CN108517447A - 一种高塑性镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高塑性镁合金及其制备方法 Download PDF

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潘复生
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Abstract

本发明涉及一种高塑性镁合金及其制备方法，属于合金材料技术领域，该镁合金按质量百分比计，由如下组分组成：Sn 0.5‑2.0％，Ca 0.5‑1.0％，Zn 0.5‑0.8％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。通过限定镁合金中Sn，Zn和Ca的含量，保证该合金具有高塑性表现。同时，进一步限定了合金中杂质特别是Cu、Fe、Si的含量，这样既可以避免杂质对合金塑性的影响，又能充分降低杂质含量所带来的成本。另外，该镁合金的制备过程中严格限制镁合金熔炼、保温温度等工艺参数，使浇铸得到的镁合金材料组织均匀，宏微观缺陷少，进一步增强了合金的塑性表现。

Description

一种高塑性镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高塑性镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度低、减震性强、电磁屏蔽效果优异、易回收等一系列优点，在电子、电器、汽车、交通、航空、航天等领域具有广阔的应用前景。但是，镁合金属于密排六方结构，在室温下只有1个滑移面和三个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向倾斜的某些晶体内，因而滑移过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂，从而严重限制了其使用范围。影响镁合金塑性的因素多种多样，主要包括：
一、合金元素及组织形态，不同的元素对镁合金塑性的影响各不相同，这决定于合金元素的种类、性质和结构，也决定于合金中的固溶体及化合物类型。
二、材料加工状态，镁合金常用的成形技术分为铸造及压力加工两大类，不同的加工工艺有不同的特点，它们对材料的性能影响各不相同。此外，不同的铸造、挤压、轧制等成形工艺对材料的变形行为及制品的塑性也有很大的影响。
三、温度和应变速率，对变形镁合金而言，制品塑性除受合金本身性能影响外，很大程度上受变形工艺的影响。一般地，变形温度和应变速率的影响规律是：同一温度下，应变速率越大，则强度越高、塑性越低；在一定温度内，变形温度越高，则强度越低、塑性增高。
四、晶粒大小，镁合金的强度随晶粒尺寸的减小而增高，塑性也随晶粒尺寸的变小而增高。当晶粒细化到一定程度，由于晶界滑移在变形中的作用增强，多晶镁合金具备了较高的塑性变形能力。
五、镁合金的塑性变形机制，镁合金塑性变形的滑移机制：多晶镁合金在外力作用下发生塑性变形时，会沿滑移面发生滑移，滑移的本质是位错的运动。镁合金塑性变形的孪生机制：孪生的切变也是沿着特定的晶面和特定的晶体方向发生，镁的孪生面为{1012}，孪生方向为〈1011〉。镁合金塑性变形的晶界滑动机制：大尺寸晶粒塑性变形机制是镁合金中典型的滑移和孪生机制，而在含有小尺寸晶粒镁合金中，小晶粒通过晶界的滑动来协助大晶粒变形，两种机制共同作用提高了合金的变形能力。
普通镁合金板材呈现出典型的强基面织构，此时在后续塑性变形过程时基面滑移较难协调C轴方向的应变，而非基面滑移因其较高的临界剪切应力较难开启。故而，镁合金常常表现出室温下差的塑性和成型能力，严重限制了其使用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高塑性镁合金；目的之二在于提供一种高塑性镁合金的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种高塑性镁合金，按质量百分比计，所述镁合金由如下组分组成：Sn 0.5-2.0％，Ca0.5-1.0％，Zn 0.5-0.8％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
优选的，所述镁合金由如下组分组成：Sn 1.0％，Ca 1.0％，Zn 0.5％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
优选的，所述镁合金由如下组分组成：Sn 0.7％，Ca 0.5％，Zn 0.5％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
优选的，所述不可避免的杂质中Fe≤0.002％，Cu≤0.001％，Si≤0.005％。
2、所述的一种高塑性镁合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)熔炼：在保护气氛下，将纯镁锭加热到690-705℃，然后加入纯锡锭、纯锌锭和镁钙中间合金，充分搅拌熔炼，得到镁合金熔液；
(2)浇铸：将步骤(1)中得到的镁合金熔液于715-730℃下保温15-25min后除杂，然后浇铸成型，空冷后得铸锭；
(3)均匀化处理、空冷及去皮；
(4)挤压。
优选的，步骤(1)中，所述保护气氛为CO2和SF6按体积比100：1形成的混合气体。
优选的，步骤(1)中，所述镁钙中间合金中钙的质量百分比为20-25％。
优选的，步骤(3)中，所述均匀化处理具体为在350-450℃下保温10-16h。
优选的，步骤(3)中，所述去皮具体为打磨去除所述铸锭表面氧化皮。
