CN118109732A - 利用稀土元素镱改进的高强高塑变形镁合金及成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有色金属材料及其加工技术领域,特别是涉及利用稀土元素镱改进的高强高塑变形镁合金及成形工艺;其组分按质量百分比为:Y:6.5~7.5%,Yb:0.5~2%,Zn:1.5~2.5%,Zr:0.4~0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素;本发明制备的高强高塑变形镁合金具有多尺度微观结构特点,即亚微米级的动态再结晶晶粒、粗大的未再结晶晶粒以及变形的LPSO相共存,同时沿挤压方法弥散分布了大量的第二相粒子;本发明制备的变形镁合金具有高强高塑的特点、几乎没有拉压不对称,能够很好地满足航空航天、武器装备、汽车工业等领域承力构件的力学性能要求。同时采用熔炼~铸造~挤压短流程制备工艺,便于产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料及其加工技术领域,具体涉及一种利用稀土元素改进的高强高塑变形镁合金及成形工艺。
背景技术
镁合金作为目前最轻的结构材料,密度约为1.74~1.90g/cm3,仅为钢铁的1/4,铝合金的2/3。相比其他金属材料,镁合金具有高的比强度、比刚度,良好的切削加工性能、阻尼性能及导热性,而且易回收、资源丰富。在目前铁矿、钛矿和铝矿资源紧张的情况下,开发和利用镁资源作为替代材料已成为必然趋势。因此,镁合金被誉为“21世纪商用绿色环保和生态金属结构材料”,正在汽车工业、电子通讯、航空航天和军事工业等领域得到广泛的应用。根据加工方式的不同,镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金。变形镁合金是指通过挤压、轧制、锻造等塑性成型方式加工的镁合金,其可通过组织控制和热处理等方式来提升性能,获得比铸造镁合金更高的强度和塑性,更多样化的强韧配比来满足工程结构件的力学性能要求。目前,传统的变形镁合金主要有以下体系:Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-RE系等。Mg-Al系是目前应用最广泛的体系,该系合金具有良好的铸造性能,室温强度高,可热处理强化。但是该系合金属于中等强度的合金,常规工艺加工后强度很难达到400MPa以上。Mg-RE系合金作为高强合金体系,通过合理的成分优化以及加工工艺,强度可达到400MPa以上。Mg-Y-Zn系合金是一种以LPSO为主导强化相的合金,塑性加工之后具有较高的强度。但是目前通过常规加工技术制备的Mg-Y-Zn系合金,其强度很难超高400MPa。基于我们课题组的前期研究,发现镱(Yb)添加之后,能够降低镁合金的基面层错能,从而提升合金的加工硬化效果和塑性。Yb虽然属于重稀土,但其具有轻稀土的特征,如具有大的原子半径。通过轻重稀土复合添加,能够降低彼此在镁中的固溶度,更加有效地起到强化效果。因此,本发明专利通过添加少量的重稀土Yb改善Mg-Y-Zn系合金的力学性能。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足,本发明的目的是提供一种将稀土Yb元素加入Mg-Y-Zn系合金,能够有效的降低Y在镁基体中的固固溶原子含量,促进LPSO相的形成,同时细化了凝固过程中形成的粗大的LPSO相,改善了铸态合金的塑性,有益于后续的热加工变形。最终起到调控了Mg-Y-Zn系合金的微观组织的力学性能的效果。本发明制备的变形镁合金具有高强高塑的特点,同时几乎没有拉压不对称,能够很好地满足航空航天、武器装备、汽车工业等行业设计承力构件的力学性能要求。
为解决现有技术中存在的不足,本发明所采用的技术方案如下。
一种高强高塑变形镁合金,其组分按质量百分比为:Y: 6.5~7.5%,Yb: 0.5~2%,Zn :1.5~2.5%,Zr :0.4~0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
进一步的改进,组成及各组分质量百分数为:Y:7~7.5%, Yb: 0.5~1%,Zn :1.5~2.0%,Zr:0.4~0.5%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
进一步的改进,组成及各组分质量百分数为:Y:6.5~7.5%, Yb: 1~2%,Zn :1.5~2.5%,Zr:0.5~0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
本发明中所述杂质元素包括:Fe、Cu、Si、Ni,各杂质元素质量百分比要求为:Fe≤0.005%,Cu≤0.0005%,Si≤0.005%,Ni≤0.0005%。
本发明还提供一种高强高塑变形镁合金的制备方法,包括以下步骤:
(1)原料准备:将镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源去掉氧化层,按照配比备料,然后将其预热至200~300℃;
(2)合金熔炼:将坩埚加热至700℃时,加入镁锭并且通入保护气体,以防止氧化;镁锭融化后,在720~730℃时依次加入钇源、镱源和锌锭,待其融化后升温至740~760℃时,加入锆源,其融化后撇去熔体表面浮渣,搅拌10~20min,其后静置30~50min;最后得到目标合金的熔体;
(3)出炉浇铸:静置完毕后,降温至700~720℃,撇去熔体表面浮渣,然后以适当的浇铸速度将熔体浇入水冷钢制模具,即可得到合金铸棒;
