CN103938044A - 一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金，该变形镁合金的各组分的元素的质量百分含量为：Sn含量为3～5％；Al含量为1％；Zn含量为0.5～2.0％；不可避免的杂质含量≤0.10％；剩余为Mg。本发明采用Zn、Al元素对Mg-Sn镁合金进行变质处理，能够细化晶粒，改善合金组织；同时提高了其抗拉强度和延伸率，有利于后期的加工成形，且本发明所述的制备方法简单，设备成本较低、容易实施。

Description

一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金。

背景技术

镁合金具有高的比强度和比刚度，出色的尺寸稳定性和阻尼减震性，高回收能力等，使其被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”。近年来，能源资源日趋紧张，推进汽车轻量化，降低车身质量可以有效的降低能耗，减少污染，镁合金作为轻量化金属结构材料在汽车制造业中具有广阔的应用前景，人们也逐步认识到镁合金在交通、家电等领域中的应用。

全世界每年生产镁材约为30万吨，其中压铸材料占90％，变形材料仅占0.5％，用量甚微。相比于铸造镁合金，变形镁合金具有更佳的力学性能及可后续热处理，满足更多样化的结构件需求。研究发现，限制镁合金挤压工艺的主要因素是挤压速度低，如AZ80，ZK60仅能在0.5‐2.5m/min范围内挤压，远低于铝合金，限制了其在工业上的应用。相比于传统的AZ，ZK系镁合金(如AZ31,AZ91,AM60,ZK61)，Mg‐Sn基合金通常有更高的初期熔化温度及高熔点Mg₂Sn金属间相阻止热脆的发生，因而具有在高速下挤压的潜力，且其性能主要由沉淀析出过程所控制，弥散分布在晶内Mg₂Sn沉淀相粒子将改善其基体高温性能，因而被认为是一种新型低成本、高强度的耐热变形镁合金。然而，由于Sn在Mg中的扩散速度慢，以至于到达时效峰值的时间比较长，不利于工业生产。此外，对于Mg‐Sn二元合金，片条状的Mg₂Sn相在惯习面为Mg基体的基面上析出，不能有效阻碍位错在基面的滑移，因此对强度的提高有限；且Sn含量过高导致Mg₂Sn相粗大，使得力学性能下降，有研究表明Sn含量为3～5％时，力学性能较好。

发明内容

本发明提供了一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金，该合金中添加Zn、Al元素，对Mg-Sn镁合金进行变质处理，能够细化晶粒，改善合金组织，同时提高了其抗拉强度和延伸率，有利于后期的加工成形。所述合金的制备方法简单，设备成本较低、容易实施。

