CN103695741A

CN103695741A - 一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金及其制备方法

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Publication number: CN103695741A
Application number: CN201310695013.0A
Authority: CN
Inventors: 杨院生; 赵东清; 董旭光; 罗天骄; 周吉学
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS; New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS; New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN103695741B

Abstract

本发明涉及镁合金领域，具体为一种Mg‐Zn‐Al‐Sn‐Mn系镁合金及其制备方法，解决现有技术中含锆镁合金成本较高，以及不含锆镁合金力学性能较低等问题。该镁合金是含Zn、Al、Sn、Mn等合金元素，并具有高强度、高塑性的变形镁合金材料。合金中同时含有Zn、Al、Sn、Mn，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～8.0%；Al：1.0～6.0%；Sn：0.5～6%；Mn：0.3～2.0%；其余为镁和不可避免杂质。采用工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯Al、工业纯Sn和Mg‐10.0wt%Mn中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金。本发明镁合金在铸态和挤压态条件下可获得高的强度和优良的塑性，不含贵重金属元素，具有良好的挤压性能和成型性能。

Description

一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金领域，具体为一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金及其制备方法，该镁合金是含Zn、Al、Sn、Mn等合金元素，并具有高强度、高塑性的变形镁合金材料。

背景技术

由于镁合金具有质轻、减震、电磁屏蔽性能好、良好的切削加工性等的优点，在航空航天、电子产品、汽车等行业具有重要应用价值和广泛应用前景。

然而，镁合金为典型密排六方结构，室温变形时只有单一的基面滑移系，变形能力较差，限制了镁合金的应用。目前应用最多的变形镁合金系主要有AZ、ZK、AM系，大部分高强度镁合金都含有锆，典型牌号为ZK60，抗拉强度达到340MPa，伸长率为9%，但贵金属Zr的存在使得合金成本较高，限制了应用；不含锆的镁合金，典型的有AZ31和AM60，虽然价格便宜，但强度较低，力学性能达不到工业需求。因此，发展一种不含锆的、综合性能良好的镁合金具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金及其制备方法，解决现有技术中含锆镁合金成本较高，以及不含锆镁合金力学性能较低等问题，所述镁合金材料为高强度、高塑性的变形镁合金材料，通过挤压变形后选择合理的热处理工艺获得优良的力学性能。

本发明采用的技术方案：

一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，合金中同时含有Zn、Al、Sn、Mn，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～8.0%；Al：1.0～6.0%；Sn：0.5～6%；Mn：0.3～2.0%；其余为镁和不可避免杂质。

所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，优选的，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～8.0%；Al：1.0～4.0%；Sn：1.0～5.0%；Mn：0.3～2.0%；其余为镁和不可避免杂质。

所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，更优选的，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～6.0%；Al：2.0～3.0%；Sn：2.0～4.0%；Mn：0.5～1.5%；其余为镁和不可避免杂质。

本发明镁合金中，不可避免杂质元素含量低于1.0wt%。

本发明确定合金成分的设计思想是：

（1）采用Zn作为第一组分，其质量百分含量为4.0～8.0%，Zn的最高固溶度为6.2%，具有固溶强化和时效强化的双重作用，然而高Zn镁合金结晶温度区间大，流动性大大降低，铸造性能变差，有引起疏松和热裂倾向。

（2）Al含量1.0～6.0%，Al元素具有良好固溶强化和第二相强化能力，可以改善Mg-Zn合金的铸造性能，并且通过控制Zn和Al元素的添加比例，还可引入Mg₃₂(Al,Zn)₄₉高温强化相。

（3）Sn含量为0.5～6%，Sn元素能提高合金塑性变形能力，降低热加工时的开裂倾向，具有显著时效强化能力，形成的Mg₂Sn相可改善合金高温性能。

（4）Mn可以改善挤压Mg-Zn-Al-Zn合金的组织形貌，细化晶粒，提高合金力学性能，Mn元素含量为0.3～2.0%。

本发明镁合金材料通过挤压变形可以获得传统高强镁合金的强度，同时伸长率大大提高，并且可以通过后续热处理进一步提高材料力学性能，不含贵金属，成本低。

本发明Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金的制备方法，采用工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯Al、工业纯Sn和Mg-10.0wt%Mn中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金，具体步骤包括：

