CN108950337A

CN108950337A - 一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN108950337A
Application number: CN201810890921.8A
Authority: CN
Inventors: 陈先华; 刘晓芳; 潘复生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: CN108950337B

Abstract

本发明提供一种低成本高强度Mg‑Zn‑Y‑Ce‑Ca镁合金及其制备方法，合金各组分按质量百分比为：Zn 5.0~6.0 wt.%，Y 0.15~0.45 wt.%，Ce 0.15~0.35 wt.%，Ca 0~1.0 wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。制备方法包括：1)熔炼：将材料在CO₂和SF₆混合气体保护下加热熔化，搅拌静置，打捞浮渣，取出坩埚放入盐水中水冷，制得铸锭；2)机加工得到合适尺寸材料；3)在350℃下保温10~12h，之后在400℃下保温6h，取出淬火，得到均匀化处理后的材料；4)车皮后按挤压比为25:1在300℃~350℃下挤压，获得镁合金棒材。该方法加入的稀土含量在0.5%左右，Ca加入量也比较少，成本较低。材料制备工艺简单，经挤压变形后能提高合金的力学性能，仍保持良好的塑性，可以替代部分含锆的镁合金材料，适用于3C产品，轨道交通零部件等。

Description

一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金及其制备方法。

背景技术

镁是最轻的金属结构材料，密度仅为1.736 g/cm3，是铝的2/3，是钢的1/4。同时镁及其合金还具有高的比强度、比刚度，良好的阻尼性、切削加工性和导热性，以及较强的电磁屏蔽能力、较好的铸造性能以及易回收再生等优点。近年来镁及镁合金已经被广泛应用于汽车、航空航天、电子和空间工业中，被誉为“世纪的绿色工程材料”，已经成为继钢和铝之后的第三大金属结构材料。但镁的晶体结构为密排六方结构，室温下滑移系少，强度低，塑性差，限制其广泛应用。

目前通常采用合金化和改变加工工艺来提高合金的力学性能。Mg-Zn系是目前广泛使用的商用镁合金之一，国内外企业常用的Mg-Zn二元合金中Zn的含量大约在4%-6%(wt.%)之内，但是单纯的Mg-Zn二元合金由于结晶温度区间大，金属液流动性差，不易浇铸，不耐腐蚀，且Zn易产生显微疏松，引起镁合金热烈的倾向。因此，在实际生产中 Mg-Zn系合金都要添加其他合金元素，改善合金组织提高合金性能，如Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-RE、Mg-Zn-Ca系等镁合金。

其中加入高含量稀土合金性能最优异，但合金成本会大幅提升。含Zr的Mg-Zn合金室温力学性能较好，但熔炼过程中Zr由于密度大沉降严重，需要加入更多原料补充，造成资源浪费和成本增加。而Mg-Zn-Ca合金中形成大块的第二相会降低合金的塑性。因此迫切需要继续开发低成本镁合金，而且能够结合常规塑性变形工艺来提高力学性能。

发明内容

针对现有技术存在上述的不足，本发明的目的是提供一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，本发明还提供所述镁合金的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，成分质量百分比为：Zn 5.0~6.0 wt.%，Y 0.15~0.45 wt.%，Ce 0.15~0.35 wt.%，Ca 0~1.0 wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。

本发明还提供了所述镁合金的制备方法：包括如下步骤：

1）熔炼：按所述组份配原料，所用原料为纯镁锭、纯锌锭、Mg-Y中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Ca中间合金，首先将原料及坩埚在200℃下预热，保温1h，之后在CO2和SF6混合气体保护下，将镁锭放入坩埚加热至700℃熔化，待全部熔化，将温度升至720℃，将锌锭和中间合金放入镁熔液中，熔化后搅拌2~5分钟，使其成分均匀，在720℃静置10~20分钟，静置完毕后打捞熔体表面浮渣，待温度降至700-710℃时取出坩埚放入盐水中水冷，制备出所需的镁合金铸锭；

2）机加工：根据挤压机挤压筒尺寸，将上述铸锭车皮、锯切至合适尺寸；

3）均匀化：将步骤2)中制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在350℃下保温10~12h，之后在400℃下保温6h，取出淬火，得到均匀化处理后的材料；

