CN113249626A - 一种镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法 - Google Patents

一种镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法，镁合金按质量计包括以下组分：锡0.2wt.％～0.8wt.％、钇1.7wt.％～2.3wt.％、余量为镁；加工方法包括以下步骤：步骤1：按质量比配料，进行熔炼；步骤2：将步骤1得到的熔浆进行浇注得到铸锭；步骤3：将步骤2得到的铸锭进行热处理；步骤4：将步骤3得到的铸锭进行一次热挤压；步骤5：将步骤4得到的产品进行二次热挤压，即可得到所需镁合金；本发明中的镁合金通过二次挤压，得到的Mg‑Sn‑Y合金晶粒细小、析出相Sn3Y5含量较多且分布较广；本发明中的镁合金通过二次挤压成型有效改善了合金的拉压不对称性，在低成本的基础上，拓展了变形镁合金的工业应用领域。

Description

一种镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法
技术领域
本发明涉及镁合金技术领域，具体涉及一种镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法。
背景技术
镁及镁合金由于具有密度低、比刚度比强度高、优异的阻尼减震性能、环保节能等优点，被誉为“21世纪绿色工程结构材料”。虽然镁及其合金已成功应用于自动化工业、航空工业以及电子3C等领域。但因其自身特殊的HCP结构，导致了它具有不同的力学性能。通常，变形镁合金在室温拉伸和压缩时的力学性能显著不同，如压缩屈服强度通常低于拉伸屈服强度，从而表现出拉压不对称性(CYS/TYS＜1)。这对于需要较好成形性以及某些关键应用领域中使用的部件来说十分不利。
Mg-Sn基合金凝固区间较小，可有效减少铸造缺陷，因而Mg-Sn基合金的铸造性能及高温力学性能优良，且拥有廉价、节约成本等特点，从而具有良好的工业应用前景。而稀土元素钇的加入可以显著弱化镁合金中的织构，细化晶粒，也会形成“稀土织构”，有效提高镁合金的塑形、成形性和强度。在某些特定的情境下，钇元素添加到某一适宜的含量时，该合金材料甚至会产生反拉压屈服不对称性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种使得合金在室温下呈现出拉压对称的镁合金及改善其拉压不对称性的加工方法。
本发明采用的技术方案是：
一种镁合金，按质量计包括以下组分：锡0.2wt.％～0.8wt.％、钇1.7wt.％～2.3wt.％、余量为镁。
一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；
步骤2：将步骤1得到的熔浆进行浇注得到铸锭；
步骤3：将步骤2得到的铸锭进行热处理；
步骤4：将步骤3得到的铸锭进行一次热挤压；
步骤5：将步骤4得到的产品进行二次热挤压，即可得到所需镁合金。
进一步的，所述步骤1中配料为工业纯镁Mg、工业纯锡Sn和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt％；
熔炼过程如下：
将配料在150～200℃条件下的烘干箱中烘干，待熔炼炉内温度达到500℃时，加入镁锭并通入保护气；升温至720～730℃，使镁锭熔化；然后依次加入Mg-Y中金合金和含量为99wt.％Sn块，合金完全熔化后搅拌使合金元素分布均匀，静置10～15min。
进一步的，所述保护气为CO2和SF6以体积比为99:1构成的混合保护气。
进一步的，所述步骤2中浇筑过程如下：
将步骤1中熔炼后的合金，捞渣后，在温度为700～710℃条件下进行浇注。
进一步的，所述步骤3中的热处理条件如下：
热处理温度为400～420℃，热处理时间为8～10h。
进一步的，所述步骤4中一次热挤压温度为450℃；步骤5中二次热挤压温度为400℃。
进一步的，所述步骤2中的铸锭为直径为90mm的圆铸锭；经一次热挤压后直径为30mm；经二次热挤压后直径为10mm。
进一步的，所述步骤4和步骤5中挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的镁合金通过二次挤压，得到的Mg-Sn-Y合金晶粒细小、析出相Sn3Y5含量较多且分布较广；
(2)本发明中的镁合金通过二次挤压成型，得到的合金在室温下进行力学性能测试时，以二次挤压态Mg-0.5Sn-2Y(wt.％)为例，两者比值达到1.36，表现出拉压反对称的现象，即CYS/TYS＞1，在低成本的基础上，拓展了变形镁合金的工业应用领域。
附图说明
图1为实施例4得到镁合金的显微组织图，a为步骤4得到镁合金的背散射扫描电子图，b、c分别为a对应的显微组织的XRD图和扫点图；d为步骤5得到镁合金的背散射扫描电子图，e、f分别为d对应的1、2的扫点图。
图2为实施例4得到镁合金在室温下进行拉伸或压缩时对应的真应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.2wt％～0.8wt％、钇1.7wt％～2.3wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。
熔炼过程如下：
采用钢刷打磨去除原材料表层氧化皮，将原料、坩埚及金属模具等工具在150～200℃的预热炉中进行烘干。待熔炼炉温度达到500℃后，加入纯镁锭，放置于井式电阻炉的坩埚中。并通入CO2和SF6以体积比为99:1构成的混合保护气。将电阻炉升温至720～730℃，使镁锭完全熔化。然后按照合金比例依次加入纯Mg-30Y中间合金和含量为99wt.％Sn块，待合金完全熔化后进行搅拌使合金元素分布均匀，再静置10～15min。
步骤2：将步骤1得到的熔浆进行浇注得到铸锭；将电阻炉断电，捞渣，待温度降至700～710℃左右进行浇注，得到直径为90mm的圆铸锭。
步骤3：将步骤2得到的铸锭进行热处理；将铸锭在400～420℃进行8～10h的均匀化热处理，再空冷至室温。
步骤4：将步骤3得到的铸锭进行一次热挤压；在450℃进行一次热挤压，得到直径30mm的长圆棒。挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
步骤5：将步骤4得到的产品进行二次热挤压，即可得到所需镁合金。在400℃进行二次热挤压，获得直径为10mm的圆棒，挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
实施例1
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.2wt％、钇1.7wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
熔炼过程如下：
