CN112481534A - 一种镁合金薄板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种镁合金薄板的制备方法，选用的镁合金质量百分比成分为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。针对新型的Mg‑Al‑Zn合金体系，开发出与之匹配的轧制工艺，制备出了低各向异性中高强度的镁合金薄板，对推广镁合金的产业化应用具有重要的意义。

Description

一种镁合金薄板及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及到一种镁合金薄板的制备方法，以及由该方法制备得到的镁合金薄板。
背景技术
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为铝合金的2/3、钢铁的1/4，同时镁合金具有比强度比刚度高、导热性好、电磁屏蔽及阻尼减震性能优、易于机加工等优势。镁合金由于具有显著的低密度特征，是一种理想的轻量化结构材料，在航空航天、汽车、轨道运输、3C等领域具有非常广大的市场。
但是纯镁绝对强度偏低，通常需要采用合金化的方法，向纯镁中添加Al、Zn、Ca、Mn或稀土元素等合金化元素来增加纯镁的强度，如向纯镁中加入适当含量的Al、Zn元素能有效提高镁合金的力学性能和加工性能，这也是Mg-Al-Zn系镁合金成为最常用商用镁合金的重要原因之一，但合金元素Al、Zn的比例对镁合金力学性能及加工变形的影响很大。
通过前期研究发现通过调节Al、Zn元素的含量，并向其中加入Gd、Y等稀土元素，可以得到一种新型高延展性中强镁合金，经过变形加工后抗拉强度、屈服强度、延伸率等性能优异，且成本较低，性价比高。
轧制是镁合金板材，尤其是大宽幅薄板材的主要生产方式。而轧制板材沿轧制方向存在明显的轧制织构，导致板材各向异性突出，影响板材的后续加工使用。且针对不同的合金体系，轧制工艺区别较大，轧制工艺的细微差别对于产品的性能影响巨大。因此，针对新型的Mg-Al-Zn合金体系，开发出与之匹配的轧制工艺，制备出了低各向异性中高强度的镁合金薄板，对推广镁合金的产业化应用具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种针对新型Mg-Al-Zn合金体系的镁合金薄板轧制工艺，解决了板材成型过程中各向异性严重、易开裂的问题，为后续使用提供品质保证。
本发明提供一种镁合金薄板的制备方法，选用的镁合金质量百分比成分为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。
制备过程包括以下步骤：
1.采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后加工得到锭坯；
3.锭坯在350-420℃进行挤压开坯，下料得到方坯；
4.方坯在350-450℃进行多道次、多向、大压下量热轧，得到镁合金轧板；
5.镁合金轧板在170-220℃保温3-15h热压平处理，冷却。
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％。
进一步地，步骤(1)中得到直径Φ220-330mm、长度大于4000mm的镁合金铸棒。
进一步地，步骤(2)中在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ200-300mm、长度400-700mm的锭坯。
进一步地，步骤(3)中的开坯方式为挤压开坯。
进一步地，步骤(3)开坯下料得到的轧制用方坯厚度为10-30mm，长度为200-500mm，宽度为100-300mm。
进一步地，步骤(4)中得到厚度0.8-8mm、宽度200-500mm的镁合金薄板材。
进一步地，冷却方式为空冷。
本发明长时间热压平处理，是为了在压平轧板的同时对其进行时效处理，保证板材平整度同时减小板材残余应力、提高力学性能。镁板终轧方向和横向室温抗拉强度≥320MPa、屈服强度≥220MPa、延伸率≥18％，两方向屈服强度差值≤20MPa。
步骤(4)的热轧为多道次、多向、大压下量的轧制。多道次是指超过2次轧制，最终轧制道次是根据最终的产品需求进行选择，对于更薄的板材，一般轧制道次更多，对于本领域技术人员而言可以根据需要选择。多向轧制是指纵向、横向和45°方向两个或三个方向不停地换向轧制。
所述步骤(4)在热轧前将坯料在350-450℃保温1-3h进行预热处理。
所述步骤(4)热轧的大压下量为20-50％，每道次之间轧板回炉保温时间为15-60min。
所述步骤(4)多向热轧是方坯沿长向和宽向多次变换方向，交替轧制。
所述步骤(4)热轧轧辊加热温度为120-300℃，热轧的轧制速度在15-30m/min。
本发明还提供一种镁合金薄板，由上述的方法制备得到。
有益效果
1、针对一种新型稀土微合金化Mg-Al-Zn系合金，首次提出该合金薄板材的轧制成形工艺，解决了镁合金宽幅薄板轧制困难、各向异性严重的技术难题。
2、本发明将合金中Al含量控制在3.5-5.0％、Zn含量控制在2.0-3.5％，其总和控制在6-8％之间。其作用在于1)Al元素添加在镁合金中可形成β-Mg17Al12相，提高合金室温强度；Al含量过高时沿晶界析出粗大β-Mg17Al12，降低合金塑性，不利于薄板的轧制成型。2)Zn的添加在镁合金中起到固溶强化作用，同时可以提高杂质元素的容许极限，减小杂质的不利影响；Zn含量过高会降低合金的耐蚀性能，限制合金后续的应用。因此Al+Zn含量过低，合金力学性能显著降低；Al+Zn含量过高，合金塑性和耐腐蚀性能变差，不利于薄板的制备和后续使用。故将Al+Zn控制在6-8％之间，既可保证合金具有较高的力学性能，同时具有良好的塑性变形能力和耐腐蚀性能。
3、稀土微合金化可改善Mg-Al-Zn系合金力学性能和塑性加工性能，同时保证较低的材料成本。RE元素对力学性能的提高主要源于：(1)细化镁合金晶粒，实现细晶强化；(2)稀土和合金中的其他元素形成新的析出相，实现析出强化；(3)稀土由于其特殊的化学特性，对合金溶体起到净化作用，降低杂质元素对合金质量的影响，提高合金力学性能和耐腐蚀性能；(4)Gd、Y在固溶α-Mg晶体中，实现固溶强化。此外，添加RE元素能弱化镁合金再结晶晶粒的一致性取向，从而弱化轧制织构，降低板材各向异性。
