CN112210735B - 一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法，所述镁合金包括以下重量百分含量的组分：Mn 1~10%，余量为镁和不可避免的杂质元素，再通过具有3级及以上梯度变形结构的传统挤压模具挤压，得到梯度结构镁合金板材。由于镁系合金在传统挤压模具受到梯度应变，同时结晶行为也呈现梯度分布，再者含Mn合金在较高温度下变形时，其动态析出的钉扎作用，能够保留一部分未再结晶区域。因此，通过利用传统挤压工艺和镁合金组分的精准设计，制备的镁合金板材具有典型的晶粒尺寸呈现梯度分布，能有效改善镁合金板材力学性能和各向异性的方法。且成本低、加工工艺简单、易于生产和产品质量稳定，具有良好的应用前景。

Description

一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法

技术领域

本发明设计金属材料技术领域，特别是涉及一种一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车、3C和军工领域均有较为广泛的应用前景。同时，我国拥有大量的盐湖资源储备，是世界第一大储镁大国，合理利用镁资源，能够有效缓解各行各业对钢铁/铝合金材料的迫切需求。然而，由于镁合金缺乏有效的强化相，时效强化效果也不甚理想，镁合金的强度相对于钢铁/铝合金还是比较低。同时，变形镁合金由于在热变形过程中会产生强烈的基面织构，导致变形镁合金在变形时可动滑移系较少，因而塑性较差。因此，提升镁合金的强度和塑性，是促进镁合金广泛应用的重要前提之一。

由于添加Mn元素具有诸多的优点，Mg-Mn系合金是近年来研究较多的镁合金材料，如在铸态镁合金中，加入Mn元素，能够提升熔体纯净度，提高铸锭质量；在变形镁合金中加入Mn元素，能够提升变形镁合金的晶粒细化程度，提高镁合金的力学性能。同时，研究表明，在Mg-Zn体系中加入Mn元素，能够有效提升时效强化效果，能够有利于提高材料的屈服强度。从变形机制上来看，加入Mn元素，能够激活镁合金的<c+a>滑移，提高合金的变形能力，有利于同时提高镁合金的强度和塑性。同时，也有很多实验研究发现，在含Mn的合金体系中，有较多的合金具有较好的塑性，如Mg-Mn二元合金，在低于250℃的挤压温度下制备的变形镁合金，其塑性能够>40%；在Mg-Mn-Al/Mg-Mn-Gd三元镁合金中，其塑性能够>50%。虽然这些合金具有良好的塑性，但是其屈服强度仍然较低，普遍在150MPa左右，甚至低于150MPa。虽然有文献报道，在含Mn合金中制备出具有混晶组织的镁合金材料，能够大大提升其屈服强度，但是，由于混晶组织中的大晶粒不能很好的协调应变，导致合金的变形能力依旧较差，反应在力学性能上表现出较低的塑性。

调控晶粒结构是一种非常有效的优化金属材料力学性能的方式。制备具有梯度晶粒结构的材料能够改善合金的变形机制，提升合金的综合性能。目前制备梯度组织的材料，主要是通过表面处理，如激光喷丸、干式喷涂+温度梯度烧结法、自蔓延高温合成法等。但这些方法或是工艺复杂或是设备要求高，虽然能够成功制备出具有梯度组织的材料，但是受到成本高、效率低以及产品尺寸受限等问题的限制，目前主要还是在实验室研究阶段，还较难实现广泛应用。对于镁合金而言，若在传统的制备工艺中实现梯度材料的制备，不仅能大大提升变形镁合金的综合力学性能，还有利于促进镁合金的进一步广泛应用。

发明内容

针对现有存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法，采用传统挤压工艺中制备具有梯度组织的Mg-Mn系镁合金材料，解决现有工艺存在工艺复杂、设备要求高、成本高和效率低等问题。

为实现上述目标，本发明的主要技术方案如下：一种梯度结构镁合金板材的制备方法，所述镁合金包括以下重量百分含量的组分：Mn 1~10%，余量为镁和不可避免的杂质元素；

采用以下工艺制得：

1）将原材料混合、熔炼并浇注成型，得到合金块体；

2）将步骤1）得到的合金块体进行固溶处理，然后快速转移到水中进行淬火，对淬火后的合金块体进行机加工去除表面氧化层，再采用挤压模具进行挤压变形，空冷至室温，得到梯度结构镁合金板材；所述挤压模具为3级及以上梯度变形结构，其中梯度变形结构指挤压模具中挤压通道有3个及以上梯度变化的横截面。

