CN112322949B - 一种镁合金材料及包含该材料的部件和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种镁合金材料，包含如下质量百分数的组分：Al：3.5‑5.0％，Zn：2.0‑3.5％，Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.1‑0.8％，RE：0.01‑0.80％，Ca：0.001‑0.090％，其他不可避免的杂质元素，余量为镁，RE是稀土元素。该材料成本较低，力学性能优良，延展性好，加工性能优良，适合于大量规模化生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金材料，特别涉及一种高延展性中强度镁合金材料，同时还涉及使用该镁合金的部件，以及使用该部件的装置。
背景技术
镁合金作为实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度比刚度高、导热性好、电磁屏蔽及阻尼减震性能优、易于机加工、尺寸稳定等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。在轻量化大趋势下，航空航天、汽车、3C、轨道交通领域对低成本高性能镁合金材料的需求持续增长。
Mg-Al-Zn系合金因其良好的铸造性能、耐蚀性能及导热性能，成为目前商业化应用最广泛的一种镁合金。然而现有的Mg-Al-Zn系合金存在绝对强度低、延展性较差、塑性成形困难、各向异性严重的问题，难以满足航空航天、轨道交通等领域对结构材料综合性能的高要求，严重限制其更广泛更高端的应用。
近年来，通过在镁中引入稀土元素开发了具有较高力学性能的Mg-RE合金，申请号为200810230077.2的中国发明专利公开了一种高强度铸造镁合金及其熔制方法，通过添加Gd：8.1～11.5％，Y：1.0～4.5％，RE：0.01～3.0％的合金元素提高镁合金的强度。但添加较高含量的贵重稀土元素，其成本高，半连续铸造时易开裂、表面冷隔严重，加工时延展性较差，导致合金成材率低、成本显著增加。
因此，在保证较低材料成本的前提下，开发具有良好延展性和强度的变形镁合金，对进一步推广镁合金材料的应用具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种镁合金材料，特别是一种高延展性镁合金材料。该材料成本较低，力学性能优良，延展性好，加工性能优良，适合于大量规模化生产和应用。
本发明提供一种镁合金材料，包含如下质量百分数的组分：
Al：3.5-5.0％
Zn：2.0-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁。
所述的RE指的是稀土元素。
进一步地，所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％。
进一步地，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％。
进一步地，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％。
进一步地，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％。
进一步地，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％。
进一步地，所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％。
进一步地，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
进一步地，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
所述合金成分杂质总含量不超过0.04％。
本发明还提供一种镁合金部件，其特征在于，包含上述镁合金材料。
进一步地，上述的镁合金部件为镁合金板材，抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥20％。
本发明还提供一种装置，其特征在于包含上述镁合金部件。
所述装置优选为航空航天、汽车、3C、轨道交通等领域使用的装置。该装置的加工方法可以为锻造、挤压、轧制、冲压等众多方法中的一种或多种。
研究发现，Al元素添加在镁合金中，可形成β-Mg17Al12相，可提高合金室温强度；Zn的添加起到固溶强化作用，并降低Al在基体中的固溶度，促进时效过程β相的析出。
本发明将合金中Zn含量控制在2.0-3.5％之间，若Zn含量过低，固溶强化及促进β相析出的效果减弱，合金力学性能降低；Zn含量过高，半连续铸造时熔体流动性差，易出现热裂、疏松、冷隔等缺陷，难以制备大直径高品质锭坯，且对合金延展性及可成形性产生不利影响。
本发明将合金中Al含量与Zn含量总和控制在6-8％之间，其作用在于：Al+Zn含量过低，固溶强化效果差，时效过程析出的β相较少，合金力学性能显著降低；Al+Zn含量过高，热变形时易析出粗大球状β相，合金延展性及可成形性降低、易开裂。将Al+Zn控制在6-8％之间，既可保证合金具有较高的力学性能，同时具有良好的加工塑性。
本发明在Mg-Al-Zn系合金中添加微量(0.01-0.80％)RE元素，其作用包含以下几点：
1.稀土微合金化可提高合金力学性能，主要源于：(1)细化镁合金晶粒，实现细晶强化效果；(2)增加时效形核点，增大晶界扩散速率，促进β相在晶界形核并向晶内生长，改善时效强化效果；(3)Gd、Y在Mg中固溶度较高，且与Mg原子存在较大尺寸差异使镁晶格发生畸变，起到固溶强化效果。
2.RE的添加改变Mg基体层错能，促进塑性变形时非基面滑移的启动，提高合金延展性及可成形性，降低热加工过程的开裂风险。
3.RE的添加降低Mg-Al-Zn系变形合金的力学性能各向异性。镁合金具有密排六方晶体结构，强烈的变形织构是镁合金出现各向异性的主要原因。RE元素使合金热加工时的动态再结晶晶粒取向分布更随机，弱化变形织构。织构弱化可降低变形时晶粒间的应力集中，有利于材料延展性。
4.RE的添加使熔体表层生成致密氧化膜，隔绝与空气的接触，减少熔体的氧化及烧损，且RE在熔体中还可除Fe、Si、杂质等，达到净化熔体、提高铸锭质量的目的。
5.研究发现，在本合金体系中，通过微量的RE元素添加，便能实现较好的强化效果，确保优秀的加工性能。基于此发现，合理的控制RE元素的添加，既能提高合金性能，又能降低合金成本，有利于大规模的推广应用。
