CN112853186A - 一种细晶高强韧变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种细晶高强韧变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种细晶高强韧变形镁合金材料，镁合金为Mg‑Zn‑Ca‑Zr合金，化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％‑2.96％，Ca：0.56％‑1.78％，Zr：0.55％‑0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质。制备方法如下：步骤一、原材料预处理；步骤二、合金熔化处理；步骤三、铸锭制备；步骤四、固溶预处理；步骤五、塑性变形。本发明通过成分配比和制备方法得到的细晶高强韧变形镁合金的拉伸屈服强度为212‑302MPa，抗拉强度318‑342MPa，伸长率18.8％‑21.7％，平均晶粒尺寸为0.96‑1.51μm，其性能指标明显优于Mg‑Zn‑Zr合金。

Description

一种细晶高强韧变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种细晶高强韧变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有比重轻、比强度高、比刚度高、铸造性能好和优异的生物相容性等优点，在航空航天、汽车和生物医学领域显示出巨大的应用潜力。但是，低延展性和高屈服各向异性限制了它们的应用。塑性变形和合金化是两种改善镁合金组织和性能的有效方法。根据Hall-Petch(H-P)关系，晶粒细化被认为是提高金属强韧性的有效方法。与应用广泛的Al合金相比，Mg合金的Hall-Petch系数是Al合金的4.1倍，故通过晶粒细化来提高镁合金的强韧性，扩大其应用范围具有重要的实际意义。
目前，镁合金大多采用压铸成形，但压铸产品的塑性较差，其受外力时容易产生变形甚至断裂。一直以来，变形镁合金以其高强度和高塑性而被广泛研究。因此，开发高强韧镁合金及相应的加工方法对镁合金未来的发展具有重要意义。近年来，国内已开发出一些高强度和高塑性的镁合金。专利公开号：CN101892445A的专利公开一种高强镁合金，其合金成分(按质量百分数)为6％-13％Gd，2％-6％Y，0.3％-0.8％Zr，其抗拉强度大于600MPa，屈服强度大于540MPa，伸长率大于1％，但其需要采用非常规大塑性变形方法，且需进行20-100h的等温时效处理，制备工艺过程对生产条件要求较高，且含有大量稀土元素，这些都直接或间接增加了合金成本。专利公开号：CN108559898A的专利发明了一种高强韧镁合金，其合金成分(按质量百分数)为：5.5％-6.5％Zn，0.7％-1.4％Y，0.2％-1.0％Nd，0.2％-1.0％La，0.5％-0.8％Mn，余量为Mg，其室温抗拉强度大于420MPa，断后伸长率大于7％，虽然稀土添加量较少，但是合金的塑性还是不能满足更高的使用要求。采用稀土元素(RE)改善镁合金是当前研究的热点问题。然而，高成本和资源稀缺使得稀土元素在商业应用中大量使用是不可接受的。所以找到一种代替RE元素并获得良好强韧性效果的合金化元素显得尤为重要。一些非稀土元素如Cu和Ca等已被证实具有提高镁合金强韧性的作用。在这些元素中，Ca元素是唯一具有与RE元素相当的原子尺寸，同时又能满足改善合金性能要求，特别是含Ca镁合金被认为是未来最有希望的生物医用材料，但是含Ca镁合金晶粒比较粗大，变形能力差，强韧性较低是目前制约其应用的主要瓶颈。因此，开发出含Ca的低成本高强韧镁合金将具有重要的实用价值。
发明内容
发明目的
本发明针对现有Mg-Zn-Zr系合金的晶粒粗大且强韧性较低的弊端，提出一种细晶高强韧变形镁合金及其制备方法。
技术方案
一种细晶高强韧变形镁合金材料，镁合金为Mg-Zn-Ca-Zr合金，化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质。
一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，步骤如下：
步骤一、原材料预处理：采用Mg、Zn、Mg-20％Ca中间合金以及Mg-30％Zr中间合金为原材料，原材料化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质，原材料经表面打磨处理后，进行预热；
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉中进行熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到镁熔体中充分熔化并搅拌均匀，最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到熔体中充分熔化并搅拌均匀，降温并静置；