作为优选的，还含有下列微量元素中的一种或几种，它们为钙（Ca）、锌（Zn）、铈（Ce）、钕（Nd）和钇（Y），按重量百分比计，总量为0-2%，不包括0。

作为优选的，杂质元素主要为铁、铜、镍、硅；按重量百分比计，每种杂质元素的含量不超过0.05%。

作为优选的，所述镁合金包括以下重量百分含量的组分：Mn 3~5%，余量为镁和不可避免的杂质元素。

作为优选的，所述传统挤压模具为3级梯度变形结构。

作为优选的，所述熔炼是在SF₆+CO₂的保护气氛下700~750℃处理。

作为优选的，所述固溶处理时，Mn元素在基体中达到极限固溶度。

作为优选的，所述固溶处理温度为450~550℃。

作为优选的，所述挤压成型的条件是：挤压温度为300~450℃，挤压比为10~100，挤压速度为0.1~60m/min。

作为优选的，所述板材厚度≥2mm。

本发明的另一个目的在于，提供一种采用上述方法得到的梯度结构镁合金板材。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明制备的梯度结构的镁合金板材，在挤压过程中，通过模具的多级变形结构，合金产生了梯度应变，具体表现为靠近模具表面的应变大，远离模具的应变小。同时，含Mn合金具有较好的变形能力，在较高的温度下变形时，不需要完全再结晶即可发生塑性变形；且过饱和的Mn元素，在挤压过程中会动态析出，产生钉扎作用，可以保留中心部分未再结晶区域。因此，在板材中心部分容易形成未再结晶的粗大变形晶粒，在板材表面则容易形成细小的等轴状细小晶粒。本发明通过成分设计和制备工艺的配合（需控制挤压模具形状、挤压工艺参数），实现了在常规挤压中制备出梯度材料的目的。

2、本发明通过利用传统挤压工艺和镁合金组分的精准设计，实现了传统挤压过程中的梯度应变，制备得到具有典型的晶粒尺寸呈现梯度分布的镁合金材料，能够有效提升镁合金的力学性能、改善各向异性。该方法选用了成本较低的Mn元素作为主要的合金化元素，不含大量昂贵的稀土元素，成本低，加工工艺简单，易于生产并且产品质量稳定，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为采用传统挤压模具制备梯度结构镁合金板材的结构示意图。

图2为实施例1制备镁合金板材的金相图。

图3为实施例1制备镁合金板材的工程应力-应变曲线。

图4为实施例2制备镁合金板材的金相图。

图5为实施例2制备镁合金板材的工程应力-应变曲线。

图6为实施例3制备镁合金板材的金相图。

图7为实施例4制备镁合金板材的金相图。

图8为对比例1制备镁合金板材的金相图。

图9为对比例2制备镁合金板材的金相图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

以下实施例所用的挤压模具是传统热挤压所用的模具，主要结构示意图如图1所示。在挤压过程中，通过挤压模具的3级变形结构，合金可以产生梯度应变，具体表现为靠近模具表面的应变大，远离模具的应变小，尤其是，在挤压模具出口处板材成形时，板材中心部分承受的应变小，而板材上下表面与模具表面发生直接接触，且挤压通道的横截面积变小，产生较大的应变。同样挤压模具具有3级以上的变形结构亦能使合金产生梯度应变，在此未一一列举。

实施例1

1）原料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和Mg-Ce中间合金，按照Mg-1Mn-0.5Ce配制。

2）在SF₆+CO₂的保护气氛下将原料进行熔炼，先将镁熔融后，待温度上升至720℃，加入Mg-Mn中间合金以及Mg-Ce中间合金，待中间合金熔化后，在720℃保温20分钟，然后进行浇注，浇注铁模预热至300℃，得到合金块体。

3）将步骤2）得到的合金块体在500℃进行固溶处理10h，固溶处理完成后在80℃水中进行淬火，然后将铸锭机加工至直径80mm，在420℃预热1.5h，进行挤压，挤压温度为350℃，挤压比为25：1，挤压速度为2m/min，得到厚度为3mm梯度结构镁合金板材。

将本实施例得到的板材在金相显微镜下观察，显微组织如图2所示，检测得到板材的力学性能，如图3所示。

从图中可以看出板材表面形成了细小晶粒的区域，随着深度的增加，逐渐过渡到变形大晶粒区域，形成了具有梯度结构的镁合金板材。具有这种组织的镁合金板材，表现出各向同性，有效的改善了镁合金各向异性较强的问题。

实施例2

原材料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金，按照Mg-3Mn-0.5Ca配制。挤压温度为350℃，挤压比为25：1，挤压速度为2m/min，其它工艺步骤同实施例1。

将本实施例得到的板材在金相显微镜下观察，其显微组织如图4所示，力学性能如图5所示。

从图中可以看出，所得镁合金板材，表面为细晶区，中心部分为较大的等轴晶，细晶区与粗晶区具有明显的过渡区，如图中虚线标注。同时，该合金具有较好的力学性能，屈服强度超过200MPa，抗拉强度接近300MPa，断裂伸长率接近20%。