优选的，步骤(4)中，所述挤压的工艺条件为：挤压温度为320-420℃，挤压速度为1-3mm/min，挤压比为25-40:1。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种高塑性镁合金及其制备方法，通过向镁合金中添加Sn，Zn和Ca三种组分且同时控制各组分的用量，使最终制备的镁合金挤压板材中晶粒得到了显著细化且织构类型从典型的强基面织构转变为弱化的且沿挤压方向分散的双峰织构类型，致使该合金具有高塑性表现。其中，虽然Sn元素在Mg中的固溶度较大(约为8-10wt.％)，但是其会随着温度的下降而显著下降，因此过多的Sn元素的添加会形成Mg2Sn高温稳定相，其显著恶化室温下的塑性表现，而将Sn的用量控制为0.5-2.0％，一方面可以避免上述缺陷，另一方面适量的Sn以固溶的形式存在的将会以固溶强化的形式提升合金的强度表现。室温下，Zn在Mg合金中的固溶度约为2wt.％，以固溶的形式存在的Zn在增加合金强度的同时，还会使板材织构发生一定程度的弱化及向横截面方向倾转，但是，过量的Zn则会造成Mg2Zn相的产生，从而恶化合金塑性表现，因此将Zn元素的添加量限定为0.5-0.8wt.％。室温下，Ca元素的在Mg中的固溶度约为0.2wt.％，随着Ca的添加将会形成Mg2Ca等第二相，其最终以颗粒形核机制的形式影响挤压过程中的再结晶行为，从而最终起到显著细化晶粒尺寸及弱化倾转织构的作用，此外Ca的添加会改变基面及柱面滑移的堆垛层错能，从而降低了基面滑移与柱面滑移临界剪切应力间的差距，因此更多的柱面滑移的激活的可能性参与到后续塑性变形过程中，从而增加合金的塑性表现。但过量的Ca的添加会形成大量的第二相，从而切割基体，严重的恶化合金的塑性表现，故而将Ca元素的添加量控制在0.5-1.0wt.％。此外，相对于单独Ca的添加时，Ca元素易在晶界脱溶，从而脆化晶界。而合理控制Zn与Ca元素的添加量，会强化晶界，增强晶界处的聚合能力，从而提供了合金更高塑性表现的可能。同时，进一步限定了合金中杂质特别是Cu、Fe、Si的含量，这样既可以避免杂质对合金塑性的影响，又能充分降低杂质含量所带来的成本。另外，该镁合金的制备过程中严格限制镁合金熔炼、保温温度等工艺参数，使浇铸得到的镁合金材料组织均匀，宏微观缺陷少，进一步增强了合金的塑性表现。
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为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材挤压态的金相图(a：Mg-0.7Sn镁合金板材；b：实施例1中制备的镁合金板材)；
图2为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材横截面扫描电镜图(a：Mg-0.7Sn镁合金板材；b：实施例1中制备的镁合金板材)；
图3为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材微观织构图(a：Mg-0.7Sn镁合金板材；b：实施例1中制备的镁合金板材)；
图4为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材拉伸断口形貌图(a：Mg-0.7Sn镁合金板材；b：实施例1中制备的镁合金板材)；
图5为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图；
图6为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金和实施例2中制备的镁合金的铸态金相图(a：Mg-2Sn-0.5Zn镁合金；b：实施例2中制备的镁合金)；
图7为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材和实施例2中制备的镁合金板材挤压态金相图(a：Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材；b：实施例2中制备的镁合金板材)；
图8为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材和实施例2中制备的镁合金板材微观织构图(a：Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材；b：实施例2中制备的镁合金板材)；
图9为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材和实施例2中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图；
图10为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金和实施例3中制备的镁合金的铸态金相图(a：Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金；b：实施例3中制备的镁合金)；
图11为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材和实施例3中制备的镁合金板材挤压态金相图(a：Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材；b：实施例3中制备的镁合金板材)；
图12为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材和实施例3中制备的镁合金板材微观织构图(a：Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材；b：实施例3中制备的镁合金板材)；
