CN110042290B - 一种高延伸率变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高延伸率变形镁合金及其制备方法，高延伸率变形镁合金由以下质量百分数的元素组成：Gd 1.80％‑2.50％、Zn 0.20％‑0.30％、Zr 0.10％‑0.60％、Sc 0.001％‑0.20％、Ti 0.01％‑0.20％，其余为Mg和杂质元素；制备方法包括按选定质量百分数取原料；将原料混合，然后进行熔炼、精炼得到熔体；使用熔体进行浇铸，得到铸锭；对铸锭进行均匀化处理，并切成坯料；对坯料进行热加工成型得到高延伸率变形镁合金。该高延伸率变形镁合金及其制备方法，通过在镁合金添加少量稀土等贵重元素，细化镁合金组织，在小幅度提高材料的成本等情况下，大幅提高材料的延伸率，适于工业应用。

Description

一种高延伸率变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种高延伸率变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，具有高比强度、比刚度、电磁屏蔽性和散热性等特点，且易于切削加工和回收，因而应用前景较好。目前，镁合金在电子、交通工具、航天航天、油气开采等领域已经有较为广泛的应用。

按成形工艺分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，二者在组织和性能方面差距较大。与铸造镁合金相比，变形镁合金组织更细小、致密，因而强度和延伸率也更高。然而，由于镁合金是密排六方晶体结构，室温下，基面滑移系少，无法满足mises理论协调变形需要的5个独立滑移系准则，因而变形困难，一般延伸率低于20％，其塑性相对体心立方和面心立方金属较差。现有技术中，一般通过高合金化、低温变形或大塑性变形获得高延伸率镁合金，由于需要用到含量较多的价格昂贵的其他元素形成合金，或需要通过较复杂的生产工艺，生产成本高，工业化应用前景较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种高延伸率变形镁合金及其制备方法，通过在镁合金添加少量稀土等贵重元素，细化镁合金组织，在小幅度提高材料的成本等情况下，大幅提高材料的延伸率，适于工业应用。

为了解决上述问题，本发明提供一种高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Gd 1.80％-2.50％、Zn 0.20％-0.30％、Zr 0.10％-0.60％、Sc 0.001％-0.20％、Ti 0.01％-0.20％，其余为Mg和杂质元素。

杂质元素指在制备合金的过程中由制备合金的原料带入的不可避免的杂质元素，即存在于金属中的但并非有意加入或保留的金属或非金属元素，优选的，不可避免的杂质元素的质量百分数为0-0.12％，进一步优选的，杂质元素的质量百分数为0-0.10％。

其中，由于镁合金属于密排六方晶体结构，室温下，基面滑移系少，无法满足mises理论协调变形需要的5个独立滑移系准则，因而变形困难，一般延伸率低于20％。通过理论计算，镁合金的柱面滑移的临界剪切应力＞锥面滑移的临界剪切应力＞基面滑移的临界剪切应力。纯镁的柱面滑移的临界剪切应力约为基面滑移的100倍，因此，通过提高合金锥面滑移提高合金变形性能。添加适量的Gd元素可以显著增加合金的锥面滑移系的激活能力，提高合金的延伸率。同时添加Gd与Zn，Gd可与Zn相配合，使合金c/a的比值降低，激活柱面滑移系，而以上述的含量适量添加Zn与Gd可更好的激活柱面滑移系，使合金的延伸率大大提高。此外，稀土元素Gd本身具有阻燃和抗氧化效果，提高了合金的燃点。因而，在熔炼过程中保护气的用量可以降低；在均匀化处理过程中不需要气氛保护；挤压过程可以采用较快的挤压速率。

其中，Ti、Zr、Sc元素在镁合金中固溶度都较低，加入的Ti、Zr、Sc之间发生相互作用，可通过异质形核的方式显著细化镁合金铸锭晶粒，进而降低铸锭偏析，使材料成分分布更加均匀，进而提高变形镁合金板材、型材等的塑性，即通过Ti、Zr、Sc多元微合金化方式，添加少量昂贵的元素，细化镁合金组织，在小幅度提高材料的成本等情况下，大幅提高材料的延伸率。其中适量Zr和Ti元素的添加，可显著降低Sc的添加量，降低材料成本。

技术方案中，优选的，该高延伸率变形镁合金由以下质量百分数的元素组成：Gd2.0％-2.20％、Zn 0.20％-0.28％、Zr 0.20％-0.50％、Sc 0.01％-0.10％、Ti 0.05％-0.20％，其余为Mg和杂质元素。

进一步优选的，该高延伸率变形镁合金由以下质量百分数的元素组成：Gd2.20％、Zn 0.25％、Zr 0.30％、Sc 0.05％、Ti 0.20％，其余为Mg和杂质元素。

