术领域，特别是关于一种高强度镁合金材料及其制备方法。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金，具有铸造性能好、减震性能强、模具寿命高和尺寸稳定性强等优点。另外，镁合金的密度只有1.8～2.0g/cm3，是铝的2/3，钢的1/4。采用镁合金能减轻整车重量，可在铝合金的基础上再减轻15～20％。但是，镁合金的力学性能(强度和塑性)普遍较低。例如：目前市场上广泛使用的AZ31B镁合金棒材，其屈服强度也仅有110MPa，抗拉强度仅有220MPa，延伸率5.0％。高强韧WE54镁合金的屈服强度介于220～240MPa之间，抗拉强度仅有280～300MPa，延伸率6～8％，这严重限制了镁合金在汽车领域的发展。因此，开发出新型高强度镁合金材料对镁合金的产业化发展至关重要。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度镁合金材料及其制备方法，发明人向镁合金中加入了含特定配比的Lu、Ni及Ca合金化元素，通过铸造+挤压工艺制备出了一种高强度镁合金材料，该镁合金的抗拉强度高达320～340MPa，屈服强度高达260～290MPa，延伸率大于8％，是一种优异的高强度镁合金材料。
因此，在一个方面，本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种高强度镁合金材料，所述镁合金材料由以下成分组成：
Lu：2.0～3.5wt.％；
Ni：0.8～1.5wt.％；
Ca：0.1～0.5wt.％；
余量为Mg和不可避免的且含量≤0.03wt.％的杂质；
其中，与镁合金化的Lu与Ni的质量比是2:1～4:1；
所述杂质为Fe、Ni、Cu、S、O、P等，含量≤0.03wt.％。
在本发明的另一方面，与镁合金化的Lu与Ni的质量比是1.9:1～3.5:1。
在本发明的再一方面，Lu含量为2.5～3.2wt.％。
在本发明的又一方面，Ni含量为1.1～1.5wt.％。
在本发明的外一方面，Ca含量为0.15～0.5wt.％。
在本发明的次一方面，所述镁合金材料具有320～340MPa的抗拉强度，具有260～290Mpa的屈服强度，具有大于8％的延伸率。
在另一个方面，本发明为实现上述目的所采取的技术方案还包括：上述一个方面所述高强度镁合金材料的制备方法，包括：
-将预热后的金属原料熔融铸造得铸态镁合金；
-将所得到的铸态镁合金匀质化处理；
-将匀质化处理后的镁合金进行热挤压处理。
与现有技术相比，本发明以特定比例的Mg、Lu、Ni、Ca为主要成分，各个成分相互作用、相互影响，提高了镁合金材料的强度，使其可适合用于汽车制造、航空航天和武器装备等领域，而且本发明通过铸造+挤压工艺制备出高强度镁合金材料，该镁合金的抗拉强度高达320～340MPa，屈服强度高达260～290MPa，延伸率大于8％，是一种优异的高强度镁合金材料。
在本发明的另一方面，所述铸造的具体步骤为：在保护气的作用下，将Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca加入熔炉中，升温至750～760℃，待Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca融化后，扒渣，静置2～3分钟，降温至720～730℃，浇铸得铸态镁合金。
在本发明的再一方面，所述铸造过程中，所述保护气是氮气。
在本发明的又一方面，所述铸造过程中，所述Mg、Mg-Lu中间合金、Ni及Ca的质量配比按照上述一个方面所述高强度镁合金材料的配方设置。
在本发明的外一方面，所述匀质化处理温度为230～240℃，保温时间为8～10h。
在本发明的次一方面，所述热挤压的温度为380～400℃，挤压速度为0.1～0.15m/s，挤压比为28～30:1。
本发明的有益效果为：
本发明以Mg、Lu、Ni、Ca为主要成分，以纯Mg、Mg-Lu中间合金、纯Ni及纯Ca为原材料通过铸造+挤压工艺制备出高强度镁合金材料，在该合金中各个元素相互作用、相互影响，提高了镁合金材料的强度。该镁合金的抗拉强度高达320～340MPa，屈服强度高达260～290MPa，延伸率大于8％，是一种优异的高强度镁合金材料，可适合用于汽车制造、航空航天以及武器装备等领域。
本发明采用了上述技术方案提供范文，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本发明使用本文中所描述的方法和材料；但本领域中已知的其他合适的方法和材料也可以被使用。本文中所描述的材料、方法和实例仅是说明性的，并不是用来作为限制。所有出版物、专利申请案、专利案、临时申请案、数据库条目及本文中提及的其它参考文献等，其整体被并入本文中作为参考。若有冲突，以本说明书包括定义为准。
本发明提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：2.0～3.5wt.％的Lu；0.8～1.5wt.％的Ni；0.1～0.5wt.％的Ca；余量为Mg和不可避免的杂质，其中，与镁合金化的Lu与Ni的质量比是2:1～4:1，所述杂质为Fe、Ni、Cu、S、O、P等，含量≤0.03wt.％。
需要说明的是，本发明的所述高强度镁合金材料中含有2.0～3.5wt.％的Lu，包括但不限于意为含有2.0wt.％、2.1wt.％、2.2wt.％、2.3wt.％、2.4wt.％、2.5wt.％、2.6wt.％、2.7wt.％、2.8wt.％、2.9wt.％、3.0wt.％、3.1wt.％、3.2wt.％、3.3wt.％、3.4wt.％、3.5wt.％的Lu，同时应包括但不限于意为含有包含在上述任意两个数值之间的某具体数值含量的Lu，例如但不限于包含在2.4-3.4wt.％之间的3.04wt.％、3.38wt％等，不再一一赘述。
