CN102534329A - 一种高强度、大塑性镁合金制备方法 - Google Patents

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田哿
柴祥
黄巍
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Abstract

本发明涉及一种高强度、大塑性镁合金制备，其组分（wt%）为：3-6%Al、1-3%Zn、1.0-2.0%Ti、0.35-0.8%RE(Nd、Y、Ce、Gd)，杂质元素：Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%，余量为Mg。熔炼时将纯镁、铝锭、锌锭在熔炉中熔化，加入中间合金熔炼得到镁合金，再进行固溶强化处理和时效处理。本发明制得的镁合金特点在于：与目前商用AZ、ZK系列镁合金相比，具有高强度（＞350MPa）、高韧性（延伸率＞20%）、低密度、阻燃性好等兼具一体的综合性能。

Description

一种高强度、大塑性镁合金制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法，具体涉及一种利用微合金化制备的高强度、大塑性镁合金及其制备方法。属于金属材料类及冶金领域。
背景技术
镁合金在航空航天、军工、电子、机械、汽车及其它行业中有着广泛的应用前景，主要是由于其具备密度低、抗冲击性能、电磁屏蔽性能优良、比强度比刚度高、机加工性能好等特点。我国大力开发镁合金产业，不但具有强大的资源优势，还有着巨大的市场需求。
然而，近年来镁合金替代铝合金等材料，在各行业中的应用发展比较缓慢，主要原因是目前镁合金还存在着以下显著的技术缺点：
(1)抗拉强度低：目前商用镁合金抗拉强度均＜280MPa，尤其是高温力学性能较差，当温度升高时，其强度和抗蠕变性能大幅度下降，限制了其在结构、承重等领域的应用；
(2)韧性差：目前商用镁合金延伸率普遍＜10%，限制了其加工成型性能。若要提高强度，则延伸率将大大下降，如强度最高的ZK61镁合金，其强度虽然可达275-305MPa，但其延伸率仅为4-7%；
(3)化学活性高、易于氧化燃烧：在350℃将发生燃烧，难于热加工成型；
(4)抗腐蚀性差：基体在空气中易氧化：一般在3-5天基体表面将发生氧化变灰至黑。
因此，开发镁合金制备新技术，研制开发具有优良综合性能（轻质、高强、高韧、耐热、耐蚀）的新型镁合金，无疑具有非常重要的工程价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种优化的高强度、高韧性镁合金及其制备方法，通过添加合金元素Al、Zn、Ti、RE(Nd、Y、Ce、Gd)，在适当的熔炼及热处理工艺条件下，通过细晶强化提高材料强度韧性，通过弥散强化提高材料热强性，通过置换固溶、间隙固溶提高材料强度的强化作用，使该镁合金具有比传统商业镁合金更优异的强度、延伸率和硬度等力学性能。
本发明的技术方案是：以Mg、Al、Zn为主要添加元素，采用Al为第一组分，因为Al密度小，且可热处理强化，在Mg固溶体中的极限固溶度为12.7wt %，在室温时的固溶度为2wt%，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Al 的加入量选定为3-6wt % ；采用Zn为第二组分，Zn在Mg中最大固溶度为6.2wt%，但Zn含量超过2.5%时对防腐性能有负面影响，同时为避免合金密度增加太多，Zn含量一般控制在2wt%以下，Zn能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高镁合金的疲劳极限。采用RE、Ti作为微量合金化元素，通过弥散强化以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。
本发明所提供的一种高强度、大塑性镁合金，其组分（wt%）为：3-6% Al、1-3% Zn、1.0-2.0%Ti、0.35-0.8% RE(Nd、Y、Ce、Gd)，杂质元素：Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02 %，余量为Mg。
本发明提供的高强度、大塑性镁合金制备方法包括熔炼工艺和热处理工艺。
Mg-Al-Zn-Ti-RE合金的熔炼工艺为：将纯镁、铝、锌、中间合金Mg-RE和Al-Ti先预热至100-180℃，然后将纯镁、铝锭、锌锭置于CO2和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在650-760℃保温25-45分钟，再升温至760-840℃加入Mg-RE、Al-Ti中间合金，待Mg-RE、Al-Ti中间合金熔化后将镁液升温至770-860℃保温30-50分钟；再降温至650-800℃，静置10-20分钟后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至150-300℃，制得本发明Mg-Al-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金。
热处理工艺为：将制得的Mg-A-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金进行固溶强化处理，温度为410-440℃，时间为4-10小时，淬水；将经固溶强化处理后的镁合金进行时效处理，温度为170-190℃，时间为20-40小时。
本发明所具有的实质性特点为：
(1)利用微合金化，形成细小弥散、均匀分布的稳定第二相，有效提高了镁合金的室温拉伸强度及延伸率。以Mg-3Al-2Zn-2Ti-0.6RE(30%Nd、60%Y、10%Ce)为例，经过热处理后室温抗拉强度为295MPa，延伸率为23.5 %；以Mg-6Al-2Zn-2Ti-0.8RE(30%Nd、50%Y、20%Gd)为例，经过热处理后室温抗拉强度为360MPa，延伸率为19%；而AZ系列商用形变镁合金的室温抗拉强度最高为305MPa，延伸率为11 %。Mg-Al-Zn-Ti-RE合金的机械性能明显高于AZ系列商用形变镁合金。
(2)采用Mg-RE、Al-Ti中间合金来间接添加RE、Ti元素，能够显著降低合金的熔炼温度以及减少合金在较高温度下的停留时间，减少挥发；微合金化形成的弥散均匀分布的稳定第二相，也可作为核心细化组织有效阻碍镁合金高温加热时的晶粒长大，大大提高其高温稳定性。
(3)采用CO2和Ar混合气体1∶20比例进行气体熔炼保护，根据液体熔融的不同阶段采用温度阶段性加热方式，形成低、中、高温化学转化薄膜保护技术，减少了熔融液体的挥发及夹渣，保障了铸锭的纯净及质量。
(4)对合金在不同温度下的固溶和时效行为进行了全面的研究，得到了优化的固溶处理和时效处理工艺；合金在该处理工艺下可充分发挥其固溶强化和时效强化效果。
具体实施方式     以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作详细描述。
实施例1 
熔炼1kg镁合金，取用纯镁锭（纯度99.95%）960g，锌锭（纯度99.99%）18g，中间合金(Al-20Ti）10g，（Mg-50Nd）3.6g，（Mg-50Y）7.2g，（Mg-50Ce）1.2g。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为：将纯镁锭、锌锭、中间合金Mg-RE和Al-Ti先预热至120-140℃，然后将纯镁、锌锭置于CO2和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在720-760℃保温25-35分钟，升温至760-800℃加入Mg-RE、Al-Ti中间合金，待Mg-RE、Al-Ti中间合金熔化后将镁液升温至770-785℃保温30分钟后降温至750-770℃，静置10-20分钟后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至150-200℃，得到本发明Mg-Al-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金。
合金的热处理工艺为：415 ℃固溶处理6小时，175 ℃等温时效24小时。
本实施例所得合金，经过热处理后室温抗拉强度为295MPa，延伸率为23.5 %。
实施例2
熔炼1kg镁合金，取用纯镁锭（纯度99.99%）884g，铝锭（纯度99.7%）5g，锌锭（纯度99.99%）20g，中间合金(Al-20Ti）75g，（Mg-50Nd）6.4g，（Mg-50Y）6.4g，（Mg-50Ce）3.2g。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为：将纯镁锭、锌锭、中间合金Mg-RE和Al-Ti先预热至120-140℃，然后将纯镁锭、铝锭、锌锭置于CO2和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在740-760℃保温25-35分钟，升温至780-800℃加入Mg-RE、Al-Ti中间合金，待Mg-RE、Al-Ti中间合金熔化后将镁液升温至770-785℃保温30分钟后降温至720-750℃，静置10-20分钟后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200-300℃，得到本发明Mg-Al-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金。
合金的热处理工艺为：435℃固溶处理6小时，185 ℃等温时效24小时。
本实施例所得合金，经过热处理后室温抗拉强度为360MPa，延伸率为19%。