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热后的金属模具中，铸造成合金铸锭；
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行固溶预处理；
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在加热炉内将坯料加热；挤压模具进行加热，将坯料放入挤压模具并保温，接下来挤压剪切变形，得到细晶高强韧变形镁合金。
进一步的，所述步骤一中预热温度为100-150℃，预热时间为10-20min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
进一步的，所述步骤二中，Mg放入坩埚电阻炉中进行熔化的炉温为700-720℃，Mg放入坩埚电阻炉后，坩埚电阻炉从常温开始升温，升温速率为14-15.5℃/min；预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金在镁熔体中熔化的温度为700-720℃，保温时间为25-35min。搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；预热好的Mg-30％Zr中间合金在熔体中熔化的温度为700-720℃，保温时间为20-30min，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到680-700℃保温并静置5-10min。
进一步的，所述步骤二和步骤三是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
进一步的，所述步骤三中，金属模具的预热温度为190-210℃。
进一步的，所述步骤四中，固溶预处理的温度为380-400℃，时间为18-22h。
进一步的，所述步骤五中，加热炉内温度为380-400℃，坯料在加热炉内保温1-1.5h；挤压模具内温度为380-400℃，坯料在挤压模具内保温25-30min；挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25。
进一步的，所述挤压模具包括外炉壳和内模具，内模具设置于外炉壳的内部，外炉壳的上端并且位于内模具的正上方开有压头通过口，内模具的内侧设有竖直滑动腔，竖直滑动腔内设有能够竖直上下滑动的挤压垫块，竖直滑动腔的下端设有缩径内腔，缩径内腔的下端连接有L型挤压出料口，L型挤压出料口水平正对着的一侧外炉壳开有外炉壳出料口，外炉壳出料口将外炉壳的内部和外部连通，外炉壳的内侧壁上设有电阻丝，电阻丝位于内模具的外周侧和下侧，外炉壳插入有多根加热棒，加热棒同时还插入进了内模具；所述外炉壳和内模具皆为分体组合的结构，外炉壳通过外炉壳固定夹具组合固定，内模具通过内模具固定夹具组合固定。
进一步的，所述外炉壳位于外炉壳出料口的上侧和下侧分别开有第一横冷却流道和第二横冷却流道，第一横冷却流道和第二横冷却流道的两端是贯通外炉壳的，外炉壳位于外炉壳出料口的两侧分别开有第一竖冷却流道和第二竖冷却流道，第一竖冷却流道和第二竖冷却流道与第一横冷却流道和第二横冷却流道皆是连通的，并且第一竖冷却流道和第二竖冷却流道只贯通外炉壳的下端，第一竖冷却流道和第二竖冷却流道的下端通过封堵封闭，第一横冷却流道的一端通过封堵封闭，第二横冷却流道的另一端通过封堵封闭。
优点及效果
本发明通过成分配比和制备方法得到的细晶高强韧变形镁合金的拉伸屈服强度为212-302MPa，抗拉强度318-342MPa，伸长率18.8％-21.7％，平均晶粒尺寸为0.96-1.51μm，其性能指标明显优于Mg-Zn-Zr合金。
与现有技术相比，本发明以Mg-Zn-Zr合金为基础，通过添加Ca元素的合金化手段，并采用合适的制备工艺，能够使合金较大的挤压剪切变形，易于发生完全动态再结晶，形成细小的再结晶晶粒和变形晶粒组成的双峰结构，显著细化Mg-Zn-Ca-Zr合金的晶粒尺寸；同时，进行塑性变形以及剪切变形后纳米级第二相的钉扎作用，可以有效地抑制动态再结晶晶粒的长大，并且促进合金基体中第二相的动态析出，获得超细晶粒与纳米级沉淀相复合的强韧化效果，从而使合金获得更加优异的力学性能。
本发明的高强韧镁合金不添加任何稀土元素和高价合金元素，主加元素Zn、Ca和Zr，其来源广泛，成本低廉。此外，合金中的元素是人体所需元素，利于作为生物医用材料。
通过在Mg-Zn-Zr合金的基础上，加入一定量的Ca元素。Ca元素可形成稳定且高温性能较好的微米级Ca2Mg6Zn3相。结合挤压剪切的变形工艺，使微米级Ca2Mg6Zn3相在变形过程中能够促进动态再结晶，且剪切作用使微米级晶粒进一步转变为纳米级晶粒。同时，在剪切过程中，微米级Ca2Mg6Zn3相被破碎成纳米级Ca2Mg6Zn3相，其均匀钉扎在动态再结晶晶界以及促进MgZn相的动态析出，由于晶粒细化、纳米颗粒相强化和形变强化的综合作用，合金的强韧性得到显著提高。本发明合金的抗拉强度在340MPa以上，伸长率在21％以上，晶粒尺寸在1-1.5μm以下。本发明的合金成本较低且易于成形，制备过程简单易行，合金强韧化效果明显。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为实施例1变形态合金的EBSD显微组织照片；
