CN104388786A - 一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金 - Google Patents

一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Mn镁合金，按质量计由以下组分组成：Sn：0.5％～2.0％，Zn：3.0％～6.0％，Al：1.0％～3.0％，其余为Mg；该镁合金由以下方法制得：首先按配比选取料并冶炼铸造得到合金铸锭，然后于250～350℃将铸锭挤压成为板材，最后采用双级固溶+单级时效方式进行热处理得成品。本发明的镁合金中加入锌、铝、锡，可以生成Mg2Sn、Mg32(Al/Zn)49相，改善合金的强度及塑形；本发明采用双级固溶+单级时效方式进行热处理，可以促进Mg-Zn相和Mg2Sn相的析出，通过第二相强化和固溶强化提高合金的综合力学性能。

Description

一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金
技术领域
本发明属于镁合金领域，涉及Mg-Zn-Al-Sn合金，特别涉及一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金。
背景技术
镁合金具有低的密度、高的比强度和比刚度、优良的阻尼性能、良好的减震性能和降噪性能以及防磁、屏蔽、散热、易切削加工、可以回收再利用且对环境没有污染等一系列优良特性，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。
商用镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金。铸造镁合金晶粒粗大，成分偏析比较严重，性能较差，不能承受复杂载荷以及体积相对较小，应用范围狭窄难以满足市场发展应用需求。与铸造镁合金相比，变形镁合金则具有优良的综合性能，具有高的强度和塑、韧性，更适合制作大型结构和满足结构多样化的需求。因此，研究开发新型高性能变形镁合金就具有重要意义。
目前，提高镁合金综合性能的主要方法是添加合金元素。常用的合金元素有Zn，Al，RE等。通过添加Zn和Al，形成AZ系变形镁合金，该系列镁合金主要在常温下使用，综合性能不够理想，不能满足将镁合金扩大到更广泛的工业领域的要求；通过添加稀土元素，如ZK系，Mg-Gd-Y-Zn-Zr系，该系列镁合金具有良好的室温和高温性能，但由于该合金成本较高，大大限制了应用范围。并且，上述镁合金体系，大部分是在棒材的情况下，综合性能较为优良，而在板材的情况下，综合性能并不理想。然而，为满足未来市场多样化的需求，研究开发新型变形镁合金板材就具有重要意义。
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，但是现在已经开发出来的镁合金也有一些不足之处，例如：合金体系中含有一些稀土元素，大大提高了成本。然而，镁合金的发展方向是显著降低成本和提高综合性能，以促进镁合金的大量工业应用。因此，发展一种低成本且具有良好综合性能的变形镁合金来促进我国镁合金大规模的生产工业化应用具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，按质量计该镁合金由以下组分组成：Sn：0.5％～2.0％，Zn：3.0％～6.0％，Al：1.0％～3.0％，其余为Mg；其屈服强度大于130Mpa，抗拉强度大于260Mpa，延伸率大于17％。
作为本发明的优选，所述镁合金由以下步骤制得：
1)冶炼铸造：按所述配比选取原材料并冶炼铸造得到Mg-Zn-Al-Sn合金铸锭；
2)热挤压：首先将步骤1)的铸锭于250～350℃预热1～2h，然后加入挤压机挤压成为板材，挤压过程中挤压筒温度为250～350℃，挤压比为5:1～20:1，挤压速度为15～25mm/s，最后空冷得到挤压板材；
3)热处理：首先将镁合金板材在290～310℃保温4～6h，然后在330～350℃保温24～28h，最后在150℃～230℃下时效5～50h，空冷至室温。
作为本发明的优选，热挤压前还包括均匀化处理步骤：首先在镁合金铸锭外包覆石墨，然后在330～340℃保温5～10h，最后在400～440℃保温15～20h后空冷。
作为本发明的优选，步骤1)首先将纯镁、纯锌、纯铝在150～250℃下预热30～90min，将纯锡在100～200℃下预热30～60min；然后在气氛保护下将工业纯镁加热到700～720℃并依此加入预热的纯锌、纯铝及纯锡；接着升温至730～750℃保温20～30min，并搅拌使其成分均匀化；最后静置20～30min，待降温至690～720℃后在气氛保护下浇铸到250～350℃的模具，得到镁合金铸锭。
本发明的有益效果在于：
本发明的镁合金中含Zn 3.0％～6.0％，Al1.0％～3.0％，Sn 0.5％～3.0％，加入锌具有固溶强化和时效强化的双重强化效果，加入铝可改善合金的铸造性能，加入锡可提高合金塑形，并与镁生成Mg2Sn相，改善合金的高温性能，通过优化锌与铝的比例，可引入Mg32(Al/Zn)49高温强化相，提高合金的高温性能；本发明挤压后的镁合金采用双级固溶+单级时效方式进行热处理，可以促进Mg-Zn相和Mg2Sn相的析出，通过第二相强化和固溶强化提高合金的综合力学性能，经过热处理后，其室温抗拉抗拉强度有望达到290MPa，其延伸率达到27％以上。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是实施例1挤压态镁合金的金相组织照片；
图2是实施例2挤压态镁合金的金相组织照片；
图3是实施例3挤压态镁合金的金相组织照片；
图4是对比实施例1挤压态镁合金的金相组织照片。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：
本实施例高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，按质量计含Zn 4％，Al 1.5％，Sn 2％，其余为镁及不可避免的杂质；其制备方法如下：