还需要说明的是本发明的所述高强度镁合金材料中含有0.8～1.5wt.％的Ni，包括但不限于意为含有0.8wt.％、0.9wt.％、1.0wt.％、1.1wt.％、1.2wt.％、1.3wt.％、1.4wt.％、1.5wt.％的Ni，同时应包括但不限于意为含有包含在上述任意两个数值之间的某具体数值含量的Ni，例如但不限于包含在1.1-1.4wt.％之间的1.12wt.％、1.35wt％等，不再一一赘述。
还需要说明的是本发明的所述高强度镁合金材料中含有0.1～0.5wt.％的Ca，包括但不限于意为含有0.1wt.％、0.15wt.％、0.2wt.％、0.25wt.％、0.3wt.％、0.35wt.％、0.4wt.％、0.45wt.％、0.5wt.％的Ca，同时应包括但不限于意为含有包含在上述任意两个数值之间的某具体数值含量的Ca，例如但不限于包含在0.15-0.35wt.％之间的0.22wt.％、0.34wt％等，不再一一赘述。
还需要说明的是本发明的所述高强度镁合金材料中含有质量比2:1～4:1的且与镁合金化的Lu与Ni，包括但不限于意为含有2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1、3.0:1、3.1:1、3.2:1、3.3:1、3.4:1、3.5:1、3.6:1、3.7:1、3.8:1、3.9:1、4.0:1的且与镁合金化的Lu与Ni，同时应包括但不限于意为含有包含在上述任意两个数值之间的某具体数值含量的且与镁合金化的Lu与Ni，例如但不限于包含在含有2.3:1-3.6:1之间的2.68:1、3.04:1、3.44:1等，不再一一赘述。
本发明还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，包括：
-将预热后的金属原料熔融铸造得铸态镁合金；
-将所得到的铸态镁合金匀质化处理；
-将匀质化处理后的镁合金进行热挤压处理。
所述铸造的具体步骤为：在保护气的作用下，将Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca加入熔炉中，升温至750～760℃，待Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca融化后，扒渣，静置2～3分钟，降温至720～730℃，浇铸得铸态镁合金。
所述铸造过程中，所述Mg、Mg-Lu中间合金、Ni及Ca的质量配比按照上述一个方面所述高强度镁合金材料的配方设置。
所述匀质化处理温度为230～240℃，保温时间为8～10h。
所述热挤压的温度为380～400℃，挤压速度为0.1～0.15m/s，挤压比为28～30:1。
实施例1：高强度镁合金材料配方1及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:3.0wt.％、Ni:1.5wt.％、Ca:0.3wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是2:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，包括：
1)预热金属原料，在氮气保护气的作用下，将Mg、Mg-Lu中间合金、Ni加入熔炉中，升温至750℃，待Mg、Mg-Lu中间合金及Ni融化后，降温至720℃加入Ca，待Ca融化后，浇铸得铸态镁合金；
2)在温度为240℃，保温时间为8h条件下将所得到的铸态镁合金匀质化处理；
3)将匀质化处理后的镁合金进行热挤压处理即得，控制热挤压的温度为380℃，挤压速度为0.1m/s，挤压比为28:1。
实施例2：高强度镁合金材料配方2及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:2.8wt.％、Ni:1.4wt.％、Ca:0.5wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是2:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：
铸造：升温至750℃，后降温至730℃；
匀质化处理：温度为230℃，保温时间为10h；
挤压：温度为400℃，挤压速度为0.12m/s，挤压比为30:1。
实施例3：高强度镁合金材料配方3及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:2.9wt.％、Ni:0.8wt.％、Ca:0.4wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是3.625:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：
铸造：升温至760℃，后降温至730℃；
匀质化处理：温度为230℃，保温时间为10h；
挤压：温度为390℃，挤压速度为0.15m/s，挤压比为28:1。
实施例4：高强度镁合金材料配方4及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:2.8wt.％、Ni:0.8wt.％、Ca:0.5wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是3.5:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：