Claims (7)

1.一种高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于该镁合金具有以下组分（wt%）：
3-6% Al、1-3% Zn、1.0-2.0%Ti、0.35-0.8% RE，杂质元素：Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0. 02 %，余量为Mg；其中，Ti和RE以中间合金形式加入。
2.根据权利要求1所述的高强度、大塑性镁合金，其特征在于：其所含组分RE为稀土总量，是Nd、Y、Ce、Gd中一种或两种或三种的组合，当为两种时，其比例为1～1.5︰1.5（质量比），当为三种时，其比例为3～4︰4～6︰1～2（质量比）。
3.根据权利要求1所述的高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于：（1）将纯镁、铝、锌、中间合金Mg-RE和Al-Ti先预热至100-180℃，然后将纯镁、铝锭、锌锭置于CO2和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；（2）熔化后在650-760℃保温25-45分钟，再升温至760-840℃加入Mg-RE、Al-Ti中间合金，待Mg-RE、Al-Ti中间合金熔化后将镁液升温至770-860℃保温30-50分钟；（3）再降温至650-800℃，静置10-20分钟后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至150-300℃，制得本发明Mg-Al-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金。
4.根据权利要求3所述的高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于：该中间合金的组成如下：Al-20Ti，Mg-50Nd，Mg-50Ce，Mg-50Y，Mg-50Gd（wt%）。
5.根据权利要求3所述的高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于：采用的气体保护类别为：CO2和Ar混合的气体，组成为CO2︰Ar=1∶20（体积比）。
6.根据权利要求3所述的高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于：将制得的Mg-Al-Zn-Ti-RE镁合金进行固溶强化处理，温度为410-440℃，时间为4-10小时，淬水。
7.根据权利要求6所述的高强度、大塑性镁合金的制备方法，其特征在于：将经固溶强化处理后的Mg-Al-Zn-Ti-RE镁合金进行时效处理，温度为170-190℃，时间为20-40小时。
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