图2为实施例2变形态合金的EBSD显微组织照片；
图3为实施例2变形态合金的TEM显微组织照片；
图4为实施例3变形态合金的EBSD显微组织照片；
图5为实施例1，2，3镁合金的室温拉伸试验应力应变曲线；
图6为挤压模具的正视结构示意图；
图7为挤压模具的正视半剖结构示意图；
图8为图7的右视并且A-A剖结构示意图；
图9为挤压模具的俯视结构示意图。
附图标记说明：1.外炉壳、2.内模具、3.加热棒、4.缩径内腔、5.L型挤压出料口、6.外炉壳出料口、7.电阻丝、8.挤压垫块、9.内模具固定夹具、10.外炉壳固定夹具、11.第一横冷却流道、12.第二横冷却流道、13.第一竖冷却流道、14.第二竖冷却流道、15.封堵、16.坯料、17.挤压机压头、18.压头通过口。
具体实施方式
一种细晶高强韧变形镁合金材料，镁合金为Mg-Zn-Ca-Zr合金，化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质。
一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，步骤如下：
步骤一、原材料预处理：采用Mg、Zn、Mg-20％Ca中间合金以及Mg-30％Zr中间合金为原材料，原材料化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质，原材料经表面打磨处理后，进行预热，预热温度为100-150℃，预热时间为10-20min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉，炉温从常温开始升温，升温速率为14-15.5℃/min，直到700-720℃熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到700-720℃的镁熔体中，保温时间为25-35min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到700-720℃的熔体中，保温时间为20-30min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到680-700℃保温并静置5-10min；步骤二的熔化过程皆是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热金属模具的预热温度为190-210℃后的金属模具中，在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下，铸造成合金铸锭。
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行温度为380-400℃，时间为18-22h的固溶预处理。
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在温度为380-400℃的加热炉内将坯料加热，保温1-1.5h；挤压模具加热到380-400℃，将坯料放入挤压模具并保温25-30min，接下来挤压剪切变形，挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25，得到细晶高强韧变形镁合金。得到的细晶高强韧变形镁合金的拉伸屈服强度为212-302MPa，抗拉强度318-342MPa，伸长率18.8％-21.7％，平均晶粒尺寸为0.96-1.51μm。
如图6、图7、图8和图9所示，优选的，步骤五所使用的挤压模具包括外炉壳1和内模具2，内模具2设置于外炉壳1的内部，外炉壳1的上端并且位于内模具2的正上方开有压头通过口18，外炉壳1和内模具2皆为分体组合的结构，外炉壳1通过外炉壳固定夹具10组合固定，内模具2通过内模具固定夹具9组合固定。内模具2的内侧设有竖直滑动腔，竖直滑动腔内涂有润滑油，竖直滑动腔内设有能够竖直上下滑动的挤压垫块8，竖直滑动腔的下端设有缩径内腔4，缩径内腔4的下端连接有L型挤压出料口5，L型挤压出料口5水平正对着的一侧外炉壳1开有外炉壳出料口6，外炉壳出料口6将外炉壳1的内部和外部连通，外炉壳1的内侧壁上设有电阻丝7，电阻丝7位于内模具2的外周侧和下侧，外炉壳1插入有多根加热棒3，加热棒3同时还插入进了内模具2；外炉壳1位于外炉壳出料口6的上侧和下侧分别开有第一横冷却流道11和第二横冷却流道12，第一横冷却流道11和第二横冷却流道12的两端是贯通外炉壳1的，外炉壳1位于外炉壳出料口6的两侧分别开有第一竖冷却流道13和第二竖冷却流道14，第一竖冷却流道13和第二竖冷却流道14与第一横冷却流道11和第二横冷却流道12皆是连通的，并且第一竖冷却流道13和第二竖冷却流道14只贯通外炉壳1的下端，第一竖冷却流道13和第二竖冷却流道14的下端通过封堵15封闭，第一横冷却流道11的一端通过封堵15封闭，第二横冷却流道12的另一端通过封堵15封闭。如图7所示坯料16位于挤压垫块8的下端，通过挤压机压头17下压挤压垫块8，将坯料16挤进缩径内腔4，进而从L型挤压出料口5出来，再进入外炉壳出料口6，在使用挤压模具的时候由第二横冷却流道12注入冷却流体(例如水)，流经第一竖冷却流道13、第二竖冷却流道14和第一横冷却流道11后流出，将外炉壳出料口6的一部分环绕冷却，进而能够降低挤压出来的镁合金周圈的环境温度，出口冷却有助于降低挤压工件的热效应，避免晶粒长大，然后镁合金从出料口6出来，即可得到高质量的细晶高强韧变形镁合金。