本发明的技术方案是：镁-锡-锌-铝系镁合金，该合金各组份的重量百分含量为

Sn含量为3～5％；

Al含量为1％；

Zn含量为0.5～2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

上述合金较好的技术方案是，所述变形镁合金各组分的重量百分比为：

Sn含量为3％；

Al含量为1％；

Zn含量为0.5～2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

上述合金进一步的技术方案是，该变形镁合金各组分的重量百分比为：

Sn含量为3％；

Al含量为1％；

Zn含量为2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

上述镁-锡-锌-铝系镁合金中不可避免的杂质为Fe，Si，Cr，其各组分的重量百分比为：Fe＜0.028％，Si＜0.030％，Cr＜0.018％。

上述镁合金的制备方法有以下步骤：

1)按上述取各组份原料，放入真空电磁感应炉中，在氩气保护气氛情况下进行熔炼，温度为740～750℃；

2)合金全部熔化后，在720℃左右保温5min，使合金更加均匀化；

3)取出盛有合金溶液的钢坩埚，放入盐水中快冷约1分钟，得到镁-锡-锌-铝Ф85mm的实心合金铸锭锭子；

本发明所述合金中，Sn在镁中具有强烈的固溶强化作用，可以有效的细化晶粒，形成高硬度、高熔点、热稳定性好Mg₂Sn颗粒，显著提高镁合金的力学性能；而经过时效处理后Mg₂Sn相弥散的分布在晶粒内和晶界处，同时起到晶内强化和晶界强化的作用，在基体中，就可以明显的改善合金的室温及高温的力学性能。但是Sn的含量过高，会出现大块的颗粒相，显著的降低合金的塑性，其最佳添加量为3～5％，本发明中较好的是添加量为3％；Al能在熔炼时提高合金溶液的流动性且能提高合金的室温强度，但过高的Al会降低合金的高温力学性能，本发明中采用1％Al基本上全固溶到基体中，并没有形成Mg₁₇Al₁₂相，并且低含量Al能够改善合金的挤压性能；Zn能明显改变Mg₂Sn相的形态及与基体的位相关系，提高合金时效硬化反应，Mg-Zn相可以成为Mg₂Sn相的形核质点。本发明中Zn元素含量较低(0.5～2.0％)，主要固溶在基体中，并没有形成Mg-Zn二元相；Mg-Zn-Al三元相只当Zn/Al比超过3时才形成，所以也没有形成Mg-Zn-Al三元相。随着Zn含量的增加，在晶界上Mg₂Sn颗粒逐渐增多，且其尺寸也逐渐粗化，意味着Sn在α-Mg中的固溶度随着Zn含量变化而变化。增多的Mg₂Sn颗粒促进了“Zener”效应，即Mg₂Sn颗粒有效地阻碍了晶界的滑动，进而细化了晶粒。一方面，Zn,Sn元素的富集产生成分过冷，进而阻止晶粒的长大，并且Zn元素为Mg2Sn相提供形核质点；另一方面，溶质偏析影响晶粒大小可用生长限制因素值(GRF)描述，Al、Zn、Sn的GRF值(GRF是生长限制因素，其具体可用数值来表示，数值越大说明这个元素有较强的限制晶粒生长的作用，即晶粒不易长大也就是具有较强的细化晶粒作用)分别为4.32，5.31，1.47，即Zn元素产生较强的晶粒细化作用。因此，可通过添加Zn，Al元素有效的改善合金的组织，性能。

本发明所述合金，Al有较强的固溶强化作用，且适量的Al能够提高合金时效硬化反应，能够改善合金的强韧性和塑性加工能力，另外可通过控制Zn和Al的量，抑制Mg₁₇Al₁₂形成，从而改善合金的高温力学性能；Zn能改善熔体流动性，在沉淀硬化，时效过程中有多种非平衡相析出，改变了析出相粒子的形貌，位向关系，显著地提高了时效硬化反应。此外在热挤压过程中，具有较高的高温稳定性的Mg₂Sn相形成足够的钉扎以阻止晶粒的长大，使得挤压产品的力学性能较好。因此，本发明所述Mg-Sn-Zn-Al系作为比较有潜力的变形镁合金，可通过塑性变形提高其力学性能，适用于工业上的应用。

本发明的制备方法具有以下优点：

①本合金锭制备操作简单方便、耗时很短；

②相比传统的重力铸造，本发明的盐浴冷却方法得到的合金的组织更加的细密，冷却凝固时间很短能有效的解决成分偏析；

③本合金具有低Al含量，可以在较高挤压速度下挤压，且综合力学性能较好，Zn的添加促进了挤压过程中Mg₂Sn相的析出，起到细化晶粒作用及提高了力学性能；

④该方法不需另外的铸模，熔炼时间很短，降低了成本。

本发明所述合金中添加Zn、Al元素，对Mg-Sn镁合金进行变质处理，能够细化晶粒，改善合金组织，同时提高了其抗拉强度和延伸率，有利于后期的加工成形。实验结果表明，所述合金的塑性、后期加工成型性能较好，适合于挤压，在350℃下挤压速度达到4-5m/min，且挤压后的综合力学性能好。本发明所述合金还有制备方法简单，成本较低、容易实施的优点。

本发明所述的镁合金材料制备时使用的原材料为：

高纯镁锭，其纯度＞99.9％(重量百分含量，下同)；

纯锌，其纯度为＞99.9％；

纯铝锭，其纯度＞99.9％；

纯锡粒，其纯度为分析纯。

附图说明

图1为铸态Mg-3Sn-1Al合金的XRD图谱；

图2为铸态Mg-3Sn-1.5Zn-1Al合金的XRD图谱；

图3为铸态Mg-3Sn-xZn-1Al(x＝0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金的金相图谱，其中ax＝0,b x＝0.5,c x＝1.0,d x＝1.5,e x＝2.0；

图4为铸态Mg-3Sn-xZn-1Al(x＝0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金的扫描图谱，其中ax＝0,b x＝0.5,c x＝1.0,d x＝1.5,e x＝2.0；

图5为挤压态Mg-3Sn-xZn-1Al(x＝0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金的金相图谱，其中ax＝0,b x＝0.5,c x＝1.0,d x＝1.5,e x＝2.0；