（1）合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Al、Mg-10wt%Mn中间合金在150～200℃下预热20～30分钟，将纯Sn在100～150℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Zn、纯Sn、纯Al和Mg-10%wtMn中间合金，升温至730～750℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～710℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；

（2）合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在310～350℃下固溶2～12小时，再升温至390～430℃固溶2～8小时，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。

（3）挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺（T5），首先在60～80℃下时效4～24小时，然后在160～225℃下时效1～8小时，空冷至室温。

所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金的制备方法，CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5%，SF6占0.5～1.0%。

本发明的优点及有益效果如下：

（1）采用Zn作为第一合金化元素，保证了固溶强化和时效强化效果，Al元素的加入改善了Mg-Zn二元合金的铸造性能，并且通过控制Zn和Al元素的添加比例，可以引入Mg₃₂(Al,Zn)₄₉高温强化相；Sn元素的加入提高了合金的塑性变形能力，同时Mg₂Sn相的形成可以改善合金高温性能，加入少量Mn元素可以在尽量不降低塑性的同时改善挤压合金的组织形貌，提高合金力学性能。

（2）本发明镁合金材料不含贵金属，成本低，通过挤压变形可以获得传统高强镁合金的强度，同时伸长率大大提高，并且可以通过后续热处理进一步提高材料力学性能。

（3）本发明挤压态合金室温抗拉强度可以达到310MPa以上，屈服强度达到190MPa以上，伸长率达到18%以上，经时效处理后，屈服强度可以达到230MPa以上，延伸率仍可达到16%以上。

（4）本发明合金可以实现在250℃挤压成型，具有良好地低温成型能力。

附图说明

图1为本发明镁合金（实施例1）铸态时在325℃、应变速率为0.1s-1下的真应力-应变曲线。

图2为本发明镁合金（实施例1）的挤压态金相组织照片。

图3为本发明镁合金（实施例2）的挤压态金相组织照片。

图4为本发明镁合金（实施例3）的挤压态金相组织照片。

图5为本发明镁合金（实施例4）的挤压态金相组织照片。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

合金成分（质量百分比）为：Zn为4.0%，Al为3.0%，Sn为2.0%，Mn为1.2%，其余为镁和不可避免杂质。

实施例2：

合金成分（质量百分比）为：Zn为5.0%，Al为2.0%，Sn为2.0%，Mn为0.8%，其余为镁和不可避免杂质。

实施例3：

合金成分（质量百分比）为：Zn为5.0%，Al为2.0%，Sn为3.0%，Mn为0.6%，其余为镁和不可避免杂质。

实施例4：

合金成分（质量百分比）为：Zn为4.0%，Al为3.0%，Sn为2.0%，Mn为1.5%，其余为镁和不可避免杂质。

按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明镁合金材料：

（1）合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Al、Mg-10wt%Mn中间合金在150～200℃（实施例1为150℃，实施例2为160℃，实施例3为190℃，实施例4为200℃）下预热20～30分钟（实施例1为30分钟，实施例2为25分钟，实施例3为20分钟，实施例4为22分钟），将纯Sn在100～150℃（实施例1为100℃，实施例2为120℃，实施例3为130℃，实施例4为150℃）下预热20～30分钟（实施例1为30分钟，实施例2为25分钟，实施例3为20分钟，实施例4为22分钟）；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃（实施例1为700℃，实施例2为720℃，实施例3为710℃，实施例4为715℃）保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Zn、纯Sn、纯Al和Mg-10wt%Mn中间合金，升温至730～750℃（实施例1为730℃，实施例2为740℃，实施例3为750℃，实施例4为735℃）后保温20～30分钟（实施例1为30分钟，实施例2为25分钟，实施例3为20分钟，实施例4为22分钟），待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～710℃（实施例1为690℃，实施例2为700℃，实施例3为710℃，实施例4为695℃），在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；CO₂和SF6混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5%，SF₆占0.5～1.0%。