4）热挤压：将步骤3)中的材料去除表面氧化皮，和挤压模具在350℃下预热1h，在300℃~350℃下挤压，挤压比为25:1，挤压速度为0.6~1.2 m/min，获得镁合金棒材。

本发明的有益效果在于：

1．本发明提出的合金添加微量稀土元素Y、Ce、Ca，与Mg、Zn结合可形成高熔点的Mg-Zn-Y 、Mg-Zn-Ce、Mg-Zn-Ca三元相。在挤压前的均匀化热处理可将第二相部分重新溶入基体，有效的减小合金的宏观偏析。在挤压过程中仍保留在基体中的第二相会破碎成细小颗粒，沿挤压方向分布，能有效促进动态再结晶，挤压过程中动态析出的弥散相分布在基体中，这些细小第二相颗粒和析出相可以钉扎晶界，阻碍再结晶晶粒的长大，得到细小的再结晶晶粒和有大量析出相的粗大的未再结晶区。细小的晶粒以及大量析出相十分有利于基体强化，经挤压后，屈服强度可达320MPa，抗拉强度可达361MPa，明显高于商用的ZK60镁合金，同时保持了较好的延伸率。

2．本发明的合金原料是价格相对较低的锌锭和Mg-Ca中间合金，以及比较廉价的稀土中间合金Mg-Y、Mg-Ce，并且在制备的合金中是微量添加合金元素，充分利用了材料的综合作用。

3．本发明工艺简单，容易操作，所采用的的熔炼炉、热处理炉、热挤压机均为常规设备，工业上易于实现，生成成本较低。

4、本发明镁合金加入的稀土含量控制在0.5%左右，Ca加入量也比较少，成本较低。材料制备工艺简单，经挤压变形后能提高合金的力学性能，仍保持良好的塑性，可以替代部分含锆的镁合金材料，适用于3C产品，轨道交通零部件等。

附图说明

图1为实施例1镁合金挤压微观组织金相照片

图2为实施例2镁合金挤压微观组织金相照片

图3为实施例3镁合金挤压微观组织金相照片

图4为实施例4镁合金挤压微观组织金相照片。

具体实施方式

下面参照附图结合具体实施例对本发明做进一步实施说明，应该说明的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下实施例。

以下各实施例中所述工业纯镁和纯锌锭的纯度都在99.95%以上，Y是以25%的镁钇中间合金形式添加，Ce是以20%的镁铈中间合金形式添加，Ca是以20%的镁钙中间合金形式添加，熔炼保护气体为CO₂和SF₆混合气体（比例为99:1）。

实施例1：

一种新型低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，按质量百分比包括以下成分：Zn 5.38wt.%, Y 0.34 wt.%, Ce 0.19 wt.%，余量为Mg。

按上述配比和以下方式制备，就能得到本实施例的镁合金：

1)合金冶炼与铸造：所用原料为纯镁锭、纯锌锭、Mg-25 wt.%Y中间合金、Mg-20 wt.%Ce中间合金。首先将原料及坩埚在200℃下预热，保温1h，之后在CO₂和SF₆混合气体（比例为99:1）保护下，将镁锭放入坩埚加热至700℃熔化，待全部熔化，将温度升至720℃，将锌锭和中间合金放入镁熔液中，熔化后搅拌2~5分钟，使其成分均匀，在720℃静置10~20分钟，静置完毕后打捞熔体表面浮渣，待温度降至700-710℃时取出坩埚放入盐水中水冷，制备出所需的镁合金铸锭；

2)机加工：根据挤压机挤压筒尺寸，将上述铸锭车皮、锯切至合适尺寸；

3)均匀化：将步骤2)中制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在350℃下保温10~12h，之后在400℃下保温6h，取出淬火，得到均匀化处理后的材料；

4)热挤压：将步骤3)中的材料去除表面氧化皮，和挤压模具在350℃下预热1h，在350℃下挤压，挤压比为25:1，挤压速度为0.6~1.2 m/min，获得直径为16 mm的镁合金棒材。

实施例2：

一种新型低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，按质量百分比包括以下成分：Zn 5.10wt.%, Y 0.31 wt.%, Ce 0.18 wt.%, Ca 0.29 wt.%，余量为Mg。