图6为挤压态Mg-3Sn-2Zn-1Al合金析出的Mg₂Sn相TEM图谱。

具体实施方式

镁-锡-锌-铝变形镁合金中各组分的重量百分含量，见表1：

表1重量百分比含量％

	Sn	Zn	Al	杂质	Mg
						实施例1	3.0	0	1.0	0.053	95.947
实施例2	3.0	0.5	1.0	0.076	95.424
						实施例3	3.0	1.0	1.0	0.072	94.928
实施例4	3.0	1.5	1.0	0.063	94.437
						实施例5	3.0	2.0	1.0	0.045	93.955

按照实例1-5中的成分，选择本发明所需要的原材料，制备合金前的准备工作包括：打磨，去除原材料的表面的氧化物、杂质，然后按实例的比例配料并分别装入钢坩埚中。原材料准备好后，将钢坩埚放入真空电磁感应炉中，在氩气保护气氛下进行熔炼，待坩埚中的材料完全熔化后，在720℃左右保温5min，然后将钢坩埚放入盐水中快冷成型得到Ф85mm的实心合金铸锭。之后，采用分级均匀化处理(325℃*12h+500℃*10h)，均匀化后车皮，去除氧化层。挤压之前，锭子和模具在350℃保温40min，之后在350℃下挤压，挤压比为25:1，挤压速度约为4～5m/min。

本发明中以这种工艺制备了5种成分不同的合金，即Mg-3Sn-1Al、Mg-3Sn-1Al-XZn(X＝0.5,1.0,1.5,2.0)镁合金。采用XRF-1800CCDE型X射线荧光光谱仪，蔡司Axiovert40MAT金相显微镜，TESCAN VEGAII扫描电子显微镜及LIBRA200FE场发射透射电子显微镜对合金的成分、组织进行分析；采用新三思CMT-5105微机控制电子万能试验机进行拉伸试验测试合金的力学性能，见表2。

表2挤压态Mg-3Sn-xZn-1Al合金的室温力学性能

图1-2所示的是Mg-3Sn-1Al及Mg-3Sn-1Al-1.5Zn合金的XRD图谱，可以发现，合金中主要相为α-Mg和Mg₂Sn相，并没有形成Mg-Zn、Mg-Zn-Al新相，同时也没有Mg₁₇Al₁₂相的析出。图3、4所示的是Mg-3Sn-1Al-XZn(X＝0，0.5,1.0,1.5,2.0)铸态合金的金相、扫描图。可以看出，合金的铸态组织是由基体组织和Mg₂Sn相组成；添加Zn元素后，晶粒明显的细化，Mg₂Sn颗粒增多且有粗化的趋势。

由图5可以看出，由于在热挤压过程中发生再结晶，挤压态的晶粒细小，且随着Zn含量的增加，晶粒尺寸显著地变小。由图6看出，Mg-3Sn-2Zn-1Al在热挤压过程中析出了细小的Mg₂Sn颗粒，其尺寸约为20-100nm。这些颗粒的形成可能是塑性变形是产生的位错为Mg₂Sn相提供了形核质点，且抑制了挤压后晶粒的长大，进而提高力学性能。由表1知，合金的抗拉强度及屈服强度随着提高，且延伸率也略有增加，Mg-3Sn-2Zn-1Al合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为290Mpa、185Mpa及12.2％。根据霍尔佩奇公式(Δσ_grain＝κd^-1/2，κ取0.29MPa·m^1/2)，Mg-3Sn-2Zn-1Al合金因晶粒细化而提升的强度值约为95.6Mpa，因此合金强度的提高主要归结于晶粒细化。

结论：Zn元素有着较强的细化晶粒作用，2％Zn时达到最佳；Mg-3Sn-2Zn-1Al合金在350℃挤压速度较快，达到4-5m/min，且挤压后具有较好的综合力学性能，抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为290Mpa、185Mpa及12.2％。

Claims (4)

1.一种适用于挤压的镁-锡-锌-铝变形镁合金，其特征在于，该变形镁合金的各组分的元素的重量百分含量为：

Sn含量为3～5％；

Al含量为1％；

Zn含量为0.5～2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的镁-锡-锌-铝变形镁合金，其特征在于，该变形镁合金各组分的重量百分比为：

Sn含量为3％；

Al含量为1％；

Zn含量为0.5～2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

3.根据权利要求1所述的镁-锡-锌-铝变形镁合金，其特征在于，该变形镁合金各组分的重量百分比为：

Sn含量为3％；

Al含量为1％；

Zn含量为2.0％；

不可避免的杂质含量≤0.10％；

余量为Mg。

4.根据权利要求1-3任一所述的镁-锡-锌-铝变形镁合金，其特征在于：不可避免的杂质为Fe，Si，Cr。