铸造：升温至760℃，后降温至730℃；
匀质化处理：温度为235℃，保温时间为10h；
挤压：温度为385℃，挤压速度为0.15m/s，挤压比为30:1。
实施例5：高强度镁合金材料配方5及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:2.5wt.％、Ni:1.1wt.％、Ca:0.15wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是2.27:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：
铸造：升温至750℃，后降温至730℃；
匀质化处理：温度为240℃，保温时间为9h；
挤压：温度为400℃，挤压速度为0.1m/s，挤压比为28:1。
实施例6：高强度镁合金材料配方6及其制备方法：
本实施例提供一种高强度镁合金材料，由以下成分组成：Lu:3.5wt.％、Ni:1.3wt.％、Ca:0.5wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质。Lu与Ni的质量比是2.69:1。
本实施例还提供了制备上述高强度镁合金材料的方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：
铸造：升温至760℃，后降温至720℃；
匀质化处理：温度为240℃，保温时间为8h；
挤压：温度为400℃，挤压速度为0.1m/s，挤压比为28:1。
对比例7～11：镁合金材料配方7～11：
分别利用与实施例1相同的制备方法制备出不同配方的镁合金材料，其具体配方如表1所列。
表1、对比例镁合金材料配方
实验例：镁合金材料的强度检测：
分别以实施例1～6及对比例7～11中各例制备得到的镁合金为检验原材料，检验其拉伸强度、屈服强度及延伸率，统计检验结果如表2所示。由表2可以看出，本申请的优选实施例1～6中的各镁合金材料均具有较高的强度和拉伸率，而当不添加或少添加Lu(对比例7与对比例8)、不添加或少添加Ni(对比例9与对比例10)以及不添加Ca得到的镁合金材料的强度和延伸率均有明显下降，说明本申请的技术方案可以得到优异的高强度镁合金材料，使其可适合用于汽车制造、航空航天及武器装备等领域。
表2、实施例与对比例镁合金力学性能检测结果
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
虽然上述具体实施方式已经显示、描述并指出应用于各种实施方案的新颖特征，但应理解，在不脱离本公开内容的精神的前提下，可对所说明的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。另外，上述各种特征和方法可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落在本公开内容的范围内。上述许多实施方案包括类似的组分，并且因此，这些类似的组分在不同的实施方案中可互换。虽然已经在某些实施方案和实施例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可超出具体公开的实施方案延伸至其它的替代实施方案和/或应用以及其明显的修改和等同物。因此，本发明不旨在受本文优选实施方案的具体公开内容限制。
Claims (8)
1.一种高强度镁合金材料，其特征在于所述镁合金材料由以下成分组成：
Lu：2.0～3.5wt.％；
Ni：0.8～1.5wt.％；
Ca：0.1～0.5wt.％；
余量为Mg和不可避免的且含量≤0.03wt.％的杂质元素；
镁合金化的Lu与Ni的质量比是2:1～4:1；
所述镁合金材料具有320～340MPa的抗拉强度；
所述镁合金材料具有260～290MPa的屈服强度；
所述镁合金材料具有大于8％的延伸率。
2.根据权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于镁合金化的Lu与Ni的质量比是2:1～3.5:1。
3.制备权利要求1或2所述高强度镁合金材料的方法，其特征在于包括：
-将预热后的金属原料熔融铸造得铸态镁合金；
-将所得到的铸态镁合金匀质化处理；
-将匀质化处理后的镁合金进行热挤压处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述铸造的具体步骤为：在保护气的作用下，将Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca加入熔炉中，升温至750～760℃，待Mg、Mg-Lu中间合金、Ni、Ca熔化后，扒渣，静置2～3分钟，降温至720～730℃，浇铸得铸态镁合金。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述保护气是氮气。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述Mg、Mg-Lu中间合金、Ni及Ca的质量配比按照权利要求1或2所述高强度镁合金材料的配方设置。
7.根据权利要求3～6任一项所述的方法，其特征在于所述匀质化处理温度为230～240℃，保温时间为8～10h。
8.根据权利要求3～6任一项所述的方法，其特征在于所述热挤压的温度为380～400℃，挤压速度为0.1～0.15m/s，挤压比为28～30:1。
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