CN103866170A

CN103866170A - 一种稀土镁合金及其薄板的制备方法

Info

Publication number: CN103866170A
Application number: CN201410065340.2A
Authority: CN
Inventors: 黎小辉; 戚文军; 宋东福; 郑开宏; 周楠; 徐静; 甘春雷
Original assignee: GUANGDONG RESEARCH INSTITUTE OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY (GUANGZHOU RESEARCH INSTITUTE OF NON-FERROUS METALS)
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: CN103866170B

Abstract

一种稀土镁合金，其特征是组分及其质量百分比为：Zn0.5~4.0%、Gd0.1~2%和Zr0.3~0.9%，其余为Mg。所述的稀土镁合金薄板的制备方法是将稀土镁合金铸锭进行均匀化退火处理，然后用水冷却，再进行铣面；将铣面后的坯料预热后，开始4~8道次的轧制，每轧制2~3道次后回炉并加热，继续轧制，总压下量为70~95%；热轧后的板材退火；热轧后的中厚板在室温下经2~4道冷轧；冷轧薄板退火后，得到所述稀土镁合金薄板。本发明提供一种稀土镁合金及其塑性高、热稳定性好的薄板的制备方法。和热轧相比，冷轧可以避免镁合金在加热过程中的氧化成膜，且制成的产品尺寸精确，厚度均匀，获得热轧无法生产的薄带材，可实现大规模生产与应用。

Description

一种稀土镁合金及其薄板的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种稀土镁合金及其薄板（0.4~2mm）的制备方法。具体是根据稀土元素对镁合金塑性的提升作用，在传统镁合金基础上添加适量的稀土元素，通过控制随后的热轧、冷轧及后续热处理工艺，获得高塑性、高热稳定性的稀土镁合金薄板。

背景技术

镁合金具有比强度和比刚度高、铸造性能好、电磁屏蔽和阻尼性能优异及可回收再利用等特点，在航空航天、交通工具、电子通讯、光学仪器、计算机制造等领域具有广泛的应用前景。由于镁及合金的室温变形能力差、热稳定性及耐蚀性能差严重阻碍了镁合金进一步的拓展应用。由于镁合金具有密排六方结构，通常在常温下的塑性变形仅限于基面滑移和锥面孪生，当变形温度超过225℃时其柱面和锥面滑移系开动，塑性变形能力大幅提高。此外，常见商业化镁合金中的二次强化相粒子如Mg₁₇Al₁₂ 、MgZn₂相熔点仅为437℃、347℃，热稳定性能差，在高温下容易发生粗化和软化，减小了对晶界滑移的阻挡作用，其工作温度一般不超过150℃。因此，改善镁合金室温变形能力和热稳定性是镁合金应用领域亟待解决的关键问题之一。

稀土元素（RE）具有独特的核外电子排布和化学特性，在镁合金中加入适量的稀土元素一方面可增强原子间结合力、减小镁原子扩散速度，对提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过程具有显著作用，特别是由于稀土金属与镁形成的化合物热稳定性高，可以显著提升镁合金的力学性能，尤其是高温性能。稀土镁合金具有良好的铸造性能，稀土元素不仅可以净化合金熔体、改善合金组织，还可以在铸造过程中显著细化晶粒，使镁合金凝固温度区间变窄，减小显微疏松和热裂纹倾向。在稀土镁合金熔体中，影响晶粒细化的两个重要因素是溶质偏析和异质形核质点。溶质偏析导致枝晶生长的液-固界面前沿生成过冷区，进而阻碍枝晶生长并提高激活成份过冷区内的形核质点的驱动力；而形核质点的形核能力决定了凝固开始及成份过冷区有效晶核的数量。此外，稀土元素还有很好的时效强化作用，可以析出非常稳定的弥散相粒子，从而能大幅度提高镁合金的高温强度和蠕变抗力。另外一方面加入稀土元素可改变镁合金轴比，提高镁合金变形能力。

CN200910011111.1A名称为《一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺》的发明专利在Mg-Zn系合金中加入0.1~10%稀土元素，铸锭经均匀化退火处理后热轧成0.1~5mm的薄板，并进行退火热处理。轧制变形后板材沿轧向的伸长率δ≥30%，沿横向的伸长率δ≥36%。制备出的板材具有较弱的基面织构、低的各向异性(平均各向异性因子在0.8~1.3 之间)。

CN201210124363.7名称为《一种高温高强韧变形镁合金材料及其制备方法》的发明专利公开了在Mg-Zn-Zr的基础上添加Y（4.5~9.8%），Er（0.5~1.5%），Ho（0.3~1.0%）及其它稀土元素（0.2~0.6%），经过熔炼、铸棒、均匀化处理及热挤压变形后，室温抗拉强度达到340~420MPa，伸长率为5~15%，在250℃高温下抗拉强度可达到310~380MPa，伸长率为18~29%。