(4)挤压加工:将浇铸成型的合金铸棒经过车削加工成挤压坯料;挤压参数为:挤压温度350℃,保温时间90~120min,挤压比约为7,挤压速度为0.1~0.3mm/s;挤压模具需在挤压前在挤压温度保温至少90min;按照如上变形参数即可得到一种高强高塑变形镁合金。
优选的是,所述(1)中的钇源为含钇30%的镁钇中间合金,镱源为含镱20%的镁镱中间合金锆为含锆30%的镁锆中间合金。
优选的是,所述(2)中的保护气体为SF6:CO2体积比为1:200的混合气体。
本发明专利采用直接挤压的方法、小挤压比低速挤压工艺,制备出具有多尺度微观组织的高强高塑镁合金型材。测试结果表明,优化后的合金室温抗拉强度为426MPa,拉伸屈服强度为386 MPa,延伸率为14.1%;抗压强度560MPa,压缩屈服强度为378 MPa,延伸率为12.8%;拉伸-压缩屈服不对称因子为1.02。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的一种高强高塑变形镁合金的挤压态金相组织。
具体实施方式
实施例1
一种高强高塑变形镁合金,各组分质量百分数为:Y :7.0%,Yb: 0.5,Zn :2.0%,Zr: 0.4%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
首先将配制好的镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源依次加入坩埚,同时通入保护气体,熔炼温度保持在730~750℃,然后搅拌、静置;最后在700℃出炉,浇注成型。
然后机械加工成挤压坯料,在350℃完成挤压加工,挤压速度控制在0.1mm/s。即可获得一种高强高塑变形镁合金。
按照国标《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行室温力学性能测试。
实施例1的合金抗拉强度为426 MPa,拉伸屈服强度为386 MPa,延伸率为14.1%;抗压强度560 MPa,压缩屈服强度为378 MPa,延伸率为12.8%;拉伸-压缩屈服不对称因子为1.02。
实施例2
一种高强高塑变形镁合金,各组分质量百分数为:Y: 7.5%,Yb: 1.0,Zn: 1.5%,Zr: 0.5%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
首先将配制好的镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源依次加入坩埚,同时通入保护气体,熔炼温度保持在720~750℃,然后搅拌、静置;最后在710℃出炉,浇注成型。
然后机械加工成挤压坯料,在350℃完成挤压加工,挤压速度控制在0.15mm/s。
即可获得一种高强高塑变形镁合金。按照国标《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行室温力学性能测试。
实施例2的合金抗拉强度为417 MPa,拉伸屈服强度为376 MPa,延伸率为13.7%;抗压强度640MPa,压缩屈服强度为361MPa,延伸率为12.8%;拉伸-压缩屈服不对称因子为1.04。
实施例3
一种高强高塑变形镁合金,各组分质量百分数为:Y :6.5%,Yb :2.0,Zn :2.5%,Zr :0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
首先将配制好的镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源依次加入坩埚,同时通入保护气体,熔炼温度保持在730~760℃,然后搅拌、静置;最后在720℃出炉,浇注成型。
然后机械加工成挤压坯料,在350℃完成挤压加工,挤压速度控制在0.2mm/s。即可获得一种高强高塑变形镁合金。
按照国标《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行室温力学性能测试。
实施例3的合金抗拉强度为399 MPa,拉伸屈服强度为358MPa,延伸率为11.5%;抗压强度527MPa,压缩屈服强度为352MPa,延伸率为12.5%;拉伸-压缩屈服不对称因子为1.02。
对比例
上述实施例1-3可以看出,实施例1制备的合金具有最优的力学性能。且其Yb的添加量较少。
为了方便比较,对比例采用与实施例1相同的制备工艺,合金体系选用Mg-7.5Y-2.0Zn-0.4Zr合金,各组分质量百分数为:Y :7%,Zn :2%,Zr: 0.5%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
首先将配制好的镁锭、锌锭、钇源和锆源依次加入坩埚,同时通入保护气体,熔炼温度保持在730~750℃,然后搅拌、静置;最后在700℃出炉,浇注成型。
然后机械加工成挤压坯料,在350℃完成挤压加工,挤压速度控制在0.1mm/s。
获得对比例变形镁合金按照国标《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行室温力学性能测试。
对比例的合金抗拉强度为412MPa,拉伸屈服强度为371MPa,延伸率为14.3%;抗压强度480MPa,压缩屈服强度为354MPa,延伸率为10.0%;拉伸-压缩屈服不对称因子为1.05。