4、基于合金优良的加工塑性，本发明采用多向、大压下量的轧制工艺。多向轧制可以弱化织构，降低板材的各向异性，同时保证各方向变形的均匀性，提高板材质量；大压下量可以提高轧制过程中板材表面和心部变形的均匀性，使晶粒显著细化且尺寸更加均匀，提高板材力学性能和各向同性。
附图说明
图1为本发明成形工艺制备的板材。
图2为本发明成形工艺制备的板材。
图3为本发明成形工艺制备的板材。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例所制备产品的抗拉强度、屈服强度、伸长率参照GB/T228.1-2010标准执行。
实施例1
以Mg-5Al-2.8Zn-0.3Mn-0.017Ca-0.08Gd(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为685℃，拉锭速度为60mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ245mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成220mm宽，11mm厚的坯料，然后锯切成350mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1mm/s；
4.方坯在400℃保温1h，轧辊温度加热到200℃，轧制速度25m/min，经过9道次轧制，得到0.8mm厚、320mm宽、长1600mm的薄板材，压下量分别为18.2％、16.7％、20.0％、25％、33.4％、33.4％、30％、28.6％和20.0％，前4道次为多向轧制，后5道次为单向轧制，道次间退火工艺为400℃保温25min；
5.轧制板材在210℃保温5h热压平处理后，如图1所示，板材沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例2
以Mg-5Al-2.8Zn-0.3Mn-0.017Ca-0.08Gd(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为685℃，拉锭速度为60mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ245mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成220mm宽，11mm厚的坯料，然后锯切成330mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1mm/s；
4.方坯在420℃保温1h，轧辊温度加热到170℃，轧制速度15m/min，经过5道次轧制，得到2mm厚、300mm宽、长600mm的薄板材，压下量分别为18.2％、22.2％、33.4％、28.6％和20.0％，前3道次为多向轧制，后2道次为单向轧制，道次间退火工艺为420℃保温20min；
5.轧制板材在180℃保温10h热压平处理后，如图2所示，板材沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例3
以Mg-3.8Al-2.2Zn-0.5Mn-0.009Ca-0.8Y(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ330mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为690℃，拉锭速度为50mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ300mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成200mm宽，20mm厚的坯料，然后锯切成320mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1.2mm/s；
4.方坯在380℃保温1.5h，轧辊温度加热到150℃，轧制速度20m/min，经过4道次轧制，得到6mm厚、400mm宽、长500mm的薄板材，压下量分别为15.0％、41.2％、25.0％和20.0％，所有道次均为多向轧制，道次间退火工艺为380℃保温40min；
5.轧板在220℃保温8h热压平处理后，如图3所示，板材沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
对比例1
以Mg-3.8Al-2.2Zn-0.5Mn-0.009Ca-0.8Y(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ330mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为690℃，拉锭速度为50mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ300mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成200mm宽，20mm厚的坯料，然后锯切成320mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1.2mm/s；
4.方坯在380℃保温1.5h，轧辊温度加热到150℃，轧制速度20m/min，经过7道次轧制，得到6mm厚、400mm宽、长500mm的薄板材，压下量分别为15.0％、17.6％、14.3％、16.7％、18.0％、12.2％和16.7％，所有道次均为多向轧制，道次间退火工艺为380℃保温40min；
5.轧板在250℃保温8h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
对比例2
