CN1203203C - 一种含稀土的镁铝锌合金及其制备方法 - Google Patents

一种含稀土的镁铝锌合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属塑性成形技术，具体是指一种含稀土的镁铝锌合金及其相应的制备方法。本材料的组分及其质量百分比含量为：2.0～6.0%铝，0.3～1.5%锌，0.3～0.6%锰，0.1～0.5%稀土，其余为镁和不可避免的微量杂质。本发明通过稀土元素合金化和等通道转角挤压塑性变形工艺相结合，对于镁合金微观组织细化和提高材料强韧性有显著的效果。本制备方法获得的镁合金的室温抗拉强度在260MPa以上，常温延伸率在45%以上。本发明制得的材料兼具高强度和高塑性的特点，不但克服了铸造镁合金低强度和低延伸率的缺点，而且与采用常规热挤压工艺制得的镁合金相比，塑性大幅度提高。此外，与常规热挤压工艺相比，本制备方法成形所需的挤压力很低，从而降低了对成形设备的要求。

Description

一种含稀土的镁铝锌合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术，具体是指一种高强度、高塑性，含稀土的镁铝锌合金及其制备方法。
背景技术
镁为密排六方晶体结构，其塑性变形的能力较差，镁合金因为难于变形加工而限制了其零件的大规模工业生产及应用。等通道转角挤压技术(又称为等径侧向挤压技术)是一种通过反复变形、获得大塑性变形量以得到超细晶甚至纳米结构材料的新技术，与传统金属塑性加工工艺相比，采用等通道转角挤压技术，能实现变形不改变材料的宏观截面形状，由于成形力小，因而可降低对成形设备的要求。目前采用等通道转角挤压技术制备铝合金、钛合金、铜合金等超细晶材料已有较多的研究，但只有极少部分材料实现了工业化应用。采用该技术制备镁合金材料的研究目前还很少，并且尚未发现有该类材料工业化生产的报道。在现有关于等通道转角挤压镁合金材料的研究报道中，日本和韩国的研究人员对纯镁和镁铝锌合金(AZ系列)的等通道转角挤压工艺进行了研究，未见有加入稀土元素合金化的相关研究报道。国外的镁合金等通道转角挤压工艺基本采用坯料每道次相对模具轴向同一方向旋转90°的Bc工艺路线，以二硫化钼做挤压润滑剂。采用相似制备工艺的等通道转角挤压AZ31材料室温抗拉强度和延伸率分别为240MPa和40％。该技术工艺限制较为严格，润滑剂价格较昂贵，而且制备的材料力学性能有待提高。
发明内容
本发明目的在于通过改进合金成分设计和材料制备技术提供一种高强度、特别是高塑性的含稀土的镁铝锌合金及其制备方法。
一种含稀土的镁铝锌合金，其特征在于该材料含有稀土元素，经调整后的组成及其质量百分比含量如下：
            铝：2.0～6.0％
            锌：0.3～1.5％
            锰：0.3～0.6％
            混合稀土：0.1～0.5％
            其余为镁和不可避免的微量杂质；
            混合稀土为富铈混合稀土、富钇混合稀土。
一种含稀土的镁铝锌合金的制备方法，具体包括对于镁合金铸锭进行挤压预变形，随后进行等通道转角挤压的变形工艺，其特征在于，稀土元素合金化和等通道转角挤压塑性成形工艺相结合，其具体工艺步骤及其工艺条件如下：
步骤一：合金坯料预备
按下列组分及其质量百分比含量配料：2.0～6.0％铝，0.3～1.5％锌，0.3～0.6％锰，0.1～0.5％混合稀土，其余为镁和不可避免的微量杂质；通过砂型铸造、金属型铸造和半连续铸造法制备镁合金铸锭，在250～350℃以挤压比3～10∶1挤压制备合乎形状要求的镁合金坯料；
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下对镁合金坯料进行加热，加热温度200～400℃，保温时间0.5～4h。对模具进行加热，模具温度：100～300℃；
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具挤压，挤压时采用的润滑剂为汽缸油与石墨粉的混合物，其体积比为2～3∶1；挤压道次4～20次，在各道次之间可采用坯料不旋转的A工艺路线或坯料每道次相对模具轴向同一方向旋转90°的BC工艺路线或坯料每道次相对模具轴向逆向旋转90°的BA工艺路线；
步骤四：热处理
根据材料的性能要求，由等通道转角挤压工艺制得的镁合金也可以不进行热处理。
为消除残余内应力，稳定合金组织，可采用均匀化退火工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：150～300℃保温1～24小时。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明制备的一种含稀土的镁铝锌合金兼具高强度、高塑性的性能特点，材料的综合性能室温抗拉强度在260MPa以上，室温延伸率在45％以上，远远高于相似成分的铸造镁合金，同时与相似成分的铸造镁合金热挤压材料相比，室温延伸率提高一倍以上。
2、本发明通过稀土元素合金化和等通道转角挤压大塑性变形工艺相结合，对于镁合金微观组织细化和提高材料力学性能有显著的效果。经12个道次的等通道转角挤压变形，可获得的合金平均晶粒尺寸约1μm，而采用常规正热挤压工艺，获得相同晶粒尺寸通常需要30∶1以上的挤压比才有可能实现。
3、本制备方法成形所需的挤压力很低，从而降低了对材料设备的要求。
4、本发明在等通道转角挤压工艺中对工艺路线没有严格要求，采用BC、BA或A工艺路线均可制备力学性能优良的材料，并且使用自行配制的润滑剂，价格便宜，有利于工业生产。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
步骤一：合金坯料预备
采用砂型铸造制备镁合金坯料。
合金成分(质量百分比)：
        铝：3.0％
        锌：0.5％
        锰：0.3％
        含铈50％，含镧40％的混合稀土：0.3％
        其余为镁和不可避免的微量杂质。
铸锭在250～300℃以挤压比4∶1正挤压制备所需形状的镁合金坯料。
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下加热合金坯料，加热温度200～250℃，保温时间1小时，对模具进行加热，模具温度：250～300℃。
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具内，挤压合金坯料，采用挤压润滑剂为汽缸油与石墨粉的混合物，体积比2∶1，挤压道次12次，在各道次之间坯料按同一方向旋转(Bc路线)。
步骤四：热处理
采用均匀化退火工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：200℃保温4小时。
即得高强度高韧性镁合金材料，材料的抗拉强度为260～270MPa，延伸率50％。
实施例2：
步骤一：合金坯料预备。
采用砂型铸造制备镁合金坯料。
合金成分(质量百分比)：
            铝：6.0％
            锌：1.0％
            锰：0.6％
            含铈50％，含镧40％的混合稀土：0.5％
            其余为镁和不可避免的微量杂质。
铸锭在280～320℃以挤压比3∶1正挤压制备所需形状的镁合金坯料。
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下加热合金坯料，加热温度300～350℃，保温时间0.5小时，对模具进行加热，模具温度：200～250℃。
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具内，挤压合金坯料。采用挤压润滑剂为汽缸油与石墨粉，体积比3∶1，挤压道次8次，坯料在每道次相对模具轴向逆向旋转90°(BA路线)。
步骤四：热处理
采用均匀化退火工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：300℃保温6小时。
即得高强度高塑性镁合金材料，材料的抗拉强度为280～310MPa，延伸率45～50％。
实施例3：
步骤一：合金坯料预备
采用砂型铸造制备镁合金坯料。
合金成分(质量百分比)：
            铝：2.5％
            锌：1.5％
            锰：0.5％
            含钇50％，含镧10％的混合稀土：0.1％
            其余为镁和不可避免的微量杂质。
铸锭在200～240℃以挤压比8∶1正挤压制备所需形状的镁合金坯料。
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下加热合金坯料，加热温度250～300℃，保温时间2小时。对模具进行加热，模具温度：150～200℃。
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具内，挤压合金坯料。采用挤压润滑剂为汽缸油与石墨粉的混合物，体积比2∶1，挤压道次16次，在各道次之间坯料不旋转(A路线)。
步骤四：热处理
采用均匀化退火工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：250℃保温8小时。
即得高强度高韧性镁合金材料，材料的抗拉强度为260MPa，延伸率50％。
实施例4：
步骤一：合金坯料预备
采用砂型铸造制备镁合金坯料。
合金成分(质量百分比)：
            铝：4.0％
            锌：1.2％
            锰：0.4％
            含铈50％，含钕30％的混合稀土：0.5％
            其余为镁和不可避免的微量杂质。
铸锭在250～300℃以挤压比10∶1正挤压制备所需形状的镁合金坯料。
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下加热合金坯料，加热温度250～300℃，保温时间4小时，对模具进行加热，模具温度：250～300℃。
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具内，挤压合金坯料。采用挤压润滑剂为汽缸油与石墨粉的混合物，体积比2∶1，挤压道次20次，在各道次之间坯料按同一方向旋转(Bc路线)。
即得高强度高韧性镁合金材料，材料的抗拉强度为260～270MPa，延伸率45～50％。

