CN113584365A

CN113584365A - 低成本高性能镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113584365A
Application number: CN202110650901.5A
Authority: CN
Inventors: 苏再军; 默辰星; 周健
Original assignee: Ganzhou Qianbo New Material Technology Co ltd; Shaoyang University
Current assignee: Ganzhou Qianbo New Material Technology Co ltd; Shaoyang University
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: CN113584365B

Abstract

本发明公开了一种低成本高性能镁合金及其制备方法，该镁合金的化学成分按质量百分比为3.0～10.0％Al，0.1～1.5％Zn，0.1～0.8％Mn，0.1～2.0％Y，0.1～2.0％Sm，0.1～2.0％Ce，0.1～2.0％Sn，0.1～2.0％Bi，0.1～1.0％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质含量≤0.1wt％。在本发明中综合应用固溶强化、析出强化、弥散强化、细晶强化的基本原理对合金进行改性，复合添加Ce、Sm、Y轻重稀土元素，有效细化晶粒，生成弥散第二相钉扎位错；加入Sn、Sb、Bi元素，减少稀土元素的使用量，抑制Mg‑Al系合金中粗大的不连续沉淀相析出，促进连续沉淀相析出，同时产生新的高体积分数的弥散析出相及稳定第二相。通过调控上述多种元素的复合析出行为及第二相的形态、分布，综合提高镁合金的性能，从而得到一种低成本高性能镁合金。

Description

低成本高性能镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种低成本高性能镁合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着轻合金产品消费逐步兴起及环境问题的越来越突出，人们对产品轻量化的要求日益迫切。作为工程应用中密度最低的金属结构材料，镁合金在汽车、航空航天、电子3C等领域中的应用前景十分广泛。我国作为镁资源大国，可利用的镁矿资源储量约占世界总储量的70％，近十年来原镁的产量已位列世界第一。由于我国对镁合金的研究和应用还很不充分，尤其是应用范围最广的低成本高性能铸造镁合金，相关研究及加工技术整体水平还比较薄弱。目前，最常见的低成本商用铸造镁合金都为Mg-Al系合金，该系合金偏低的力学性能限制了其在更多行业上的应用。因此，开发低成本高性能铸造镁合金已迫在眉睫。

时效析出强化是商用铸造Mg-Al系合金最重要的强化方法。该系合金的时效析出过程复杂，存在着不连续析出及连续析出行为。连续析出相多呈细小的片状弥散分布于基体中，使材料具有良好的机械性能；而非连续析出相多呈粗大的层片状，弥散度较低，对材料的强化作用较小。合金的时效强化效果与连续和非连续析出相的比例有关。然而,在铸造Mg-Al系合金中，不连续析出相的形核析出密度较低，尺寸粗大，所占析出相比例较大；连续析出相的体积分数较低，所占析出相比例较少，由此，析出相不能有效阻碍基面滑移，导致时效析出强化效果较弱，力学性能偏低。国内外研究发现加入稀土元素可以调控 Mg-Al系合金的析出行为，减少粗大的不连续析出相的形成，从而提高合金力学性能。但由于稀土元素(RE)与Al之间形成热稳定性好的Al-RE金属间化合物，消耗了大量的Al元素，降低了时效析出相的数量，弱化了析出强化效果。因此，如何更好的调控Mg-Al系合金的析出行为，在保持较高体积分数的析出相的同时增加连续析出相的比例是提高合金力学性能的关键难点。

发明内容

本发明的目的在于针对目前商用Mg-Al系铸造镁合金强度低，塑性差等性能缺点，提供了一种低成本高性能镁合金及其制备方法。

本发明提供的一种低成本高性能镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：3.0～10.0％Al，0.1～1.5％Zn，0.1～0.8％Mn，0.1～2.0％Y，0.1～ 2.0％Sm，0.1～2.0％Ce，0.1～2.0％Sn，0.1～2.0％Bi，0.1～1.0％Sb，其余为 Mg和不可避免的杂质元素，杂质含量≤0.1wt％。

