CN111996427B

CN111996427B - 一种可低温挤压的高强韧镁合金及其制备方法

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Publication number: CN111996427B
Application number: CN202010912388.8A
Authority: CN
Inventors: 刘德学; 周田水; 杨东霖; 贾智; 李俊琛; 李庆林
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: CN111996427A

Abstract

一种可低温挤压的高强韧镁合金及其制备方法，合金的组分为Sn：2~6%，Zn：1~5%，Zr：0.5，其中杂质总质量小于0.01%。方法步骤为：步骤（1）配料；步骤（2）预热：将干燥的镁锭、锡颗粒、锌块以及Mg‑Zr中间合金在200~250℃预热30~35 min；步骤（3）熔炼和浇铸，得到铸态合金；步骤（4）机加工：将上述得到的铸态合金锭经车床加工成挤压工件尺寸，切割成圆柱工件；步骤（5）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆润滑剂后，加热至挤压温度，保温；将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温；然后，将工件放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温；最后进行正挤压，得到变形合金。

Description

一种可低温挤压的高强韧镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料及其变形加工领域，特别是涉及可低温挤压的镁合金制备技术。

背景技术

镁及镁合金具备许多优异性能，但其本征密排六方晶体结构使得镁在室温下仅有一个滑移面和三个可动滑移系，远远少于立方结构金属的十二个滑移系。此外，三个可动滑移系不能满足Von-Mises屈服准则(多晶材料均匀塑性变形至少需要开动5个独立的滑移系)。因此，镁及镁合金的室温塑性差、绝对强度低、加工成型困难，尤其是低温塑性变形能力差。以上共性瓶颈问题已经成为制约镁合金进一步发展和应用的行业痛点，并升级成为该领域科技创新的重点。

众所周知，随着温度的升高，镁合金中可开动的滑移系也随之增加，其变形加工窗口也逐渐变宽。因此，通过热变形提升镁合金的性能成为近年来该领域的研究热点。

CN111057924A公布了一种高塑性镁合金。通过调整挤压工艺参数，该合金的室温塑性高于25%，抗拉强度高于270 MPa。虽然该合金拥有较为理想的塑性和强度，但合金热变形温度高于350℃，最高变形温度达到430℃。高温变形消耗了更多的能量且易对变形模具造成极大的损耗。此外，该合金中稀土元素含量较高。这些无疑提高了该合金的制备成本，不利于合金的推广应用。CN109266930A、CN109402429A、CN108517447A等分别公布了一种高强韧镁合金及其制备方法。通过热挤压变形后，上述专利合金均取得了较好的强塑性匹配，但合金的变形条件苛刻。其中突出的是合金热挤压变形温度均高于300℃，这对于合金挤压过程的控制、资源节约等都是极大的挑战，且合金在热变形之前，需经过一系列热处理工艺优化合金铸态组织，以达到理想的挤压条件。然这些繁复的挤压前处理降低了合金的制备效率，也不利于降低合金的制备成本，从而限制了合金的应用价值与应用前景。

受限于镁合金本征密排六方结构，目前，合金热变形温度通常高于300℃。对于普通商用镁合金（如AZ系列、ZK60等）而言，低温（≤220℃）热变形时，合金变形抗力大，成形困难。然而，高温变形时（≥300℃），合金的微观组织容易粗化、变形加工过程复杂难控制，易导致合金的综合性能降低，同时增加合金的制备成本。因此，开发可低温热变形镁合金对于改善合金组织、提升合金综合性能、增加模具寿命、降低资源能源消耗、保障实验安全等具有重要的实验意义和实用价值，并且可极大地拓展镁及镁合金作为新一代工程结构材料的应用范围，实现镁产品的更新换代。

发明内容

本发明的目的是提供一种可低温挤压的高强韧镁合金及其制备方法。

本发明是一种可低温挤压的高强韧镁合金及其制备方法，可低温挤压的高强韧镁合金，按质量百分比计，其组分Sn：2~6%，Zn：1~5%，Zr：0.5，其余为Mg和不可避免的杂质，其中杂质总质量小于0.01%。

本发明的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，由铸态合金制备和直接由铸态合金进行热挤压的变形合金制备两部分组成，其步骤为：