接下来选取三种合金成分Mg-2.91Zn-0.56Ca-0.57Zr(wt％)、Mg-2.96Zn-1.11Ca-0.55Zr(wt％)、Mg-2.78Zn-1.78Ca-0.58Zr(wt％)，最终挤压的棒材的直径20cm作为实施例。
实施例1
一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，步骤如下：
步骤一、原材料预处理：原材料Mg-2.91Zn-0.56Ca-0.57Zr(wt％)经表面打磨处理后，进行预热，预热温度为100℃，预热时间为10min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉，炉温从常温开始升温，升温速率为14℃/min，直到700℃熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到700℃的镁熔体中，保温时间为25min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间3min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到700℃的熔体中，保温时间为20min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间3min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到680℃保温并静置5min；步骤二的熔化过程皆是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热金属模具的预热温度为190℃后的金属模具中，在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下，铸造成合金铸锭。
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行温度为380℃，时间为18h的固溶预处理。
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在温度为380℃的加热炉内将坯料加热，保温1h；挤压模具加热到380℃，将坯料放入挤压模具并保温25min，接下来挤压剪切变形，挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25，得到细晶高强韧变形镁合金。
得到的细晶高强韧变形镁合金进行取样，加工成拉伸试样，进行室温拉伸试验。所得拉伸应力应变曲线如图5中所示，图1为本实施例得到的Mg-2.91Zn-0.56Ca-0.57Zr(wt％)合金的EBSD显微组织照片，组织呈现出由细小均匀的再结晶晶粒与粗大的未再结晶晶粒组成的双峰晶粒结构，合金的平均晶粒尺寸为0.99μm。
获得的铸件的成分如下表所示(质量百分比)：
Figure BDA0002890894140000101
测得合金的抗拉强度达到339MPa，屈服强度达到302MPa，延伸率18.8％。
实施例2
一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，步骤如下：
步骤一、原材料预处理：原材料原材料Mg-2.96Zn-1.11Ca-0.55Zr(wt％)经表面打磨处理后，进行预热，预热温度为125℃，预热时间为15min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉，炉温从常温开始升温，升温速率为15℃/min，直到710℃熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到710℃的镁熔体中，保温时间为30min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间4min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到710℃的熔体中，保温时间为25min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间4min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到690℃保温并静置7min；步骤二的熔化过程皆是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热金属模具的预热温度为200℃后的金属模具中，在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下，铸造成合金铸锭。