Claims (4)

1、一种含稀土的镁铝锌合金，其特征在于该材料含有稀土元素，经调整后的组成及其质量百分比含量如下：
铝：2.0～6.0％
锌：0.3～1.5％
锰：0.3～0.6％
混合稀土：0.1～0.5％
其余为镁和不可避免的微量杂质；
混合稀土为富铈混合稀土、富钇混合稀土。
2、一种含稀土的镁铝锌合金的制备方法，具体包括对于镁合金铸锭进行挤压预变形，随后进行等通道转角挤压的变形工艺，其特征在于，稀土元素合金化和等通道转角挤压塑性成形工艺相结合，其具体工艺步骤及其工艺条件如下：
步骤一：合金坯料预备
按下列组分及其质量百分比含量配料：2.0～6.0％铝，0.3～1.5％锌，0.3～0.6％锰，0.1～0.5％混合稀土，其余为镁和不可避免的微量杂质；通过砂型铸造、金属型铸造和半连续铸造法制备镁合金铸锭，在250～350℃以挤压比3～10∶1挤压制备合乎形状要求的镁合金坯料；
步骤二：预热
在热处理炉中空气气氛下对镁合金坯料进行加热，加热温度200～400℃，保温时间0.5～4h，对模具进行加热，模具温度：100～300℃；
步骤三：等通道转角挤压
将经预热的坯料从热处理炉中取出，迅速放入等通道转角挤压模具挤压，挤压道次4～20次，在各道次之间可采用坯料不旋转的A工艺路线或坯料每道次相对模具轴向同一方向旋转90°的BC工艺路线或坯料每道次相对模具轴向逆向旋转90°的BA工艺路线。
3、根据权利要求2所述的一种含稀土的镁铝锌合金的制备方法，其特征在于，挤压时采用的润滑剂为汽缸油与石墨粉的混合物，其体积比为2～3∶1。
4、根据权利要求2、3所述的一种含稀土的镁铝锌合金的制备方法，其特征在于，根据材料的性能要求，采用均匀化退火工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：150～300℃保温1～24小时。
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