实施例3

原材料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和纯Zn（99.5%），按照Mg-3Mn-0.5Zn配制。挤压温度为300℃，挤压比为25：1，挤压速度为2m/min，其它工艺步骤同实施例1。

将本实施例得到的板材在金相显微镜下观察，其显微组织如图6所示。

从图中可以看出，所得镁合金板材，表面为细晶区，中心部分为较大的变形粗晶粒，细晶区与粗晶区具有明显的过渡区，如图中虚线标注。

实施例4

原材料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和Mg-Nd中间合金，按照Mg-3Mn-0.5Nd配制，工艺步骤同实施例1。

将本实施例得到的板材在金相显微镜下观察，其显微组织如图7所示。

从图中可以看出，所得镁合金板材，表面为细晶区，中心部分为较大的变形粗晶粒，细晶区与粗晶区具有明显的过渡区，如图中虚线标注。

对比例1

原材料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金，按照Mg-0.5Mn-0.1Ca配制，工艺步骤同实施例1。

将本对比例得到的板材在金相显微镜下观察，其显微组织如图8所示。

从图中可以看出，该板材从内部到表层组织并未呈现梯度组织。这可能是由于Mn含量较低，固溶在基体中的Mn元素较少，对合金的变形能力的影响较小，同时，由于固溶Mn含量较少，动态析出的单质Mn颗粒也较少，对于再结晶过程中的钉扎作用减低，在较高温度下挤压时，容易造成晶粒长大，使得最终形成的晶粒组织为等轴晶粒，且晶粒尺寸较为粗大。而动态析出的Mn颗粒会有一定阻碍再结晶的作用，而动态析出的Mn较少时，对于再结晶的阻碍作用也较小，因此，内部也无法形成变形区域，即使在具有梯度应变的模具作用下，依旧无法形成梯度组织结构。

对比例2

原材料采用纯Mg（99.98%）、Mg-Mn中间合金和Mg-Ce中间合金，按照Mg-0.5Mn-0.5Ce配制，工艺步骤同实施例1。

将本对比例得到的板材在金相显微镜下观察，其显微组织如图9所示，该板材从内部到表层组织并未呈现梯度组织。与对比例1相同，Mn含量较少，固溶Mn元素对变形知己影响较小，且动态析出的Mn颗粒也较少，对动态再结晶的钉扎和阻碍的作用较小。使得Mg-0.5Mn-0.5Ce合金仍然无法在具有梯度应变的模具作用下形成梯度组织结构。由于Ce含量相对于对比例1中的Ca含量较高，且Ce为稀土元素，对于镁合金的动态再结晶行为也有一定的促进作用，因此，对比例2的晶粒尺寸相比与对比例1要细一些，然而，仍然无法形成梯度组织结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法，其特征在于，

1）采用纯度为99.98%的Mg、Mg-Mn中间合金和Mg-Ce中间合金，按照Mg-1Mn-0.5Ce配制；

2）在SF₆+CO₂的保护气氛下将原料进行熔炼，先将镁熔融后，待温度上升至720℃，加入Mg-Mn中间合金以及Mg-Ce中间合金，待中间合金熔化后，在720℃保温20分钟，然后进行浇注，浇注铁模预热至300℃，得到合金块体；

3）将步骤2）得到的合金块体在500℃进行固溶处理10h，固溶处理完成后在80℃水中进行淬火，然后将铸锭机加工至直径80mm，在420℃预热1.5h，采用挤压模具进行挤压变形，挤压温度为350℃，挤压比为25：1，挤压速度为2m/min，得到厚度为3mm的梯度结构镁合金板材；板材表面形成细小晶粒的区域，随着深度的增加，逐渐过渡到变形大晶粒区域，形成了具有梯度结构的镁合金板材；

所述挤压模具为3级及以上梯度变形结构。

2.一种具有梯度结构镁合金板材的制备方法，其特征在于，

原材料采用纯度为99.98%的Mg、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金，按照Mg-3Mn-0.5Ca配制；

2）在SF₆+CO₂的保护气氛下将原料进行熔炼，先将镁熔融后，待温度上升至720℃，加入Mg-Mn中间合金以及Mg-Ca中间合金，待中间合金熔化后，在720℃保温20分钟，然后进行浇注，浇注铁模预热至300℃，得到合金块体；

3）将步骤2）得到的合金块体在500℃进行固溶处理10h，固溶处理完成后在80℃水中进行淬火，然后将铸锭机加工至直径80mm，在420℃预热1.5h，采用挤压模具进行挤压变形，挤压温度为350℃，挤压比为25：1，挤压速度为2m/min，得到厚度为3mm的梯度结构镁合金板材；板材表面为细晶区，中心部分为较大的等轴晶，细晶区与粗晶区具有明显的过渡区；

所述挤压模具为3级及以上梯度变形结构。

3.根据权利要求1或2所述具有梯度结构镁合金板材的制备方法，其特征在于，所述板材厚度≥2mm。

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