CN108588525A - 一种可快速挤压的高性能变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能变形镁合金及其制备方法，所述高性能变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：1.0～3.0％；Ca：0.5～2.0％；Nd和/或Y：0.5～3.0％；Ce：0.1～1.0％；其余为镁和不可避免杂质。本发明采用工业纯Mg、工业纯Al、Mg‑Ca、Mg‑Nd、Mg‑Y和Mg‑Ce中间合金为原材料，通过熔炼获得铸锭；然后经均匀化热处理、机加工以及塑性变形热加工获镁合金材料。本发明镁合金材料可进行不低于15m/min的高速挤压，并且所得材料力学性能优良，屈服强度和抗拉强度可分别达到260MPa和290MPa以上，断后延伸率在16％以上，进一步拓展镁合金应用范围。

Description

一种可快速挤压的高性能变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金制备技术领域，具体涉及一种挤压速度不低于15m/min的高性能变形镁合金及其制备方法。
背景技术
与铸造镁合金相比，变形镁合金通过变形可以生产无缝管材、板材和复杂断面的异型材，从而可以满足更多结构件的需求；并且在热加工变形过程中镁合金可以发生动态再结晶得到均匀细小的晶粒，获得比铸造状态更高的强度、更好的延展性等更优异的力学性能。然而，一般变形镁合金的加工窗口比铝合金狭窄，很难实现快速挤压，直接影响到生产效率和成本。
目前，应用较多的变形镁合金主要有Mg-Al、Mg-Zn和Mg-Mn系等。Mg-Al系中是最为常用的商用变形镁合金，牌号有AZ31和AZ80，但是此合金系中Al含量直接影响合金挤压速度和后续力学性能。AZ31最大挤压速度可以达到20m/min，但此时再结晶晶粒粗大，力学性能较差，而AZ80合金变形后性能较好，但最大挤压速度只有2m/min左右。Mg-Zn系中的ZK61、ZK60等加工窗口较窄，挤压速度过快容易热裂。Mg-Mn系合金浇铸时凝固收缩大，热裂倾向高、合金强度低。因此，AZ31合金仍是目前最常用的商用变形镁合金。
也有文献和专利公开了一些高速挤压镁合金的成分和加工工艺，如专利CN101418404，名称为“用于高速挤压的变形镁合金”，其组成按质量百分比计为：Al 5-7％、Zn2-3％、Mn 7-9％、Li 3-4％、Zr 1-3％，其余为镁及不可避免杂质。该镁合金的挤压速度可以达到20m/min，抗拉强度248-275MPa，屈服强度142～178MPa，延伸率18～23.8％，合金中Mn含量达到7-9％，且含有较多的贵元素(Li3～4wt％、Zr 1～3％)，但力学性能仍然偏低。专利CN106756365，名称为“一种低成本高速挤压镁合金材料及其制备工艺”，其组成按质量百分比计为：Zn0.1-0.9％，Ca 0.1-0.5％，Mn 0-0.5％，而且合金元素总含量不超过1.5％，该镁合金的挤压速度可以达到15m/min，但该专利未提及合金力学性能。
综上，目前变形镁合金的种类仍然偏少，并且挤压速度和力学性能难以同时兼顾，这大大限制了变形镁合金的广泛应用。因此，研发一种可快速挤压的高性能变形镁合金，对进一步扩展镁合金的应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中商用镁合金如Mg-Al系和Mg-Zn系挤压速度和力学性能难以同时兼顾提高的问题，本发明提供一种可快速挤压的高性能变形镁合金及其制备方法。本发明采用工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金为原材料，通过熔炼获得铸锭；然后经均匀化热处理、机加工以及塑性变形热加工获得所述镁合金材料。本发明镁合金材料可进行不低于15m/min的高速挤压，并且所得材料力学性能优良，屈服强度和抗拉强度可分别达到260MPa和290MPa以上，断后延伸率在16％以上，从而进一步拓展镁合金应用范围。
本发明的目的之一在于提供一种可快速挤压的高性能变形镁合金。
本发明的目的之二在于提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金的制备方法。
本发明的目的之三在于提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金的应用。
为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种可快速挤压的高性能变形镁合金，所述高性能变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：1.0～3.0％；Ca：0.5～2.0％；RE：0.5～3.0％；Ce：0.1～1.0％；其余为镁和不可避免杂质。
优选的，RE(稀土元素)为Nd和/或Y。
采用挤压出口速度不小于15m/min的高速挤压工艺制备镁合金挤压材，挤压材表面光滑，无表面裂纹，且具备良好的力学性能。
本发明的第二个方面，提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金的制备方法，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行去皮，机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
优选的，所述步骤S1中，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入在200℃下预热20～40分钟后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭；
进一步优选的，所述步骤S1为：将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；