上述的低成本高性能镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：5.0～ 9.0％Al，0.1～1.0％Zn，0.1～0.5％Mn，0.1～0.8％Y，0.1～0.8％Sm，0.1～ 0.8％Ce，0.1～1.0％Sn，0.1～1.0％Bi，0.1～0.6％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质含量≤0.1wt％。

本发明还提供一种制备上述低成本高性能镁合金的方法，该方法包括以下步骤：

S1：按设计的合金成分取镁锭、铝锭、锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Ce 中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金及Al-Mn中间合金配料称重，预热烘干备用；

S2：将镁锭、铝锭放入预热至300～350℃的熔炉内加热熔化，待合金完全熔化后形成熔体，将熔体升温至700～720℃，再将锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Ce中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Al-Mn中间合金直接加入熔体中，使其熔化，并搅拌均匀；

S3：将混合后的熔体升温至730～750℃，进行精炼，再保温静置10～ 40min；

S4：将精炼后的熔体冷却至710～720℃，扒去表面浮渣，然后采用金属模铸造，制得镁合金铸锭；

S5：将镁合金铸锭进行固溶处理，用40～80℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金铸锭进行时效处理，得到镁合金；

上述的制备方法，在步骤S2中，所述搅拌为机械缓慢搅拌，搅拌时间1～ 10min，搅拌速度为20～50r/min。

上述的制备方法，在步骤S3中，通入Ar气搅拌精炼除气，搅拌时间2～ 10min，气体压力为0.2～0.8Mpa，通气量2～5L/min。

上述的制备方法，在步骤S4中，合金的浇铸温度为690～720℃。

上述的制备方法，在步骤S5中，采用双极固溶处理，第一级固溶温度为 350～400℃，固溶时间为20～50小时，第二级固溶温度为400～425℃，固溶时间为5～30小时。

上述的制备方法，在步骤S6中，时效处理工艺为150～250℃下保温1～150 小时。

实施本发明的有益效果在于：本发明通过多组元微合金化的方法，在 Mg-Al系合金中引入少量轻重稀土元素Ce、Sm、Y及Sn、Sb、Bi等非稀土元素，并将得到的铸态合金进行热处理，综合应用固溶强化、析出强化、弥散强化、细晶强化的基本原理对合金进行改性。本发明所制备的Mg-Al系合金兼具高强度、高塑性，仅含少量廉价稀土元素，解决了现有技术中高性能镁合金一般都含有大量稀土元素，合金成本较高的问题。其中，在轻稀土元素中，Ce 与Al优先形成弥散的长条状Al₁₁Ce₃相，消耗了合金中的Al元素，抑制非连续Mg₁₇Al₁₂相的形成，并使该相由网状分布变为离散分布，从而阻碍位错的运动，提高合金的塑性；Sm元素是铈组稀土元素中在镁基体固溶度最大的元素 (在共晶温度542℃时的最大固溶度为5.8wt.％)，能够产生较强的固溶强化效果，同时抑制合金晶粒尺寸长大，并与Al优先形成颗粒状的Al₂Sm相；Y 元素在晶界处形成的细小弥散分布的Al₂(Nd,Y)或Al₁₁(Nd,Y)₃相，具有比Sm 元素更高的固溶强化和弥散强化效果。上述多种轻重稀土元素的添加，可以更有效的细化晶粒，改善Mg-Al系合金中Mg₁₇Al₁₂相的结构和形态，生成新的稳定性高的第二相，使其力学性能显著提高。

Sn元素对镁合金有显著的晶粒细化作用，并改善组织结构。在镁基体中的最大固溶度为6.2wt.％，随着温度下降,固溶度急剧减少，形成结构稳定性好、溶点高的Mg₂Sn析出相，具有显著的细晶强化及析出强化作用。Bi元素在镁中最大固溶度可达8.87wt.％，而室温下溶解度几乎为零，因此Bi元素同样可产生显著的固溶强化及析出强化效果。Sb元素的作用与稀土元素Ce相似，与镁几乎不能互溶。它的作用主要是形成稳定的Mg₃Sb₂相，在第二相弥散强化的作用下，可以细化合金晶粒，提高合金性能。将Sn、Bi和Sb复合添加，不仅不消耗Al元素的含量，抑制时效过程中Mg-Al系合金的非连续析出，提高连续析出的比例，还可以更有效的析出Mg₂Sn、Mg₃Bi₂、Mg₃Sb₂等新析出相的体积分数，从而提高了Mg-Al系镁合金的力学性能。