（2）合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在310～350℃（实施例1为310℃，实施例2为320℃，实施例3为350℃，实施例4为340℃）下固溶2～12小时（实施例1为12小时，实施例2为10小时，实施例6为10小时，实施例4为2小时），再升温至390～430℃（实施例1为390℃，实施例2为400℃，实施例3为410℃，实施例4为430℃）固溶2～8小时（实施例1为8小时，实施例2为6小时，实施例3为4小时，实施例4为2小时），最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数如表1所示。

表1本发明镁合金材料主要挤压参数

（3）挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺（T5），首先在60～80℃（实施例1为60℃，实施例2为70℃，实施例3为80℃，实施例4为75℃）下时效4～24小时（实施例1为24小时，实施例2为16小时，实施例3为8小时，实施例4为4小时），然后在160～225℃（实施例1为160℃，实施例2为180℃，实施例3为200℃，实施例4为225℃）下时效1～8小时（实施例1为8小时，实施例2为6小时，实施例3为4小时，实施例4为1小时），空冷至室温。

本发明实施例1～4挤压态和热处理态下的室温力学性能如表2所示。

表2本发明所述镁合金材料的室温力学性能

如图1所示，从实施例1铸态时在325℃、应变速率为0.1s^-1下的真应力-应变曲线可以看出，真应力-真应变曲线表现出明显的动态再结晶特征。首先，随应变增加应力增大，曲线斜率为正值，这时加工硬化占主导作用；当达到一个临界变形量，开始发生动态再结晶，曲线斜率逐渐减小，随着应变进一步加大，动态再结晶速度加快，由此引起的软化作用逐渐可以抵消加工引起的硬化，当二者达到平衡时，应力达到峰值，曲线斜率降低为零；随后，流变应力逐渐降低并趋于一个稳定值，也就是加工硬化和动态再结晶软化在持续变形过程中保持平衡，流变应力维持在一个稳定的范围。

如图2～图5所示，从实施例1至实施例4的挤压态金相组织照片可以看出，合金均发生了完全的动态再结晶，形成了均匀的等轴晶粒。

实施例结果表明，本发明镁合金在铸态和挤压态条件下可获得高的强度和优良的塑性，不含贵重金属元素，具有良好的挤压性能和成型性能。

Claims

1.一种Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，其特征在于，合金中同时含有Zn、Al、Sn、Mn，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～8.0%；Al：1.0～6.0%；Sn：0.5～6%；Mn：0.3～2.0%；其余为镁和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，其特征在于，优选的，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～8.0%；Al：1.0～4.0%；Sn：1.0～5.0%；Mn：0.3～2.0%；其余为镁和不可避免杂质。

3.根据权利要求1所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金，其特征在于，更优选的，各组份质量百分含量为：Zn：4.0～6.0%；Al：2.0～3.0%；Sn：2.0～4.0%；Mn：0.5～1.5%；其余为镁和不可避免杂质。

4.一种权利要求1-3之一所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金的制备方法，其特征在于，采用工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯Al、工业纯Sn和Mg-10.0wt%Mn中间合金为原材料，通过熔炼和挤压成型获得所述镁合金，具体步骤包括：

（1）合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Al、Mg-10wt%Mn中间合金在150～200℃下预热20～30分钟，将纯Sn在100～150℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Zn、纯Sn、纯Al和Mg-10%wtMn中间合金，升温至730～750℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到690～710℃，在CO₂和SF6混合气体保护下浇铸成锭；

（2）合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在310～350℃下固溶2～12小时，再升温至390～430℃固溶2～8小时，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温；

（3）挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺T5，首先在60～80℃下时效4～24小时，然后在160～225℃下时效1～8小时，空冷至室温。

5.按照权利要求4所述的Mg-Zn-Al-Sn-Mn系镁合金的制备方法，其特征在于，CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5%，SF₆占0.5～1.0%。