优选的，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在400～500℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
优选的，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在300～450℃(优选为400℃)下预热30～120min，选择挤压变形温度为300～450℃，挤压出口速度为15-100m/min，挤压成型。
本发明的第三个方面，提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金在生产无缝管材、板材和复杂断面的异型材中的应用。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中主要合金化元素Al、Ca在铸态时以片层状高温稳定相Al2Ca、Mg2Ca或(Mg,Al)2Ca形式存在，经热处理转变为微米级细小颗粒，可在挤压变形时起到钉扎位错和晶界作用，从而细化再结晶晶粒，也可起到弥散强化作用；
(2)本发明添加稀土元素Y、Nd用于提高合金耐热性能，并且可以和Al形成Al2RE高温稳定相，添加Ce用于进一步细化合金变形组织；
(3)本发明镁合金可进行不低于15m/min的高速挤压，并且所得材料力学性能优良，屈服强度和抗拉强度可分别达到260MPa和290MPa以上，断后延伸率在16％以上；
综上，本发明提供一种力学性能优异同时可实现高速挤压过程的高性能变形镁合金，因此极具工业化应用前景及实际应用之价值。
附图说明
图1为本发明镁合金(实施例1)的表面质量照片；
图2为本发明镁合金(实施例2)的表面质量照片；
图3为本发明镁合金(实施例3)的表面质量照片；
图4为本发明镁合金(实施例1)的挤压态金相组织照片；
图5为本发明镁合金(实施例2)的挤压态金相组织照片；
图6为本发明镁合金(实施例3)的挤压态金相组织照片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，目前变形镁合金的种类仍然偏少，并且挤压速度和力学性能难以同时兼顾，这大大限制了变形镁合金的广泛应用。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种可快速挤压的高性能变形镁合金，所述高性能变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：1.0～3.0％；Ca：0.5～2.0％；Nd和/或Y：0.5～3.0％；Ce：0.1～1.0％；其余为镁和不可避免杂质；
本发明中镁合金中添加Al元素含量较低，为1.0～3.0wt％，有利于后续的高速挤压；
本发明中镁合金中添加Ca元素易形成片层状高温稳定相Al2Ca、Mg2Ca或(Al,Mg)2Ca，控制热处理温度和时间，片层状Al2Ca、Mg2Ca逐渐变为微米级细小颗粒，可在挤压变形时起到钉扎位错和晶界，促进动态再结晶以及抑制晶粒长大的作用，也可起到弥散强化作用；
本发明中镁合金中添加稀土元素Y、Nd，可细化铸态晶粒，同时形成高温稳定相，并且稀土元素可以提高镁合金塑性变形能力；
本发明中镁合金中添加Ce可进一步细化再结晶晶粒，对提高合金强度有很大作用。
本发明的又一种具体实施方式中，采用挤压出口速度不小于15m/min的高速挤压工艺制备镁合金挤压材，挤压材表面光滑，无表面裂纹，且具备良好的力学性能。
本发明的又一种具体实施方式中，提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金的制备方法，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行去皮，机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
本发明的又一种具体实施方式中，所述步骤S1中，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入在200℃下预热20～40分钟后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭；
本发明的又一种具体实施方式中，所述步骤S1为：将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭；
本发明的又一种具体实施方式中，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在400～500℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
本发明的又一种具体实施方式中，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在300～450℃(优选为400℃)下预热30～120min，选择挤压变形温度为300～450℃，挤压出口速度为15-100m/min，挤压成型。
本发明的又一种具体实施方式中，提供上述可快速挤压的高性能变形镁合金在在生产无缝管材、板材和复杂断面的异型材中的应用。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。
实施例1
合金成分(质量百分比)为：Al为2.5％，Ca为1.0％，Y为2.0％，Ce为0.3％，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：首先将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在420℃下热处理6小时。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，在400℃下预热50分钟，然后在挤压机上挤压成型，空冷至室温最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
实施例2