步骤（1）配料：合金原材料为高纯镁锭，高纯锌块，高纯锡颗粒，Mg-Zr中间合金；

首先称取略高于所述合金成分的原始材料，随后打磨其表面氧化膜（高纯锡颗粒除外）至出现洁净无氧化的表面且和所述成分质量一致，即误差小于0.01 g，最后清洗原始材料，干燥备用；

步骤（2）预热：将干燥的镁锭、高纯锡颗粒、锌块以及Mg-Zr中间合金在200~250℃预热30~35 min；

此外，熔炼用石墨坩埚、浇铸模具以及保护熔剂均在该温度下预热保温备用；

步骤（3）熔炼和浇铸：在RJ-2熔剂保护下，当炉温为650℃时，首先将预热好的镁锭放入坩埚中，随炉加热至750℃，待其全部融化后，相继加入预热的锡颗粒、锌块以及Mg-Zr中间合金；

在750℃下保温20-25 min，待原料全部融化后，将熔液搅拌均匀，并掠去表面浮渣；之后，保温10 min，再次搅拌熔液并去渣；静置10 min后降温至720℃，在该温度下将熔液浇铸到预热的温模具中；当铸锭随模具冷却10-15 min后，从模具中取出铸锭并空冷，得到铸态合金；

步骤（1）~步骤（3）是铸态合金制备部分；

步骤（4）机加工：将上述得到的铸态合金锭经车床加工成挤压工件尺寸，再利用电火花线切割成h=10-15 mm圆柱工件；随后，打磨工件表面油污至光亮；

步骤（5）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆润滑剂后，加热至挤压温度，待温度稳定之后，保温20-40 min；随后，将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温20-30 min；然后，将工件放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温20-40 min；最后进行正挤压，得到变形合金；

步骤（4）~步骤（5）是变形合金制备部分。

本发明的有益之处是：（1）本发明高强韧镁合金最低挤压温度为200℃，远低于AZ系列和ZK60合金的挤压温度。可低温挤压对于改善合金组织、提升合金性能、模具延寿、降低能耗、保障实验安全等具有重要的实验意义和实用价值；并且本发明合金可直接由铸态挤压，省去了繁复的挤压前处理，提高了合金制备效率；

（2）经低温挤压后，本发明合金的抗拉强度接近250 MPa，延伸率大于20%，实现了良好的强塑性匹配，是一种新型可低温挤压的高强韧镁合金；

（3）本发明Mg-Sn-Zn-Zr镁合金中，所采用的辅助原料主要为Sn颗粒与Zn锭，均非稀贵重元素。因此，合金的制备成本低廉，具有良好的应用前景和应用价值；

（4）本发明中，该合金铸态下具有优异的室温塑性，可作为低温正挤压或大塑性变形镁合金的坯料。并且Sn、Zn均为人体必需元素，Zr元素对人体无毒害或少毒。因此，该合金也有望成为一类新型医用金属材料。

附图说明

图1是实施例1-3合金的典型拉伸曲线图，图2为实施例1的微观组织，图3为实施例2的微观组织，图4为实施例3的微观组织。

具体实施方式

步骤（1）~步骤（3）是铸态合金制备部分；

步骤（4）~步骤（5）是变形合金制备部分。

以上所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，步骤（1）中Mg-Zr中间合金为Mg-30wt.%Zr中间合金。

以上所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，步骤（3）中搅拌方法为机械搅拌。

以上所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，步骤（5）中润滑剂为高纯石墨混合少量合成机油。

以上所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，步骤（5）中挤压工件为棒状工件。

以上所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，步骤（5）中挤压温度为200~400℃，挤压速度为15~20 mm/s，挤压比为12：1，挤压完成后，工件空冷至室温。

本发明的显著特点为：镁合金本征密排六方结构决定了其室温塑韧性差，强度低。目前，提升镁合金强塑性最有效手段包括合金化及变形加工等。本发明以Sn为第一合金化元素、Zn为第二合金化元素，以低温正挤压为主要形变强化方式，制备了一类新型高韧性镁合金。