CN200410081258.5名称为《一种含稀土钇的高塑性镁合金》的发明专利通过在ZK60合金中添加稀土Y阻碍热挤压过程中再结晶晶粒的长大，进一步细化晶粒，从而在保持合金高强度条件下提高其塑性。该发明的Mg-(5.0~8.5)Zn-(0.7~2.0)Y-(0.6~0.8)Zr合金挤压态平均晶粒尺寸为5~8 μm，室温抗拉强度为322~337 MPa，伸长率为18~21.5%。

上述三项专利中，CN200910011111.1A通过添加稀土元素和控制热轧工艺提高了合金的室温塑性变形性能，而未涉及其热稳定性；CN201210124363.7虽然通过添加较高含量的稀土元素获得了良好的室温、高温抗拉强度，但合金的经济性和室温变形能力仍有待提高，CN200410081258.5通过添加稀土元素Y细化晶粒，合金的室温抗拉强度及塑性变形能力得到了提高，同样未能考察合金的热稳定性。综上所述，研究开发一种低成本、高塑性，热稳定性良好的稀土镁合金是扩大其在高端领域应用的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种稀土镁合金。

本发明的另一个目的是提供一种塑性高、热稳定性好的稀土镁合金薄板的制备方法。

所述稀土镁合金的组分及其质量百分比为：Zn 0.5~4.0%、Gd 0.1~2%和Zr 0.3~0.9%，其余为Mg。

优选的稀土镁合金的组分及其质量百分比为：Zn 3%、Gd 2%和Zr0.6%，其余为Mg。

所述稀土镁合金薄板的制备方法由以下步骤组成：

1.将稀土镁合金铸锭在400~560℃保温10~48小时进行均匀化退火处理，然后用水冷却，再进行铣面；

2.将铣面后的坯料在400~520℃保温1~4小时，同时将轧辊预热到250~320℃，开始4~8道次的轧制，每道次的压下量为10~40%，每轧制2~3 道次后回炉并加热到400~520℃，保温30~60分钟继续轧制，最后一道次的压下量为20~40%，总压下量为70~95%；

3.热轧后的板材在300~400℃保温0.5~24 小时后退火；

4.热轧后的中厚板在室温下经2~4道冷轧，每道次的压下量为5~20%，总压下量为20~55%；

5.冷轧薄板再在250~500℃保温15~1800秒退火后，得到所述稀土镁合金薄板。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

1.本发明以Mg-Zn-Zr合金为基础成分，通过添加少量的稀土元素，利用半连续铸造工艺提高镁合金铸锭质量来减少冶金缺陷。通过大变形量热轧开坯随后进行冷轧成型获得高室温塑性、高热稳定性及低各向异性的稀土镁合金薄板，提供了一种短流程、低成本的制备方法，可实现大规模生产与应用。和热轧相比，冷轧可以避免镁合金在加热过程中的氧化成膜，且制成的产品尺寸精确，厚度均匀，可获得热轧无法生产的薄带材。

2.Zn能与Mg形成MgZn₂质点，为合金的主要强化相，Zr具有与镁相似的晶体结构，在合金中主要起细化晶粒的作用。稀土元素的加入一方面与合金中的Mg、Zn形成弥散的、高热稳定性的Mg-Zn-RE质点，另一方面抑制低熔点的二次相粒子MgZn₂的析出，从而提高合金的热稳定性（图1）。此外，稀土元素的加入有利于冷变形过程中微观剪切带的形成和孪生的产生（图2），特别是Zn和Gd的复合添加导致了组织中微观组织偏析的出现，这极大的影响着退火时再结晶织构的变化，即发生基面织构呈30^o<0001>转变（图3）。

3.经快速退火后发生了静态再结晶可获得均匀细小的组织（图4），其板材的延展性得到了大幅提升。与不含稀土元素的镁合金相比，稀土镁合金的再结晶温度和孕育期都有所提高和延长（图5），即耐高温性能得到了增强。冷轧板材经过高温长时间退火后晶粒尺寸也没有明显异常长大，说明稀土相粒子在退火过程中有效抑制了晶界的移动（图6）。

4.经过大变形量热轧开坯然后冷轧加退火后的板材室温伸长率δ>30%（图7），平均各向异性因子在0.9~1.1之间，板材在300℃的完全再结晶孕育时间为0.5小时，完全再结晶时间3小时，再结晶晶粒尺寸可达到2~10μm。

附图说明

图1 实施例1中Mg-1Zn-1Gd-0.3Zr合金铸态扫描电镜照片。

图2 实施例1中Mg-1Zn-1Gd-0.3Zr合金冷轧后的光学显微组织照片。

图3 实施例1中Mg-1Zn-1Gd-0.3Zr合金冷轧后再300℃退火30秒后的（0002）面宏观织构。

图4 实施例2中Mg-1Zn-2Gd-0.6Zr合金冷轧后再在400℃退火1分钟后的光学显微组织照片。

图5 实施例6中Mg-3Zn-2Gd-0.6Zr合金退火过程中再结晶动力学曲线。

图6 实施例1中Mg-1Zn-1Gd-0.3Zr合金冷轧板材300℃退火30秒，再升温至400℃，退火24小时后的光学显微组织照片。

图7 实施例6中Mg-3Zn-2Gd-0.6Zr合金冷轧再在420℃退火1800秒后的拉伸力学性能曲线。

具体实施方式

结合本发明技术方案的内容提供以下实施例，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 1%，Gd 1%，Zr 0.3%，其余为Mg；