通过优化Al、Zn元素配比以及添加微量RE元素，合金的铸造性能、塑性加工性能和力学性能得到显著改善，同时保证了材料较低的成本。制备出直径200-350mm、长度≥4000mm的高品质半连续铸棒，通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度≥5000mm的板材，板材经时效热处理后的室温力学性能：抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥20％。
当制备工艺路线相同且6％≤Al+Zn≤8％，稀土微合金化的Mg-Al-Zn系合金相比于无稀土合金，室温抗拉强度提高10-20％、屈服强度提高15-30％、延伸率提高25-40％。
当制备工艺路线相同时，Al含量与Zn含量总和满足6％≤Al+Zn≤8％的合金室温强度及延展性明显优于Al+Zn＜6％的合金。
当制备工艺路线相同时，Al含量与Zn含量总和满足6％≤Al+Zn≤8％的合金室温强度、可成形性及延展性明显优于Al+Zn＞8％的合金。
有益效果
1.本发明提供的合金材料稀土元素添加量低，相比而言成本更低；
2.本发明提供的合金材料延伸率高，生产加工过程中不易开裂，成品率高，应用场景更广。
附图说明
图1本发明中实施例1合金光学显微组织。
图2本发明中对比例1合金光学显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整。这些都属于本发明的保护范围。
实施例所得产品的抗拉强度、屈服强度、延伸率参照GB/T228.1-2010标准执行。
实施例所得产品的光学显微组织图由金相显微镜测得。
实施例1：
镁合金的质量百分比成分为：Al：4.3％，Zn：2.8％，Mn：0.2％，Gd：0.53％，Ca：0.036％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0012％，Si：0.0015％，Cu：0.0006％，Ni：0.0009％，杂质总含量约为0.01％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效态样品的光学显微组织见附图1，可见晶粒均匀细小，β相在大部分晶界形核生长，时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
实施例2：
镁合金的质量百分比成分为：Al：3.5％，Zn：3.5％，Mn：0.4％，Y：0.20％，Ca：0.081％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0019％，Si：0.0092％，Cu：0.0007％，Ni：0.0005％，杂质总含量为0.018％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
实施例3：
镁合金的质量百分比成分为：Al：4.3％，Zn：3.2％，Mn：0.1％，Y：0.46％，Ca：0.004％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.003％，Si：0.0017％，Cu：0.0007％，Ni：0.0008％，杂质总含量为0.022％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
实施例4：
镁合金的质量百分比成分为：Al：5％，Zn：2.8％，Mn：0.3％，Gd：0.08％，Ca：0.017％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0014％，Si：0.0065％，Cu：0.0005％，Ni：0.0004％，杂质总含量为0.02％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径320mm、长度4500mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为686℃，拉锭速度为50mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为29，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
实施例5：
镁合金的质量百分比成分为：Al：4.5％，Zn：2.0％，Mn：0.5％，Gd：0.21％，Y：0.51％，Ca：0.06％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.002％，Si：0.0083％，Cu：0.0009％，Ni：0.0006％，杂质总含量为0.039％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径320mm、长度4500mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为685℃，拉锭速度为50mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为29，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
实施例6：
镁合金的质量百分比成分为：Al：4.0％，Zn：2.9％，Mn：0.6％，Gd：0.29％，Y：0.06％，Ca：0.007％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0028％，Si：0.0055％，Cu：0.0002％，Ni：0.0005％，杂质总含量为0.024％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径320mm、长度4500mm的铸锭，稳定浇铸时炉内熔体温度为686℃，拉锭速度为50mm/min。通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，均匀化退火工艺为：420℃保温15h，塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为29，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表1所示。
比较例1：