以Sn为第一合金化元素。因为在共晶温度下，Sn在Mg基体中的固溶度可达14.5wt.%。随着温度的降低，Sn在基体中的固溶度急剧减小，形成大量的Mg₂Sn析出相。Mg₂Sn为FCC结构，具有硬度高、高温稳定性好等优异性能，作为强化相可有效提升镁合金的室温、高温力学性能。Sn的加入，可降低Mg基体的层错能，增加基面滑移阻力，降低非基面滑移的临界剪切应力（CRSS），促进非基面滑移与大量孪晶的产生，从而提升合金的塑韧性。并且，Sn改变了合金的c/a值，通过粒子激发形核（PSN）及孪晶诱导形核（TIN），改变Mg基体的基面织构，从而影响合金的强韧性。

以Zn为第二合金化元素。Zn是镁合金中常见的合金化元素，具有显著的合金化效果。Zn的加入，使得合金的基面滑移阻力增加，非基面滑移阻力减小，二者滑移阻力差值减小，提升合金的塑韧性。更重要的是，Zn的添加可以促进镁合金非基面滑移系的开动，从而满足Von-Mises屈服准则，提升合金塑性。对于Mg₂Sn相，Zn的加入可以改变其形貌，进而影响其与位错之间的交互作用，改善合金强韧性。此外，Zn的加入还可细化合金的晶粒。

与其他挤压参数相比，降低挤压温度是细化合金晶粒最有效的手段，而晶粒细化可以在提升合金强度的同时不牺牲合金的塑韧性，显著弱化合金强度和塑韧性之间的拮抗作用。本发明中，挤压温度最低可达200℃，远低于AZ系列和ZK60合金的挤压温度。低温挤压后，合金的抗拉强度接近250 MPa，延伸率大于20%，实现了良好的强塑性匹配，是一种新型可低温挤压的高强韧镁合金。

鉴于此，本发明提供一种可低温热挤压镁合金Mg-Sn-Zn-Zr。该合金的最低挤压温度为200℃，远低于现有镁合金的热挤压温度（≥300℃），且合金抗拉强度接近250 MPa，延伸率大于20%，实现了良好的强塑性匹配，是一种新型可低温挤压的高强韧镁合金。此外，该合金挤压之前不需要进行热处理优化合金组织，省去了繁复的挤压前处理，降低了合金制备成本，提高了合金生产效率和成品率，可批量生产。

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐释，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例 1：

本实施例的可低温挤压的高强韧镁合金，该合金为Mg-Sn-Zn-Zr镁合金，合金各组分及相应质量百分比分别为Sn：5wt.%，Zn：2wt.%，Zr：0.5wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质（Fe、Si、Cu等）。其中杂质元素总质量小于0.01wt.%。

本实施例的可低温挤压高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：

包括制备铸态合金和直接由铸态合金进行热挤压的变形合金。

铸态合金的制备包括以下步骤：

（1）配料：合金原材料为高纯镁锭（99.95%），高纯锌块（99.995%，50mm），高纯锡颗粒（99.99%，Φ2×5 mm），Mg-Zr中间合金。首先称取略高于所述合金成分的原始材料，随后打磨其表面氧化膜（高纯锡颗粒除外），至出现洁净光亮无氧化表面且和所述成分一致（误差小于0.01 g），最后清洗原始材料，干燥备用；

（2）预热：将干燥的镁锭、锌块、Mg-Zr中间合金以及高纯锡颗粒在200-250℃预热30-35 min。此外，熔炼用石墨坩埚、浇铸模具以及保护熔剂均在该温度下预热保温备用；

（3）熔炼和浇铸：在RJ-2熔剂保护下，当炉温为650℃时，首先将预热好的镁锭放入坩埚中，随炉加热至750℃，待其全部融化后，相继加入预热的锡颗粒、锌块以及Mg-30wt.%Zr中间合金。在750℃下保温20-25 min，待原料全部融化后，将熔液机械搅拌均匀，并掠去表面浮渣；之后，保温10 min，再次搅拌熔液，并去渣；静置10 min，降温至720℃，在该温度下将熔液浇铸到预热的温模具中；当铸锭随模具冷却10-15 min后，从模具中取出铸锭并空冷，得到铸态合金。

变形合金的制备包括以下步骤：

（1）机加工：将上述得到的铸态合金锭经车床加工成挤压试样尺寸，利用电火花线切割成h=15 mm圆柱试样；随后，打磨试样表面油污至光亮；

（2）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆高纯石墨混合少量合成机油润滑剂后，加热至挤压温度350℃，待温度稳定之后，保温20 min；之后，将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温20 min；然后，将试样放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温20min；挤压速度为20 mm/s；挤压比为12：1；最后进行挤压，得到棒状变形合金，空冷至室温。