最后通过复合添加稀土元素及其他元素，由于元素间的相互影响，不仅可以相互溶入彼此第二相中，进一步明显提高合金的强化效果，还能降低彼此在镁基体中的固溶度，减少稀土使用量，从而得到一种低成本高性能镁合金。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实例1

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：3.0％Al，1.5％Zn，0.4％Mn，2％Y，0.1％Sm，0.3％Ce，2.0％Sn， 0.1％Bi，0.4％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S1：按设计的合金成分取镁锭、铝锭、锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Ce 中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金及Al-Mn中间合金配料称重，预热到250℃烘干备用；

S2：将镁锭、铝锭放入预热至350℃的熔炉内加热熔化，待合金完全熔化后形成熔体，将熔体升温至720℃，再将锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Ce中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Al-Mn中间合金直接加入熔体中，使其熔化，并搅拌均匀；

S3：将混合后的熔体升温至730℃，进行精炼，再保温静置；

S4：将精炼后的熔体冷却至690℃，再扒去表面浮渣，然后后采用金属模铸造，制得镁合金铸锭；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为350℃，固溶时间为50小时，第二级固溶温度为400℃，固溶时间为30小时，用60℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金进行时效处理，时效处理工艺为150℃下保温150小时。

由此获得镁合金产品，将合金试样打磨后进行拉伸，测得的抗拉强度，屈服强度及伸长率如表1所示。

实例2

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：10.0％Al，0.1％Zn，0.3％Mn，0.2％Y，2％Sm，0.1％Ce， 0.1％Sn，2.0％Bi，0.1％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S3：将混合后的熔体升温至740℃，进行精炼，再保温静置；

S4：将精炼后的熔体冷却至700℃，再扒去表面浮渣，然后后采用金属模铸造，制得镁合金铸锭；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为380℃，固溶时间为30小时，第二级固溶温度为415℃，固溶时间为20小时，用70℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金进行时效处理，时效处理工艺为250℃下保温1小时。

实例3

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：5.0％Al，1.0％Zn，0.2％Mn，0.1％Y，0.2％Sm，2.0％Ce， 0.5％Sn，0.3％Bi，1.0％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S1：按设计的合金成分取镁锭、铝锭、锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Y 中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ce中间合金及Al-Mn中间合金配料称重，预热到250℃烘干备用；

S3：将混合后的熔体升温至750℃，进行精炼，再保温静置；

S4：将精炼后的熔体冷却至710℃，再扒去表面浮渣，然后后采用金属模铸造，制得镁合金铸锭；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为390℃，固溶时间为20小时，第二级固溶温度为425℃，固溶时间为5小时，用40℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金进行时效处理，时效处理工艺为225℃下保温8小时。

实例4

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：7.0％Al，0.6％Zn，0.2％Mn，0.2％Y，0.2％Sm，0.6％Ce，0.8％Sn，0.3％Bi，0.3％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S3：将混合后的熔体升温至730℃，进行精炼，再保温静置；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为380℃，固溶时间为30小时，第二级固溶温度为410℃，固溶时间为30小时，用60℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金进行时效处理，时效处理工艺为200℃下保温25小时。

实例5

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：7.0％Al，0.8％Zn，0.3％Mn，0.1％Y，0.2％Sm，0.1％Ce， 0.5％Sn，0.4％Bi，0.3％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S3：将混合后的熔体升温至740℃，进行精炼，再保温静置；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为400℃，固溶时间为25小时，第二级固溶温度为415℃，固溶时间为15小时，用70℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金进行时效处理，时效处理工艺为200℃下保温22小时。

实例6

制备高性能Mg-Al-Zn-Mn-Y-Sm-Ce-Sn-Bi-Sb镁合金，该镁合金的化学成分按质量百分比为：9.0％Al，0.8％Zn，0.2％Mn，0.6％Y，0.1％Sm，0.2％Ce， 0.2％Sn，0.3％Bi，0.2％Sb，其余为Mg和不可避免的杂质元素。按照如下步骤制备：