按上述配比和以下方式制备，就能得到本实施例的镁合金：

1)合金冶炼与铸造：所用原料为纯镁锭、纯锌锭、Mg-25 wt.%Y中间合金、Mg-20 wt.%Ce中间合金、Mg-20 wt.%Ca中间合金。首先将原料及坩埚在200℃下预热，保温1h，之后在CO₂和SF₆混合气体（比例为99:1）保护下，将镁锭放入坩埚加热至700℃熔化，待全部熔化，将温度升至720℃，将锌锭和中间合金放入镁熔液中，熔化后搅拌2~5分钟，使其成分均匀，在720℃静置10~20分钟，静置完毕后打捞熔体表面浮渣，待温度降至700-710℃时取出坩埚放入盐水中水冷，制备出所需的镁合金铸锭；

2)机加工：同实施例1

3)均匀化：同实施例1

4)热挤压：同实施例1

实施例3：

一种新型低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，按质量百分比包括以下成分：Zn5.1wt.%, Y 0.37 wt.%, Ce 0.17 wt.%, Ca 0.61 wt.%，余量为Mg。得到本实施例镁合金的合金冶炼-机加工-均匀化-热挤压方法与实施例2相同。

实施例4：

一种新型低成本中高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，按质量百分比包括以下成分：Zn 5.1wt.%, Y 0.36 wt.%, Ce 0.19 wt.%, Ca 0.28 wt.%，余量为Mg。

按上述配比和以下方式制备，就能得到本实施例的镁合金：

1)合金冶炼与铸造：同实施例2；

2) 机加工：同实施例2；

3) 均匀化：同实施例2；

4)热挤压：将步骤3)中的材料去除表面氧化皮，和挤压模具在350℃下预热1h，在300℃下挤压，挤压比为25:1，挤压速度为0.6~1.2 m/min，获得直径为16 mm的镁合金棒材。

力学性能检测：

采用GB/T 228.1:2010不标准，取上述实施例1、2、3和4镁合金棒材加工拉伸试样，在CMT-5105万能实验机上进行室温拉伸测试，测试结果见表1。

表1 本发明所述低成本中高强度镁合金的室温力学性能

由表1可见，合金中添加适量的Ca，在经过挤压处理后，合金力学性能大幅提高，并且能保持适当的延伸率，实施例3中屈服强度可达321MPa，显著高于ZK60镁合金，抗拉可达361MPa，延伸率为10.4%。可以用作3C产品，轨道交通零部件轻质结构材料。

对比图1，图2和图3中的组织明显细化。由于采用双极热处理方式，铸态中的第二相大部分能够溶入基体中，而残余在基体中的第二相在挤压比为25:1的挤压中会破碎成细小的颗粒并且沿挤压方向分布，这些第二相能促进动态再结晶形成，溶入进基体的元素在挤压过程中会动态析出，弥散分布基体中，细小的第二相颗粒和弥散相能够钉扎晶界，阻碍再结晶晶粒长大。图3可以看出合金中有很多破碎的第二相，能谱分析为Mg-Zn-Y I相，Mg-Zn-Ce相，Ca2Mg6Zn3相。这些第二相能够钉扎位错运动，提高合金的力学性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员应当理解，可以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宗旨和范围的，均应覆盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金，其特征在于，成分质量百分比为：Zn 5.0~6.0 wt.%，Y 0.15~0.45 wt.%，Ce 0.15~0.35 wt.%，Ca 0~1.0 wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低成本高强度Mg-Zn-Y-Ce-Ca镁合金的制备方法：包括如下步骤：

1)熔炼：按所述组份配原料，所用原料为纯镁锭、纯锌锭、Mg-Y中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Ca中间合金，首先将原料及坩埚在200℃下预热，保温1h，之后在CO₂和SF₆混合气体保护下，将镁锭放入坩埚加热至700℃熔化，待全部熔化，将温度升至720℃，将锌锭和中间合金放入镁熔液中，熔化后搅拌2~5分钟，使其成分均匀，在720℃静置10~20分钟，静置完毕后打捞熔体表面浮渣，待温度降至700-710℃时取出坩埚放入盐水中水冷，制备出所需的镁合金铸锭；

4)热挤压：将步骤3)中的材料去除表面氧化皮，和挤压模具在350℃下预热1h，在300℃~350℃下挤压，挤压比为25:1，挤压速度为0.6~1.2 m/min，获得镁合金棒材。