图13为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材和实施例3中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
一种高塑性镁合金，按质量百分比计，所述镁合金由如下组分组成：Sn 0.72％，Ca0.5％，Zn 0.54％，不可避免的杂质为0.02％，其中Fe＝0.001％，Cu＝0.001％，Si＝0.003％，余量为镁。
该高塑性镁合金的制备方法如下：
(1)熔炼：在CO2和SF6按体积比100：1形成的混合气体下，将纯镁锭加热到700℃，然后加入纯锡锭、纯锌锭和镁钙中间合金，充分搅拌熔炼，得到镁合金熔液，其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为20％；
(2)浇铸：将步骤(1)中得到的镁合金熔液于730℃下保温15min后除杂，然后浇铸成型，空冷后得铸锭；
(3)均匀化处理、空冷及去皮：将经步骤(2)处理后铸锭在400℃下保温12h，空冷后打磨去除所述铸锭表面氧化皮；
(4)挤压：将经步骤(3)处理的铸锭在挤压温度为400℃，挤压速度为1.2mm/min，挤压比为32:1的条件下进行挤压，获镁合金板材。
从显微组织(晶粒、第二相、织构)，断口形貌以及力学性能(尤其是塑性表现)将实施例1中制备的镁合金板材与Mg-0.7Sn镁合金板材进行对比研究。
图1中a为Mg-0.7Sn镁合金板材挤压态的金相图，图1中b为实施例1中制备的镁合金板材挤压态的金相图，对比图1中a和b可知，Mg-0.7Sn合金晶粒较为粗大，平均晶粒尺寸约为26.1μm，而实施例1中制备的镁合金中晶粒得到了显著细化，平均晶粒尺寸约为7.2μm。
图2中a为Mg-0.7Sn镁合金板材横截面扫描电镜图，图2中b为实施例1中制备的镁合金板材横截面扫描电镜图，由图1中a和b可知，第二相在两者中分布均较少，Mg-0.7Sn镁合金中存在着少量的Mg2Sn相，实施例1中制备的镁合金中以CaMgSn三元相为主。
图3中a为Mg-0.7Sn镁合金板材微观织构图，图3中b为实施例1中制备的镁合金板材微观织构图，由图3中a和b可知，相对于Mg-0.7Sn镁合金典型的强基面织构，实施例1中制备的镁合金呈现出沿挤压方向分散的双峰织构，且织构强度得到一定程度的弱化。
图4中a为Mg-0.7Sn镁合金板材拉伸断口形貌图，图4中b为实施例1中制备的镁合金板材拉伸断口形貌图，由图4中a和b可知，相比于Mg-0.7Sn镁合金冰糖状典型的解理断口，实施例1中制备的镁合金中主要为韧窝形式，且韧窝数量多且深，呈现出典型的韧性断裂特征。
图5为Mg-0.7Sn镁合金板材和实施例1中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图，测试环境为室温，应变速率为10-3s-1且最终所获得数据是基于平均值。由图5可知，相比于Mg-0.7Sn镁合金，实施例1中制备的镁合金展现出优异塑性表现，从12.9％显著提升至30.5％。
实施例2
一种高塑性镁合金，按质量百分比计，所述镁合金由如下组分组成：Sn 2.0％，Ca1.0％，Zn 0.7％，不可避免的杂质为0.03％，其中Fe＝0.002％，Cu＝0.001％，Si＝0.004％，余量为镁。
该高塑性镁合金的制备方法如下：
(1)熔炼：在CO2和SF6按体积比100：1形成的混合气体下，将纯镁锭加热到690℃，然后加入纯锡锭、纯锌锭和镁钙中间合金，充分搅拌熔炼，得到镁合金熔液，其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为25％；
(2)浇铸：将步骤(1)中得到的镁合金熔液于715℃下保温25min后除杂，然后浇铸成型，空冷后得铸锭；
(3)均匀化处理、空冷及去皮：将经步骤(2)处理后铸锭在450℃下保温10h，空冷后打磨去除所述铸锭表面氧化皮；
(4)挤压：将经步骤(3)处理的铸锭在挤压温度为320℃，挤压速度为1.0mm/min，挤压比为40:1的条件下进行挤压，获得镁合金板材。
从显微组织(晶粒、第二相、织构)以及力学性能(尤其是塑性表现)将实施例2中制备的镁合金板材与Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材进行对比研究。
图6中a为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金铸态金相图，图6中b为实施例2中制备的镁合金铸态金相图，对比图6中a和b可知，Mg-2Sn-0.5Zn合金晶粒较为粗大，而实施例2中制备的镁合金中晶粒得到了显著细化。
图7中a为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材挤压态金相图，图7中b为实施例2中制备的镁合金板材挤压态金相图，对比图7中a和b可知，Mg-2Sn-0.5Zn合金晶粒较为粗大，且晶粒极为不均匀，而实施例2中制备的镁合金中晶粒得到了显著细化，且组织的均匀程度得到明显提升。
图8中a为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材微观织构图，图8中b为实施例2中制备的镁合金板材微观织构图，对比图8中a和b可知，相对于Mg-2Sn-0.5Zn镁合金典型的强基面织构，实施例2中制备的镁合金呈现出沿挤压方向分散的双峰织构，且织构强度得到显著的弱化。