S3：将混合后的熔体升温至750℃，进行精炼，再保温静置；

S4：将精炼后的熔体冷却至720℃，再扒去表面浮渣，然后后采用金属模铸造，制得镁合金铸锭；

S5：将镁合金铸锭进行双极固溶处理，第一级固溶温度为400℃，固溶时间为20小时，第二级固溶温度为425℃，固溶时间为5小时，用40℃温水淬火；

对比例1

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Y。

对比例2

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Sm。

对比例3

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Ce。

对比例4

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Sn。

对比例5

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Bi。

对比例6

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Sb。

对比例7

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Bi和Sb。

对比例8

本对比例提供了一种稀土镁合金材料，本对比例与实施例5的不同之处在于，未加入Sn和Bi。

表1高性能镁合金材料性能数据表

从表1可以看出，实施例1-6提供的低成本高性能镁合金材料的抗拉强度大于278MPa，屈服强度大于195MPa，伸长率大于3.8％，这说明本发明提供的低成本镁合金导体材料具有优良的抗拉强度、屈服强度和伸长率，能够满足汽车、航空航天、电子3C等领域的使用需求。

通过实施例5与对比例1-7的对比可以看出，实施例5提供的镁合金材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率均显著优于对比例1-7，这说明通过在镁基体中加入Ce、Sm、Y稀土元素，使得稀土元素与基体相互协同，不仅能够细化结晶，生成新的稳定性高的第二相，还能有效调控析出相的形态、分布，从而显著提高材料力学性能；同时通过在镁基体中复合添加Sn、Bi、Sb元素，与稀土元素一起产生显著的复合固溶强化及复合析出强化效果，从而提高了 Mg-Al系镁合金的力学性能。

此外，通过复合添加多种合金元素，由于元素间的相互影响，不仅可以降低彼此在镁基体中的固溶度，进一步减少稀土及其他合金元素的使用量，降低生产成本，还可以相互溶入彼此第二相中，进一步明显提高合金的强化效果，从而得到一种具有高性能的镁合金。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种低成本高性能镁合金，其特征在于，该镁合金的化学成分按质量百分比为：

3.0～10.0％Al，

0.1～1.5％Zn，

0.1～0.8％Mn，

0.1～2.0％Y，

0.1～2.0％Sm，

0.1～2.0％Ce，

0.1～2.0％Sn，

0.1～2.0％Bi，

0.1～1.0％Sb，

其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质含量≤0.1wt％。

2.根据权利要求1所述的低成本高性能镁合金，其特征在于，该镁合金的化学成分按质量百分比为：

5.0～9.0％Al，

0.1～1.0％Zn，

0.1～0.5％Mn，

0.1～0.8％Y，

0.1～0.8％Sm，

0.1～0.8％Ce，

0.1～1.0％Sn，

0.1～1.0％Bi，

0.1～0.6％Sb，

其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质含量≤0.1wt％。

3.一种制备如权利要求1或2所述的高性能镁合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：按设计的合金成分取镁锭、铝锭、锌锭、锡锭、锑锭、铋锭、Mg-Ce中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金及Al-Mn中间合金配料称重，预热烘干备用；

S3：将混合后的熔体升温至730～750℃，进行精炼，再保温静置10～40min；

S5：将镁合金铸锭进行固溶处理，用40～80℃温水淬火；

S6：对固溶后的合金铸锭进行时效处理，得到镁合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述搅拌为机械缓慢搅拌，搅拌时间1～10min，搅拌速度为20～50r/min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，通入Ar气搅拌精炼除气，搅拌时间2～10min，气体压力为0.2～0.8Mpa，通气量2～5L/min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，合金的浇铸温度为690～720℃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，采用双极固溶处理，第一级固溶温度为350～400℃，固溶时间为20～50小时，第二级固溶温度为400～425℃，固溶时间为5～30小时。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤S6中，时效处理工艺为150～250℃下保温1～150小时。