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行温度为390℃，时间为20h的固溶预处理。
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在温度为390℃的加热炉内将坯料加热，保温1.2h；挤压模具加热到390℃，将坯料放入挤压模具并保温27min，接下来挤压剪切变形，挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25，得到细晶高强韧变形镁合金。
得到的细晶高强韧变形镁合金进行取样，加工成拉伸试样，进行室温拉伸试验。所得拉伸应力应变曲线如图5中所示，图2为本实施例得到的Mg-2.96Zn-1.11Ca-0.55Zr(wt％)合金的EBSD显微组织照片，组织呈现出由细小均匀的再结晶晶粒组成的等轴晶，合金的平均晶粒尺寸为0.96μm。图3为本实施例得到的TEM显微组织照片，可以看出第二相钉扎在动态再结晶晶界。
获得的铸件的成分如下表所示(质量百分比)：
Figure BDA0002890894140000111
测得合金的抗拉强度达到342MPa，屈服强度达到230MPa，延伸率20.9％。
实施例3
一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，步骤如下：
步骤一、原材料预处理：原材料原材料Mg-2.78Zn-1.78Ca-0.58Zr(wt％)经表面打磨处理后，进行预热，预热温度为150℃，预热时间为20min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉，炉温从常温开始升温，升温速率为15.5℃/min，直到720℃熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到720℃的镁熔体中，保温时间为35min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到720℃的熔体中，保温时间为30min，充分熔化并搅拌均匀，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到700℃保温并静置10min；步骤二的熔化过程皆是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热金属模具的预热温度为210℃后的金属模具中，在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下，铸造成合金铸锭。
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行温度为400℃，时间为22h的固溶预处理。
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在温度为400℃的加热炉内将坯料加热，保温1.5h；挤压模具加热到400℃，将坯料放入挤压模具并保温30min，接下来挤压剪切变形，挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25，得到细晶高强韧变形镁合金。
得到的细晶高强韧变形镁合金进行取样，加工成拉伸试样，进行室温拉伸试验。所得拉伸应力应变曲线如图5中所示，图4为本实施例得到的Mg-2.78Zn-1.78Ca-0.58Zr(wt％)合金的EBSD显微组织照片，组织呈现出由细小均匀的再结晶晶粒组成的等轴晶，合金的平均晶粒尺寸为1.51μm。
获得的铸件的成分如下表所示(质量百分比)：
Figure BDA0002890894140000131
测得合金的抗拉强度达到318MPa，屈服强度达到212MPa，延伸率21.7％。
上述实施例中所用的原材料和设备均通过公知的途径获得，所用的操作工艺是本技术领域的技术人员所能掌握的。
三组实例的室温拉伸试验结果：
Figure BDA0002890894140000132
本发明优选在真空条件下，加热纯镁锭至熔化，加入合金化元素，溶解后通过电磁搅拌与机械搅拌结合并浇铸成锭，将得到的铸态镁合金进行均匀化退火，再进行挤压剪切变形，得到细晶高强韧变形镁合金。在挤压变形与剪切力共同作用下，晶粒被细化，第二相在剪切力作用下被破碎并钉扎在晶界。发明合金具有优异的室温力学性能，其抗拉强度318～342MPa，屈服强度为212～302MPa，延伸率18.8％～21.7％，晶粒尺寸0.96～1.51μm，合金表现出高的强韧性。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种细晶高强韧变形镁合金材料，其特征在于：镁合金为Mg-Zn-Ca-Zr合金，化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质。
