CN106676357B - 一种高塑性镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高塑性镁合金及其制备方法，该镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3~4%，Ca0.1~0.6%，Mn0.05~0.8%，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明在镁锌合金中加入Ca和Mn能显著细化合金晶粒，并且在热挤压过程中能促进动态再结晶的发生，阻止再结晶晶粒的长大，从而同时改善合金的强度和塑性；还能显著弱化合金的基面织构，改善合金的塑性；另外第二相的析出和纳米级的Mn粒子弥散析出，可有效提高合金的强度；本发明的镁合金具有高塑性，成分优化后的合金延伸率可达到25~29.8%，屈服强度为160~205 MPa，抗拉强度为270~289MPa。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种高塑性Mg-Zn-Ca-Mn镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度高、比刚度高，铸造性能好、减震性好、电磁屏蔽性能高、易于切削加工和可回收等诸多优点，是目前工业应用中最轻的金属结构材料。在汽车、电子、电器、交通、航空航天和国防、军工领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。尤其在轻量化方面，具有难以替代的显著优势，可以明显减轻重量、节省燃油消耗。然而，镁的晶体结构为密排六方，滑移系少，变形主要是通过基面滑移和锥面孪生实现，塑性变形能力差，绝对强度低，大大限制了其在结构件上的应用范围。
目前，提高镁合金综合性能的主要方法是添加合金元素。研究表明，通过向镁基体中加入稀土合金元素，可以提高合金的品质和性能，在传统镁合金中加入稀土是改善合金性能的有效途径之一，然而稀土价格昂贵，希望能利用价格较低廉的元素来替代。众多研究显示，在镁合金中，Ca具有很多类似稀土元素的特性，如细化晶粒、弱化基面织构、提高耐蚀性、增强高温稳定性、提高抗蠕变性能等。Ca元素属于活泼碱土元素，和镁是同族元素，其熔点为839℃，与镁的熔点相近，密度为1.54g/cm3，与其他合金元素相比具有密度低、价格低廉等优点。从多方面综合考虑，Ca对镁合金来说都是比较理想的合金化元素。而Mn的添加能显著细化变形镁合金的微观组织，并且，能明显提高合金基体的电位，有利于合金耐腐蚀性能的提高。
综上所述，变形镁合金材料是一种极具发展前景的金属材料，尤其是低成本、高综合性能镁合金方能应用于大量工业生产。然而目前报导过在Mg-Zn系的基础上通过复合添加Ca和Mn来改善变形镁合金塑性变形能力的方法、专利及应用很少。生产工艺简单、成本不高且具有更高塑性的镁合金仍需要探索。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高塑性镁合金，同时本发明还提供了该镁合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高塑性Mg-Zn-Ca-Mn镁合金，由以下质量百分含量的组分组成：Zn3~4%，Ca0.1~0.6%，Mn0.05~0.8%，其余为Mg和不可避免的杂质。
进一步，所述组份的高塑性Mg-Zn-Ca-Mn镁合金制备方法，包括如下步骤：
（1）合金冶炼及铸造：在体积比为1:99的SF6和CO2气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化，将纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金在140~220℃预热15~30分钟后，加入熔化的镁锭中，加入时应迅速将纯锌、Mg-30%Ca中间合金及Mg-3%Mn中间合金压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃的模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；
（2）机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸将上述铸锭锯切、车皮至合适尺寸；
（3）均匀化处理：用石墨粉包覆铸锭，在330~370℃下保温22~24h，之后升温至410~450℃保温10~12h，取出后水冷至室温；
（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300~330℃预热1~2小时，挤压温度为300~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过添加Ca和Mn产生明显的晶粒细化作用，使合金的强韧性同时得到改善；并且Ca能弱化合金的基面织构，提升材料的塑性。即只需要加入少量的Ca和Mn，就能明显的提高合金和塑性和强度，原料成本较低。
2、本发明镁合金具有高塑性，成分优化后的合金延伸率可达到25~29.8%，屈服强度为160~205 MPa，抗拉强度为270~289MPa。其强韧化机理在于：镁锌合金中加入Ca和Mn能显著细化合金晶粒，并且在热挤压过程中促进动态再结晶的发生，阻止再结晶晶粒的长大，从而同时改善合金的强度和塑性；还能显著弱化合金的基面织构，改善合金的塑性；另外第二相的析出和纳米级的Mn粒子弥散析出，可有效提高合金的强度。
3、本发明工艺简单，只需进行一次挤压，不需要复杂的加工工艺，并且所采用的设备如熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，具有可移植性强的特点，便于在工业中实现。
附图说明
图1为实施例1制备的镁合金的微观组织照片；
图2为实施例2制备的镁合金的微观组织照片；
图3为实施例3制备的镁合金的微观组织照片；
图4为实施例4制备的镁合金的微观组织照片；