1.合金方锭在400℃温度下均匀化48h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在400℃保温4小时；同时将轧辊预热到250℃，开始6道次轧制，每道次的压下量为30%。第2和第4道次后回炉加热到400℃保温30分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为40%，总压下量为90%；

3.热轧后的板材在300℃保温2小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过4道次冷轧，每道次的压下量为15%，总压下量为52%；

5.冷轧薄板再在300℃保温30秒退火处理；

实施例2

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 1%，Gd 2%，Zr 0.6%，其余为Mg；

1.合金方锭在450℃温度下均匀化24h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在450℃保温2小时；同时将轧辊预热到280℃，开始6道次轧制，每道次的压下量为35%。第2和第4道次后回炉加热到450℃保温45分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为30%，总压下量为94%；

3.热轧后的板材在350℃保温12小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过3道次冷轧，每道次的压下量为15%，总压下量为40%；

5.冷轧薄板再在400℃保温1分钟退火处理；

实施例3

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 2%，Gd 2%，Zr 0.3%，其余为Mg。

1.合金方锭在520℃温度下均匀化10h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在500℃保温1小时；同时将轧辊预热到300℃，开始4道次轧制，每道次的压下量为40%。第2道次后回炉加热到500℃保温45分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为20%，总压下量为85%；

3.热轧后的板材在400℃保温1小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过4道次冷轧，每道次的压下量为10%，总压下量为35%；

5.冷轧薄板再在450℃保温60秒退火处理；

实施例4

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 2.0%，Gd 1.0%，Zr 0.6%，其余为Mg；

1.合金方锭在460℃温度下均匀化24h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在460℃保温2小时；同时将轧辊预热到280℃，开始6道次轧制，每道次的压下量为20%。第2和第4道次后回炉加热到460℃保温30分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为30%，总压下量为90%；

3.热轧后的板材在300℃保温24小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过2道次冷轧，每道次的压下量为10%，总压下量为20%；

5.冷轧薄板再在450℃保温120秒退火处理；

实施例5

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 3.0%，Gd 1.0%，Zr 0.6%，其余为Mg；

1.合金方锭在420℃温度下均匀化16h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在460℃保温2小时；同时将轧辊预热到250℃，开始6道次轧制，每道次的压下量为15%。第2和第4道次后回炉加热到460℃保温60分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为20%，总压下量为78%；

3.热轧后的板材在350℃保温12小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过4道次冷轧，每道次的压下量为8%，总压下量为30%；

5.冷轧薄板再在400℃保温360秒退火处理；

实施例6

本实施例采用半连续铸造方法生产的厚度为100mm的方形铸锭，合金成分的质量百分比为：Zn 3.0%，Gd 2.0%，Zr 0.6%，其余为Mg；

1.合金方锭在460℃温度下均匀化24h，然后用水冷却；

2.将铣面后的坯料在460℃保温2小时；同时将轧辊预热到300℃，开始8道次轧制，每道次的压下量为15%。第2、第4和第6道次后回炉加热到460℃保温60分钟后再继续轧制，最后一道次压下量为30%，总压下量为74%；

3.热轧后的板材在380℃保温10小时退火处理；

4.热轧后的中厚板在室温下经过3道次冷轧，每道次的压下量为12%，总压下量为33%；

5.冷轧薄板再在420℃保温1800秒退火处理；

表1 实施例的测试结果

Claims

1.一种稀土镁合金，其特征是组分及其质量百分比为：Zn 0.5~4.0%、Gd 0.1~2%和Zr 0.3~0.9%，其余为Mg。

2.根据权利要求1所述的稀土镁合金，其特征是组分及其质量百分比为：Zn 3%、Gd 2%和Zr0.6%，其余为Mg。

3.权利要求1所述的稀土镁合金薄板的制备方法，其特征是由以下步骤组成：

1）将稀土镁合金铸锭在400~560℃保温10~48小时进行均匀化退火处理，然后用水冷却，再进行铣面；

2）将铣面后的坯料在400~520℃保温1~4小时，同时将轧辊预热到250~320℃，开始4~8道次的轧制，每道次的压下量为10~40%，每轧制2~3 道次后回炉并加热到400~520℃，保温30~60分钟继续轧制，最后一道次的压下量为20~40%，总压下量为70~95%；

3）热轧后的板材在300~400℃保温0.5~24 小时后退火；

4）热轧后的中厚板在室温下经2~4道冷轧，每道次的压下量为5~20%，总压下量为20~55%；

5）冷轧薄板再在250~500℃保温15~1800秒退火后，得到所述稀土镁合金薄板。