1、合金冶炼与铸造：首先按上述配比选择工业纯锌、工业纯铝、工业纯锡和工业纯镁，然后将坩埚、纯镁、纯锌、纯铝在150～250℃下预热30～90min，将纯锡在100～200℃下预热30～60min，将工业纯镁加入坩埚并加热至700～720℃使其全部熔化；然后将预热的工业纯锌、工业纯铝及工业纯锡加入坩埚中并升温至730～750℃保温20～30min使其完全熔化；接着搅拌合金熔液2～3min至其成份均匀后保温静置20～30min；最后于690～720℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸至预热到250～350℃的铁模中，得到镁合金铸锭。
2、均匀化处理：首先利用石墨覆盖上述镁合金铸锭，然后将镁合金加热至330～340℃保温5～10h，接着将该铸锭加热至400～440℃，保温15～20h并空冷完成均匀化。
3、机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸对上述均匀化的镁合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸。
4、热挤压加工：首先将铸锭加热至250～350℃下预热1～2h，将挤压筒加热至250～350℃，然后利用挤压机挤压所述镁合金铸锭；挤压过程中挤压比为10：1，挤压速度为15～25mm/s，挤压后空冷至室温，本步骤挤压所得镁合金板材的规格为125mm×8mm。本实施例具体的挤压参数如表1所示：
表1 各实施例主要挤压参数
坯料温度/℃ 挤压筒温度/℃ 模具温度/℃ 挤压速度mm/s 挤压比 挤压后板材规格mm×mm
280～300 250～300 280～300 15～25 10:1 125×8
5、热处理：首先将挤压板材置于290～310℃的热处理炉保温4～6h，然后将其置于330～350℃保温24～28h，最后置于150～230℃的热处理炉保温5～50h并空冷得到成品。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中Zn含量为4％，Al含量为1.5％，Sn含量为1％。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中Zn含量为4％，Al含量为1.5％，Sn含量为0.5％。
对比实施例1：
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中不含Sn。
性能检测：
1、微观组织检测：
图1是实施例1挤压态镁合金(未热处理)的金相照片；
图2是实施例2挤压态镁合金(未热处理)的金相照片；
图3是实施例3挤压态镁合金(未热处理)的金相照片；
图4是对比实施例1挤压态镁合金(未热处理)的金相照片。
对比图1-4可以看出：挤压过程中，随着Sn含量的上升，晶粒逐渐细化，这主要是因为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Mg2Sn硬质颗粒，随着Sn含量的增加，第二相数量增加，其细化效果也更加明显。
2、力学性能测试：
表2为实施例1、2、3及对比例1的未热处理镁合金挤压态镁合金的力学性能测试结果：
表2 实施例1、2、3、对比例1挤压态镁合金力学性能
实施例 屈服强度(Mpa) 抗拉强度(Mpa) 延伸率(％)
1 147 280 17.4
2 143 273 25.1
3 138 267 26.2
对比实施例1 125 263 27.4
表3为实施例1热处理后镁合金的力学性能测试结果：
表3 实施例1热处理后镁合金的力学性能
实施例 屈服强度(Mpa) 抗拉强度(Mpa) 延伸率(％)
1 154 288 23.5
由表2和表3可以看出，随着锡含量的上升，合金的屈服强度和抗拉强度均得到明显提升，但其延伸率也呈下降趋势；而采用双级固溶+单级时效热处理方法处理后，实施例1合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率均得到提升，特别是其延伸率提高了约1/3，有效克服了挤压态镁合金塑形下降的问题。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，其特征在于：按质量计该镁合金由以下组分组成：Sn：0.5％～2.0％，Zn：3.0％～6.0％，Al：1.0％～3.0％，其余为Mg；其屈服强度大于130Mpa，抗拉强度大于260Mpa，延伸率大于17％。
2.根据权利要求1所述高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，其特征在于：所述镁合金由以下步骤制得：
1)冶炼铸造：按所述配比选取原材料并冶炼铸造得到Mg-Zn-Al-Sn合金铸锭；
2)热挤压：首先将步骤1)的铸锭于250～350℃预热1～2h，然后加入挤压机挤压成为板材，挤压过程中挤压筒温度为250～350℃，挤压比为5:1～20:1，挤压速度为15～25mm/s，最后空冷得到挤压板材；
3)热处理：首先将镁合金板材在290～310℃保温4～6h，然后在330～350℃保温24～28h，最后在150℃～230℃下时效5～50h，空冷至室温。
3.根据权利要求2所述高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，其特征在于：热挤压前还包括均匀化处理步骤：首先在镁合金铸锭外包覆石墨，然后在330～340℃保温5～10h，最后在400～440℃保温15～20h后空冷。
4.根据权利要求2所述高强度高塑性Mg-Zn-Al-Sn镁合金，其特征在于：步骤1)首先将纯镁、纯锌、纯铝在150～250℃下预热30～90min，将纯锡在100～200℃下预热30～60min；然后在气氛保护下将工业纯镁加热到700～720℃并依此加入预热的纯锌、纯铝及纯锡；接着升温至730～750℃保温20～30min，并搅拌使其成分均匀化；最后静置20～30min，待降温至690～720℃后在气氛保护下浇铸到250～350℃的模具，得到镁合金铸锭。
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