图5为实施例1~4制备的镁合金室温下拉伸工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例高塑性镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.75%，Ca0.21%，Mn0.15%，余量为Mg和不可避免的杂质。
上述组分的高塑性镁合金的制备方法如下：
（1）合金冶炼及铸造：按照上述镁合金成分含量进行备料，所用原材料为工业纯镁锭、纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金，在体积比为1:99的SF6+CO2气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化后，按所述合金成分配比量加入纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金，加入前应在140~220℃预热15~30 分钟，加入时应迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟；静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；
（2）机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸将上述铸锭锯切、车皮至合适尺寸；
（3）均匀化处理：用石墨粉包覆铸锭，在330~370℃下保温22~24h，之后升温至410~450℃保温10~12h，取出后水冷至室温；
（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300℃~330℃预热1~2小时，挤压温度为300℃~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min，挤压后空冷至室温，本实施例挤压所得镁合金棒材规格为Φ16。
实施例2
本实施例高塑性镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.59%，Ca0.20%，Mn0.25%，余量为Mg和不可避免的杂质，制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例高塑性镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.68%，Ca0.21%，Mn0.65%，余量为Mg和不可避免的杂质，制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例高塑性镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.62%，Ca0.47%，Mn0.12%，余量为Mg和不可避免的杂质，制备方法同实施例1。
性能检测：
1、微观组织检测
图1、图2、图3、图4分别是实施例1、实施例2、实施例3、实施例4挤压态镁合金金相照片，从图1~4可以看出，随着Mn含量的增加，再结晶晶粒逐渐细化，原因是挤压过程中发生动态再结晶，形成可以钉扎晶界、细化晶粒的Ca2Mg6Zn3和Mn粒子，第二相逐渐增多，其细化效果更加明显。
2、力学性能测试
图5是实施例1~4挤压态镁合金的室温拉伸工程应力应变图。
表1是实施例1~4挤压态镁合金的室温力学性能测试结果。
表1实施例1~4制备的镁合金材料的室温力学性能
| 合金编号 | 屈服强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | 延伸率（%） |
| 实施例1 | 165 | 270 | 29.8 |
| 实施例2 | 196 | 276 | 26.0 |
| 实施例3 | 206 | 289 | 25.6 |
| 实施例4 | 213 | 279 | 23.8 |
从图2和表1可以看出随着Mn含量的增加，合金的屈服强度得到大幅提升，抗拉强度也得到较大提升，而延伸率略有下降。晶粒显著细化和基面织构弱化使得该系列合金的塑性变形能力大幅度提高。总的来说，本发明的合金具有高的塑性，并且能保证较高的强度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种高塑性Mg-Zn-Ca-Mn镁合金，其特征在于，由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.75%，Ca0.21%，Mn0.15%，其余为Mg和不可避免的杂质；
所述镁合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）合金冶炼及铸造：在体积比为1:99的SF6和CO2气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化，将纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金在140~220℃预热15~30分钟后，加入熔化的镁锭中，加入时应迅速将纯锌、Mg-30%Ca中间合金及Mg-3%Mn中间合金压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃的模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；
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（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300~330℃预热1~2小时，挤压温度为300~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min。
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| CN106676357A (zh) | 2017-05-17 |
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