以Mg-3.8Al-2.2Zn-0.5Mn-0.009Ca-0.8Y(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ330mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为690℃，拉锭速度为50mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ300mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成200mm宽，20mm厚的坯料，然后锯切成320mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1.2mm/s；
4.方坯在380℃保温1.5h，轧辊温度加热到150℃，轧制速度20m/min，经过4道次轧制，得到6mm厚、310mm宽、长620mm的薄板材，压下量分别为15.0％、41.2％、25.0％和20.0％，所有道次均为单向轧制(沿方坯200mm宽的方向)，道次间退火工艺为380℃保温40min；
5.轧板在220℃保温8h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
对比例3
以Mg-3.5Al-1.4Zn-0.6Mn-0.02Ca(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ330mm，长度5000mm的镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为690℃，拉锭速度为50mm/min；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ300mm，长度600mm的锭坯，均匀化退火工艺为：410℃保温15h；
3.锭坯挤压成200mm宽，20mm厚的坯料，然后锯切成320mm长的轧制方坯，挤压温度为380℃，挤压速度1.2mm/s；
4.方坯在380℃保温1.5h，轧辊温度加热到150℃，轧制速度20m/min，经过4道次轧制，得到6mm厚、400mm宽、长500mm的薄板材，压下量分别为15.0％、41.2％、25.0％和20.0％，所有道次均为多向轧制，道次间退火工艺为380℃保温40min；
5.轧板在220℃保温8h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
表1实施例/对比例中板材室温拉伸力学性能
Figure BDA0002761268360000101
Figure BDA0002761268360000111
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 (10)

1.一种镁合金薄板的制备方法，其特征在于：选用的镁合金质量百分比成分为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；
制备过程包括以下步骤：
(1)采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
(2)铸棒均匀化退火后加工得到锭坯；
(3)锭坯在350-420℃进行挤压开坯，下料得到方坯；
(4)方坯在350-450℃进行多道次、多向、大压下量热轧，得到镁合金轧板；
(5)镁合金轧板在170-220℃保温3-15h热压平处理，冷却。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金成分质量百分比Al：4.0-5.0％，Zn：2.0-3.0％，Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.2-0.6％，RE：0.05-0.50％，Ca：0.002-0.060％；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％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，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。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中得到直径Φ220-330mm、长度大于4000mm的镁合金铸棒，步骤(2)中在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ200-300mm、长度400-700mm的锭坯，步骤(3)开坯下料得到厚度10-30mm、长度200-500mm、宽度100-300mm的轧制用方坯。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中得到厚度0.8-8mm、宽度200-500mm的镁合金薄板材。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)在热轧前将坯料在350-450℃保温1-3h进行预热处理。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)热轧的大压下量为20-50％，每道次之间轧板回炉保温时间为15-60min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)多向热轧是方坯沿长向和宽向多次变换方向，交替轧制。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)热轧轧辊加热温度为120-300℃，热轧的轧制速度在15-30m/min。
10.本发明还提供一种镁合金薄板，由权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到。
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