采用钢刷打磨去除原材料表层氧化皮，将原料、坩埚及金属模具等工具在150～200℃的预热炉中进行烘干。随后将纯镁锭放置井式电阻炉内坩埚中。并通入CO2和SF6以体积比为9:1构成的混合保护气。将电阻炉升温至720～730℃，使镁锭完全熔化。然后按照合金比例依次加入纯Sn和Mg-30Y中间合金，待合金完全熔化后进行搅拌使合金元素分布均匀，再静置10～15min。
步骤2：将步骤1得到的熔浆进行浇注得到铸锭；将电阻炉断电，捞渣，待温度降至700～710℃左右进行浇注，得到直径为90mm的圆铸锭。
步骤3：将步骤2得到的铸锭进行热处理；将铸锭在400～420℃进行8～10h的均匀化热处理，再空冷至室温。
步骤4：将步骤3得到的铸锭进行一次热挤压；在450℃进行一次热挤压，得到直径30mm的长圆棒。挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
步骤5：将步骤4得到的产品进行二次热挤压，即可得到所需镁合金。在400℃进行二次热挤压，获得直径为10mm的圆棒，挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
实施例2
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.3wt％、钇1.8wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
实施例3
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.4wt％、钇1.9wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
实施例4
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.5wt％、钇2wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
图1为实施例4得到镁合金的显微组织图，a为步骤4得到镁合金的背散射扫描电子图，b、c分别为a对应的显微组织的XRD图和扫点图；d为步骤5得到镁合金的背散射扫描电子图，e、f分别为d对应的1、2的扫点图。显微组织观察的面对应为ED-TD面(该面法线垂直于挤压方向ED)
从图1a中可以看出一次挤压态合金的组织为均匀的等轴晶粒，析出相分布于晶内以及晶界处。从b、c可以看出Sn和Y的原子比为3:5。说明Mg-Sn-Y合金的析出相主要为高温热稳定相Sn3Y5。
从图1d可以看出二次挤压后的显微组织图，与一次挤压的组织相比，二次挤压后的组织更加均匀，晶粒细化显著，且析出相存在两种，一种为粗大的第二相组织，另一种为细小颗粒状的析出相。由于析出相对晶体内位错的滑移具有阻碍作用，因而会产生析出相强化作用，从而使合金的强度及塑性极大地得到提升。
图2为本实施例得到的挤压态合金在室温下进行拉伸或压缩时对应的真应力-应变曲线图。进行力学性能测试前需要先打磨试样，将试样表面磨至光亮，防止试样表面的氧化膜存在对力学测试结果产生影响。
表1.为Mg-0.5Sn-2Y(wt.％)挤压态合金在室温下进行力学性能测试时得到的数据结果。
表1
Figure BDA0003063564320000051
从图2和表1可以看出，经过二次挤压可以显著改善镁合金的拉压不对称性。一次挤压得到的合金CYS/TYS＝0.76，而经过二次挤压得到的合金CYS/TYS＝1.35。
实施例5
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.6wt％、钇2.1wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
实施例6
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.7wt％、钇2.2wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
实施例7
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.8wt％、钇2.3wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
对比例1
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为锡0.5wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
对比例2
改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，步骤如下：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；镁合金中各组分比例为钇2wt％、余量为镁。其中原料为采用的是99.9wt.％工业纯镁，锡采用的是99.9wt.％纯锡和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt.％。由于工艺条件的限制，实际合金中可能还存在一些不可避免的杂质。
其他步骤同实施例1。
将各个实施例和对比例得到的挤压合金进行室温力学性能测试，统计其压缩屈服强度及拉伸屈服强度(MPa)，测试结果如表2所示。
表2
晶粒尺寸(μm) CYS(MPa) TYS(MPa) CYS/TYS
实施例1 13 185 192 0.96
实施例2 14 197 185 1.06
实施例3 8 210 178 1.18
实施例4 4 228 169 1.35
实施例5 6 229 180 1.27
实施例6 7 234 182 1.28
实施例7 9 220 190 1.16
对比例1 23 64 101 0.63
对比例2 12 141 135 1.04
从表2可以看出，Sn含量为0.4-0.8wt.％，Y含量为1.9-2.3wt.％的镁合金表现出明显的晶粒细化和拉压对称甚至拉压反对称的现象。这是由于当合金元素Sn、Y比例在该范围内，晶粒细化明显，同时抑制了孪晶的形成，Sn3Y5相与α-Mg基体间存在良好的界面匹配关系，有利于热挤压过程中Sn3Y5相作为异质形核的核心，从而增加形核率促进动态再结晶实现晶粒细化。同时适量稀土Y元素的加入，使得合金的织构发生弱化，晶粒的各向异性明显减弱，而过多的Sn含量或Y含量都使稀土元素Y的弱化织构效果不显著，晶粒细化的作用不明显。
挤压工艺可以使塑性能力较差的合金，发挥其最大的塑性，有效细化镁合金的晶粒组织，提高镁合金的强度以及塑性。本发明通过二次挤压成型，可以进一步细化组织，弱化变形镁合金织构，抑制孪晶的产生，使得拉伸孪晶难以启动，进而改善镁合金拉压不对称性。本发明方法具有十分重要的现实意义，能够极大的扩展镁合金的应用领域。