合金成分(质量百分比)为：Al为1.5％，Ca为2.0％，Nd为2.0％，Ce为0.6％，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：首先将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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695℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在460℃下热处理4小时。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，400℃下预热70分钟后在挤压机上挤压成型，空冷至室温最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
实施例3
合金成分(质量百分比)为：Al为2.0％，Ca为1.5％，Nd为1.0％，Y为1.3％，Ce为0.8％，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：首先将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
(2)合金的均匀化：将上述铸锭在440℃下热处理5小时。
(3)合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行机加工至合适尺寸，在400℃下预热90分钟，然后在挤压机上挤压成型，空冷至室温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
本发明实施例1～3挤压态和热处理态下的室温力学性能如表2所示。可见，三种合金常温屈服强度均在260MPa以上，拉伸强度高于290MPa，常温力学性能优于AZ31镁合金。
表2本发明所述镁合金材料的室温力学性能
如图1～3可以看出，实施例1-3的表面光亮，未见开裂，质量较好。可见，本发明的镁合金具有较好的快速挤压性能。
从图4～6所示的实施例1-3样品的挤压方向组织形貌可以看出，三种合金均发生了完全的动态再结晶。实施例1的平均晶粒尺寸约为9μm；实施例2平均晶粒约为11μm，但尺寸相对不均；实施例3晶粒细小均匀，平均尺寸小于5μm，并且力学性能最好。
综上，本发明镁合金是一种可快速挤压且力学性能优良的变形镁合金。
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可快速挤压的高性能变形镁合金，其特征在于，所述高性能变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Al：1.0～3.0％；Ca：0.5～2.0％；RE：0.5～3.0％；Ce：0.1～1.0％；其余为镁和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的高性能变形镁合金，其特征在于，其中RE为Nd和/或Y。
3.如权利要求1所述的高性能变形镁合金，其特征在于，所述高性能变形镁合金采用挤压出口速度不小于15m/min的高速挤压工艺制备得到。
4.权利要求1-3任一项所述可快速挤压的高性能变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.合金熔炼与浇铸：将纯Mg全部熔化后，向其中加入预热后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，溶解混合均匀，浇铸成锭；
S2.合金的均匀化：将浇铸成型的铸锭经保温后进行水淬处理；
S3.合金的挤压加工：将均匀化后的铸锭进行去皮，机加工至合适尺寸，采用热挤压工艺挤压成型，空冷至室温。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入在200℃下预热20～40分钟后的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在保护气体条件下浇铸成锭。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1为：将镁合金熔炼炉加热至400-500℃，同时将工业纯Mg、工业纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金在200℃下预热30分钟；在通有CO2和SF6混合气体保护的电阻炉中加入纯Mg，升温至700℃后保温使纯Mg全部熔化，然后加入预热过的纯Al、Mg-Ca、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Ce中间合金，升温至740℃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690～700℃，在CO2和SF6混合气体保护下浇铸成锭。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，合金的均匀化具体方法为：将浇铸成型的铸锭在400～500℃保温2～8小时，80℃以上热水水淬。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，热挤压工艺具体为：将机加工后的挤压胚料在300～450℃下预热30～120min，选择挤压变形温度为300～450℃，挤压出口速度为15-100m/min，挤压成型。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，预热温度为400℃。
10.权利要求1-3任一项所述可快速挤压的高性能变形镁合金和/或权利要求4-9任一项所述制备方法得到的可快速挤压的高性能变形镁合金在生产无缝管材、板材和复杂断面的异型材中的应用。
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