2.一种细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一、原材料预处理：采用Mg、Zn、Mg-20％Ca中间合金以及Mg-30％Zr中间合金为原材料，原材料化学组成按质量百分比为：Zn：2.78％-2.96％，Ca：0.56％-1.78％，Zr：0.55％-0.58％，其余为Mg及不可避免的杂质，原材料经表面打磨处理后，进行预热；
步骤二、合金熔化处理：首先将预热好的Mg放入坩埚电阻炉中进行熔化，待Mg熔化后，去除镁熔体表面的杂质及氧化物，然后依次将预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金加入到镁熔体中充分熔化并搅拌均匀，最后将预热好的Mg-30％Zr中间合金加入到熔体中充分熔化并搅拌均匀，降温并静置；
步骤三、铸锭制备：将静置后的熔体浇注到预热后的金属模具中，铸造成合金铸锭；
步骤四、固溶预处理：将合金铸锭进行固溶预处理；
步骤五、塑性变形：将固溶预处理后的合金铸锭车削成符合挤压模具尺寸的坯料，并在加热炉内将坯料加热；挤压模具进行加热，将坯料放入挤压模具并保温，接下来挤压剪切变形，得到细晶高强韧变形镁合金。
3.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤一中预热温度为100-150℃，预热时间为10-20min；Mg和Zn的纯度皆大于等于99.95％。
4.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，Mg放入坩埚电阻炉中进行熔化的炉温为700-720℃，Mg放入坩埚电阻炉后，坩埚电阻炉从常温开始升温，升温速率为14-15.5℃/min；预热好的Zn和Mg-20％Ca中间合金在镁熔体中熔化的温度为700-720℃，保温时间为25-35min。搅拌方式为电磁搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A；预热好的Mg-30％Zr中间合金在熔体中熔化的温度为700-720℃，保温时间为20-30min，搅拌方式为先电磁搅拌再机械搅拌，电磁搅拌时间3-5min，搅拌频率30Hz，电压220V，电流100A，机械搅拌时间2min，搅拌速率600r/min，接下来降温到680-700℃保温并静置5-10min。
5.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二和步骤三是在99.5％N2和0.5％SF6的混合保护气体的保护下完成的。
6.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，金属模具的预热温度为190-210℃。
7.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，固溶预处理的温度为380-400℃，时间为18-22h。
8.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，加热炉内温度为380-400℃，坯料在加热炉内保温1-1.5h；挤压模具内温度为380-400℃，坯料在挤压模具内保温25-30min；挤压剪切速度为0.04m/min，挤压比为12.25。
9.根据权利要求2所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述挤压模具包括外炉壳和内模具，内模具设置于外炉壳的内部，外炉壳的上端并且位于内模具的正上方开有压头通过口，内模具的内侧设有竖直滑动腔，竖直滑动腔内设有能够竖直上下滑动的挤压垫块，竖直滑动腔的下端设有缩径内腔，缩径内腔的下端连接有L型挤压出料口，L型挤压出料口水平正对着的一侧外炉壳开有外炉壳出料口，外炉壳出料口将外炉壳的内部和外部连通，外炉壳的内侧壁上设有电阻丝，电阻丝位于内模具的外周侧和下侧，外炉壳插入有多根加热棒，加热棒同时还插入进了内模具；
所述外炉壳和内模具皆为分体组合的结构，外炉壳通过外炉壳固定夹具组合固定，内模具通过内模具固定夹具组合固定。
10.根据权利要求9所述的细晶高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述外炉壳位于外炉壳出料口的上侧和下侧分别开有第一横冷却流道和第二横冷却流道，第一横冷却流道和第二横冷却流道的两端是贯通外炉壳的，外炉壳位于外炉壳出料口的两侧分别开有第一竖冷却流道和第二竖冷却流道，第一竖冷却流道和第二竖冷却流道与第一横冷却流道和第二横冷却流道皆是连通的，并且第一竖冷却流道和第二竖冷却流道只贯通外炉壳的下端，第一竖冷却流道和第二竖冷却流道的下端通过封堵封闭，第一横冷却流道的一端通过封堵封闭，第二横冷却流道的另一端通过封堵封闭。
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