Claims (9)

1.一种镁合金，其特征在于，按质量计包括以下组分：锡0.2wt.％～0.8wt.％、钇1.7wt.％～2.3wt.％、余量为镁。
2.一种改善如权利要求1所述镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按质量比配料，进行熔炼；
步骤2：将步骤1得到的熔浆进行浇注得到铸锭；
步骤3：将步骤2得到的铸锭进行热处理；
步骤4：将步骤3得到的铸锭进行一次热挤压；
步骤5：将步骤4得到的产品进行二次热挤压，即可得到所需镁合金。
3.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤1中配料为工业纯镁Mg、工业纯锡Sn和Mg-Y中金合金，Mg-Y中金合金中Y的质量分数为30wt％；
熔炼过程如下：
将配料在150～200℃条件下的烘干箱中烘干，待熔炼炉内温度达到500℃时，加入镁锭并通入保护气；升温至720～730℃，使镁锭熔化；然后依次加入Mg-Y中金合金和含量为99wt.％Sn块，合金完全熔化后搅拌使合金元素分布均匀，静置10～15min。
4.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述保护气为CO2和SF6以体积比为99:1构成的混合保护气。
5.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤2中浇筑过程如下：
将步骤1中熔炼后的合金，捞渣后，在温度为700～710℃条件下进行浇注。
6.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤3中的热处理条件如下：
热处理温度为400～420℃，热处理时间为8～10h。
7.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤4中一次热挤压温度为450℃；步骤5中二次热挤压温度为400℃。
8.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤2中的铸锭为直径为90mm的圆铸锭；经一次热挤压后直径为30mm；经二次热挤压后直径为10mm。
9.根据权利要求2所述的一种改善镁合金的拉压不对称性的加工方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中挤压速度为2mm/min，挤压比为9。
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