镁合金的质量百分比成分为：Al：4.1％，Zn：3.0％，Mn：0.5％，Ca：0.028％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0023％，Si：0.005％，Cu：0.0012％，Ni：0.001％，杂质总含量为0.031％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，半连铸稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min，均匀化退火工艺为：420℃保温15h。塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效态样品的光学显微组织见附图2，可见晶粒较实施例1更加粗大且尺寸不均匀，β相数量减少，时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表2所示。由表可知，比较例1镁合金未添加RE元素，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率均明显低于实施例1-6。
比较例2：
镁合金的质量百分比成分为：Al：3.8％，Zn：2.0％，Mn：0.3％，Gd：0.55％，Ca：0.056％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0017％，Si：0.0088％，Cu：0.0009％，Ni：0.0021％，杂质总含量为0.02％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，半连铸稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min，均匀化退火工艺为：420℃保温15h。塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表2所示。挤压板材在210℃保温8h时效处理。由表可知，比较例2镁合金中Al+Zn＜6％，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率均明显低于实施例1-6。
比较例3：
镁合金的质量百分比成分为：Al：3.6％，Zn：2.1％，Mn：0.5％，Gd：0.12％，Y：0.19％，Ca：0.066％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.0011％，Si：0.0025％，Cu：0.0006％，Ni：0.0008％，杂质总含量为0.02％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径320mm、长度4500mm的铸锭，通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度9000mm的板材，半连铸稳定浇铸时炉内熔体温度为685℃，拉锭速度为50mm/min，均匀化退火工艺为：420℃保温15h。塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为29，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表2所示。由表可知，比较例3镁合金中Al+Zn＜6％，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率均明显低于实施例1-6。
比较例4：
镁合金的质量百分比成分为：Al：5.0％，Zn：3.3％，Mn：0.3％，Y：0.42％，Ca：0.026％，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe：0.002％，Si：0.0065％，Cu：0.0007％，Ni：0.0018％，杂质总含量为0.019％，余量为Mg。
该合金经半连续铸造得到直径270mm、长度5000mm的铸锭，通过均匀化退火及塑性加工制备出截面尺寸220×11mm、长度8000mm的板材，半连铸稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为55mm/min，均匀化退火工艺为：420℃保温15h。塑性加工采用挤压的方式，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温15min后进行挤压，挤压比为20，挤压速度1.4mm/s。挤压板材在210℃保温8h时效处理。时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如表2所示。由表可知，比较例4镁合金中Al+Zn＞8％，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率均低于实施例1-6。
表1实施例镁合金室温力学性能
| 实施例 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 1 | 337 | 247 | 21.6 |
| 2 | 335 | 243 | 22.4 |
| 3 | 338 | 249 | 20.7 |
| 4 | 342 | 254 | 22.8 |
| 5 | 343 | 250 | 21.9 |
| 6 | 339 | 248 | 23.3 |
表2比较例镁合金室温力学性能
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种镁合金材料，其特征在于：包含如下质量百分数的组分：
Al：3.5-5.0％
Zn：2.8-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁，
所述RE指的是稀土元素，
所述稀土元素为Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％，当所述稀土元素为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd∶Y＝(0.01-100)∶1；
所述其他不可避免的杂质元素包含Fe、Si、Cu和Ni，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质元素总含量不超过0.1％。
2.如权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％。
3.如权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％。
4.如权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％。
5.如权利要求1-4所述的镁合金材料，其特征在于：所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％，所述杂质元素总含量不超过0.04％。
6.一种镁合金部件，其特征在于：采用权利要求1-5中任一项所述的镁合金材料。
7.一种装置，其特征在于：包含如权利要求6所述的镁合金部件。
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