通过上述实施例和对比例,可以看出优选的Yb的添加量为0.5wt.%。显然0.5wt.%Yb添加之后合金的抗拉强度和拉伸屈服提升了约15MPa,抗压强度提升了80MPa,压缩屈服强度提升了约24MPa。虽然拉伸塑性有略微的降低,但是压缩塑性明显改善。同时拉伸-压缩屈服不对称也明显改善,从1.05降到1.02。
从图1中可以看出实施例1制备的一种高强高塑变形镁合金的微观组织呈现出多尺度的特点:亚微米级的动态再结晶晶粒、粗大的未再结晶晶粒以及变形的LPSO,并且沿着挤压方法弥散分布着大量的动态析出的第二相粒子,其能够有效地强化合金。
本发明提供的一种高强高塑变形镁合金的制备方法,包括以下步骤:
(1)原料准备:将镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源去掉氧化层,按照配比备料,然后将其预热至200~300℃;
(2)合金熔炼:将坩埚加热至700℃时,加入镁锭并且通入保护气体,以防止氧化;镁锭融化后,在720~730℃时依次加入钇源、镱源和锌锭,待其融化后升温至740~760℃时,加入锆源,其融化后撇去熔体表面浮渣,搅拌10~20min,其后静置30~50min,最后得到目标合金的熔体;
(3)出炉浇铸:静置完毕后,降温至700~720℃,撇去熔体表面浮渣,然后以适当的浇铸速度将熔体浇入水冷钢制模具,即可得到合金铸棒;
(4)挤压加工:将浇铸成型的合金铸棒经过车削加工成挤压坯料;挤压参数为:挤压温度350℃,保温时间90~120min,挤压比约为7,挤压速度为0.1~0.3mm/s;挤压模具需在挤压前在挤压温度保温至少90min;按照如上变形参数即可得到一种高强高塑变形镁合金。
以上所述是本发明的优选实施方案,应当指出,对于本技术领域一般的技术人员来说,在不脱离本发明专利的原理及核心思想的前提下,还可以做出若干的修饰和改进,这些修饰和改进也视为本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,其组分按质量百分比为:Y: 6.5~7.5%,Yb:0.5~2%,Zn :1.5~2.5%,Zr :0.4~0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,组成及各组分质量百分数为:Y:7~7.5%, Yb: 0.5~1%,Zn :1.5~2.0%,Zr:0.4~0.5%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,组成及各组分质量百分数为:Y:6.5~7.5%, Yb: 1~2%,Zn :1.5~2.5%,Zr:0.5~0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,组成及各组分质量百分数为:Y:7%, Yb: 0.5%,Zn :2%,Zr:0.4%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求1所述的一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,组成及各组分质量百分数为:Y:7.5%, Yb: 1%,Zn :1.5%,Zr:0.5%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
6.根据权利要求1所述的一种高强高塑变形镁合金,其特征在于,组成及各组分质量百分数为:Y:6.5%, Yb: 2%,Zn :2.5%,Zr:0.6%,余量为Mg及不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的高强高韧、耐热变形镁合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原料准备:将镁锭、锌锭、钇源、镱源和锆源去掉氧化层,按照配比备料,然后将其预热至200~300℃;
(2)合金熔炼:将坩埚加热至700℃时,加入镁锭并且通入保护气体,以防止氧化;镁锭融化后,在720~730℃时依次加入钇源、镱源和锌锭,待其融化后升温至740~760℃时,加入锆源,其融化后撇去熔体表面浮渣,搅拌10~20min,其后静置30~50min;最后得到目标合金的熔体;
(3)出炉浇铸:静置完毕后,降温至700~720℃,撇去熔体表面浮渣,然后以适当的浇铸速度将熔体浇入水冷钢制模具,即可得到合金铸棒;
(4)挤压加工:将浇铸成型的合金铸棒经过车削加工成挤压坯料;挤压参数为:挤压温度350℃,保温时间90~120min,挤压比约为7,挤压速度为0.1~0.3mm/s;挤压模具需在挤压前在挤压温度保温至少90min;按照如上变形参数即可得到高强高塑变形镁合金。
8.根据权利要求7所述的一种高强高塑变形镁合金制备方法,其特征在于,步骤(1)中的钇源为含钇30%的镁钇中间合金,镱源为含镱20%的镁镱中间合金,锆源为含锆30%的镁锆中间合金。
9.根据权利要求7所述的一种高强高塑变形镁合金制备方法,其特征在于,步骤(2)中保护气体的具体组分为:SF6:CO2体积比为1:200的混合气体。
10.根据权利要求7所述的一种高强高塑变形镁合金制备方法,其特征在于,合金抗拉强度为399~426 MPa,拉伸屈服强度为358~386Mpa,延伸率为11.5~14.1%,抗压强度527~640MPa,压缩屈服强度为352~378MPa,延伸率为12.5~12.8%,拉伸~压缩屈服不对称因子为1.02~1.04。
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