图9为Mg-2Sn-0.5Zn镁合金板材和实施例2中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图，测试环境为室温，应变速率为10-3s-1且最终所获得数据是基于平均值，由图9可知，相比于Mg-2Sn-0.5Zn镁合金，实施例2中制备的镁合金展现出优异塑性表现及更高的强度表现。
实施例3
一种高塑性镁合金，按质量百分比计，所述镁合金由如下组分组成：Sn 0.5％，Ca0.65％，Zn 0.8％，不可避免的杂质为0.02％，其中Fe＝0.001％，Cu＝0.001％，Si＝0.005％，余量为镁。
该高塑性镁合金的制备方法如下：
(1)熔炼：在CO2和SF6按体积比100：1形成的混合气体下，将纯镁锭加热到705℃，然后加入纯锡锭、纯锌锭和镁钙中间合金，充分搅拌熔炼，得到镁合金熔液，其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为25％；
(2)浇铸：将步骤(1)中得到的镁合金熔液于720℃下保温20min后除杂，然后浇铸成型，空冷后得铸锭；
(3)均匀化处理、空冷及去皮：将经步骤(2)处理后铸锭在350℃下保温16h，空冷后打磨去除所述铸锭表面氧化皮；
(4)挤压：将经步骤(3)处理的铸锭在挤压温度为420℃，挤压速度为3mm/min，挤压比为25:1的条件下进行挤压，获得镁合金板材。
图10中a为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材铸态金相图，图10中b为实施例3中制备的镁合金板材铸态金相图，对比图10中a和b可知，Mg-0.5Sn-0.65Ca合金晶粒较为粗大，而实施例3中制备的镁合金中晶粒得到了显著细化。
图11中a为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材挤压态金相图，图11中b为实施例3中制备的镁合金板材挤压态金相图，对比图11中a和b可知，Mg-0.5Sn-0.65Ca合金晶粒较为粗大，且晶粒极为不均匀，而实施例3中制备的镁合金中晶粒得到了显著细化，且组织的均匀程度得到明显提升。
图12中a为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材微观织构图，图12中b为实施例3中制备的镁合金板材微观织构图，对比图12中a和b可知，两者均呈现出沿挤压方向分散的双峰织构，但相对于Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金典型的强基面织构，实施例3中制备的镁合金的织构强度得到一定程度的弱化。
图13为Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金板材和实施例3中制备的镁合金板材真实应力-应变曲线图，由图13可知，相比于Mg-0.5Sn-0.65Ca镁合金，实施例3中制备的镁合金展现出优异塑性表现。
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 (10)

1.一种高塑性镁合金，其特征在于，按质量百分比计，所述镁合金由如下组分组成：Sn0.5-2.0％，Ca 0.5-1.0％，Zn 0.5-0.8％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
2.如权利要求1所述的一种高塑性镁合金，其特征在于，所述镁合金由如下组分组成：Sn 1.0％，Ca 1.0％，Zn 0.5％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
3.如权利要求1所述的一种高塑性镁合金，其特征在于，所述镁合金由如下组分组成：Sn 0.7％，Ca 0.5％，Zn 0.5％，不可避免的杂质≤0.03％，余量为镁。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种高塑性镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质中Fe≤0.002％，Cu≤0.001％，Si≤0.005％。
5.权利要求1-4任一项所述的一种高塑性镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)熔炼：在保护气氛下，将纯镁锭加热到690-705℃，然后加入纯锡锭、纯锌锭和镁钙中间合金，充分搅拌熔炼，得到镁合金熔液；
(2)浇铸：将步骤(1)中得到的镁合金熔液于715-730℃下保温15-25min后除杂，然后浇铸成型，空冷后得铸锭；
(3)均匀化处理、空冷及去皮；
(4)挤压。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述保护气氛为CO2和SF6按体积比100：1形成的混合气体。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镁钙中间合金中钙的质量百分比为20-25％。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述均匀化处理具体为在350-450℃下保温10-16h。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述去皮具体为打磨去除所述铸锭表面氧化皮。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述挤压的工艺条件为：挤压温度为320-420℃，挤压速度为1-3mm/min，挤压比为25-40:1。
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