实施例 2：

本实施例中，铸态合金的制备和实施例1相同。

变形合金的制备包括以下步骤：

（1）机加工：将铸态合金锭经车床加工成挤压试样尺寸，利用电火花线切割成h=12mm圆柱试样；随后，打磨试样表面油污至光亮；

（2）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆高纯石墨混合少量合成机油润滑剂后，加热至挤压温度250℃，待温度稳定之后，保温30 min；之后，将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温20 min；然后，将试样放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温30min；挤压速度为18 mm/s；挤压比为12：1；最后进行挤压，得到棒状变形合金，空冷至室温。

实施例 3：

本实施例中，铸态合金的制备和实施例1相同。

变形合金的制备包括以下步骤：

（1）机加工：将铸态合金锭经车床加工成挤压试样尺寸，利用电火花线切割成h=10mm圆柱试样；随后，打磨试样表面油污至光亮；

（2）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆高纯石墨混合少量合成机油润滑剂后，加热至挤压温度200℃，待温度稳定之后，保温40 min；之后，将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温30 min；然后，将试样放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温40min；挤压速度为15 mm/s；挤压比为12：1；最后进行挤压，得到棒状变形合金，空冷至室温。

需要明确的是，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，由铸态合金制备和直接由铸态合金进行热挤压的变形合金制备两部分组成，其步骤为：

（1）配料：合金原材料为高纯镁锭，高纯锌块，高纯锡颗粒，Mg-Zr中间合金；

首先称取略高于合金成分的原始材料，随后打磨其表面氧化膜至出现洁净无氧化的表面且和所述合金成分的原始材料一致，即误差小于0.01 g，最后清洗原始材料，干燥备用；

（2）预热：将干燥的高纯镁锭、高纯锡颗粒、高纯锌块以及Mg-Zr中间合金在200~250℃预热30~35 min；此外，熔炼用石墨坩埚、浇铸模具以及保护熔剂均在该温度下预热保温备用；

（3）熔炼和浇铸：在RJ-2熔剂保护下，当炉温为650℃时，首先将预热好的镁锭放入坩埚中，随炉加热至750℃，待其全部融化后，相继加入预热的高纯锡颗粒、高纯锌块以及Mg-Zr中间合金；在750℃下保温20-25 min，待原料全部融化后，将熔液搅拌均匀，并掠去表面浮渣；之后，保温10 min，再次搅拌熔液并去渣；静置10 min后降温至720℃，在该温度下将熔液浇铸到预热的温模具中；当铸锭随模具冷却10-15 min后，从模具中取出铸锭并空冷，得到铸态合金；

（4）机加工：将步骤（3）得到的铸态合金锭经车床加工成挤压工件尺寸，再利用电火花线切割成h=10-15 mm圆柱工件；随后，打磨工件表面油污至光亮；

（5）挤压成型：室温下，将正挤压模具涂覆润滑剂后，加热至挤压温度，待温度稳定之后，保温20-40 min；随后，将表面涂覆润滑剂的铸态圆柱试样在相同温度下保温20-30min；然后，将工件放入挤压模具的挤压筒中，和模具共同保温20-40 min；最后进行正挤压，得到变形合金；

步骤（1）~步骤（3）是铸态合金制备部分；步骤（4）~步骤（5）是变形合金制备部分；

所述步骤（5）中挤压温度为200℃，挤压速度为15~20 mm/s，挤压比为12：1，挤压完成后，工件空冷至室温；

所述可低温挤压的高强韧镁合金的组分为：Sn：2~6%，Zn：1~5%，Zr：0.5，其余为Mg和不可避免的杂质，其中杂质总质量小于0.01%。

2.根据权利要求1所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中Mg-Zr中间合金为Mg-30wt.%Zr中间合金。

3.根据权利要求1所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中搅拌方法为机械搅拌。

4.根据权利要求1所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（5）中润滑剂为高纯石墨混合少量合成机油。

5.根据权利要求1所述的可低温挤压的高强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（5）中挤压工件为棒状工件。