本发明的另一目的是提供一种制备上述高延伸率变形镁合金的方法，包括以下步骤：

S1.按选定质量百分数取原料；

S2.将步骤S1中的原料混合，然后进行熔炼、精炼得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体进行浇铸，得到铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，并切成坯料；

S5.对步骤S4中的坯料进行热加工成型得到高延伸率变形镁合金。

技术方案中，优选的，步骤S1具体为：按照选定的质量百分数取纯Mg、纯Zn、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金。各中间合金均可以选择目前市面上可购买到的任意配比的中间合金，例如Mg-Gd中间合金可采用Mg-30％Gd中间合金，Mg-Zr中间合金可采用Mg-30％Zr中间合金。

技术方案中，优选的，步骤S2具体为：将原料混合，在保护气氛中于720-740℃下加热，熔炼40-60min，并精炼15-40min，精炼后升温至740-760℃，并静置20-60min。进一步优选的，步骤S2具体为：将原料混合，在保护气氛中于730℃下加热，熔炼60min，并精炼20min，精炼后升温至760℃，并静置40min。其中，进一步优选的，在精炼之前还搅拌5-15min，更优选的，搅拌10min。

其中，优选的，保护气氛为CO₂与SF₆的混合气体；进一步优选的，保护气氛为CO₂与SF₆以体积比为(100-200)：1的比例混合的混合气体；更优选的，保护气氛为CO₂与SF₆以体积比为200：1的比例混合的混合气体。

技术方案中，优选的，步骤S3中浇铸时的温度为680-740℃，进一步优选的，步骤S3中浇铸时的温度为700℃。

技术方案中，优选的，步骤S4中均匀化处理具体为：将铸锭于350-450℃下保温12-48h。均匀化处理结束后降温过程优选风冷降温方式。进一步优选的，均匀化处理具体为：将铸锭于400℃下保温24h。

技术方案中，优选的，步骤S5中热加工成型采用挤压成型，挤压温度为350-450℃、挤压比为4-60、挤压速度为0.1～20m/min。进一步优选的，挤压温度为350℃、挤压比为8、挤压速度为10m/min。采用上述挤压比可以利用较小吨位的挤压机制备较大尺寸的棒材、板材、型材。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明实施例所述的高延伸率变形镁合金，仅添加了少量较贵的稀土Gd元素和微量的Zr、Sc、Ti元素，通过对各元素添加量的调控，使合金的延伸率大幅度提高，而合金成本增加很少，适于工业应用；

2.本发明实施例所述的高延伸率变形镁合金中，Gd元素的添加可以显著增加合金的锥面滑移系的激活能力，提高合金的延伸率，而Zn可与Gd形成相互作用，相互配合，使c/a的比值降低，通过对Zn与Gd的添加量的调控，适量添加Zn与Gd可更好的激活柱面滑移系，使合金的延伸率大大提高；

3.本发明实施例所述的高延伸率变形镁合金中，稀土元素Gd本身还具有阻燃和抗氧化效果，提高了合金的燃点，可降低熔炼过程中保护气的用量，均匀化处理过程中不需要气氛保护，挤压过程可以采用较快的挤压速率；

4.本发明实施例所述的高延伸率变形镁合金中，Ti、Zr、Sc元素在镁合金中固溶度都较低，加入的Ti、Zr、Sc之间发生相互作用，可通过异质形核的方式显著细化镁合金铸锭晶粒，进而降低铸锭偏析，使材料成分分布更加均匀，进而提高变形镁合金板材、型材等的塑性，即通过Ti、Zr、Sc多元微合金化方式，添加少量昂贵的元素，细化镁合金组织，在小幅度提高材料的成本等情况下，大幅提高材料的延伸率；且其中适量Zr和Ti元素的添加，还可显著降低Sc的添加量，降低材料成本；

5.本发明实施例所述的高延伸率变形镁合金通过常规热成形工艺，采用较小的变形量、较小的挤压比即可得到高延伸率镁合金，因此，可以降低加工过程中材料的变形抗力，降低设备功率耗；可以采用小吨位设备加工大尺寸产品，降低设备投入。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Gd2.20％、Zn 0.25％、Zr 0.30％、Sc 0.05％、Ti 0.20％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法，具体步骤如下：

S1.按选定质量百分数取纯镁锭、纯锌锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金；

S2.将步骤S1中的原料混合，在CO₂与SF₆的体积比为200:1的混合气的保护气氛中于730℃下加热，熔炼60min，搅拌10min，并精炼20min，精炼后升温至760℃，并静置40min得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体在700℃下浇铸成半连续铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，在400℃下保温24h，然后风冷冷却，之后切成坯料并去皮；

S5.将步骤S4中的坯料置于挤压机中在挤压温度为350℃、挤压比为8、挤压速度为10m/min的条件下，挤压成棒材，得到高延伸率变形镁合金。

实施例2

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 2.0％、Zn 0.20％、Zr 0.20％、Sc 0.01％、Ti 0.05％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例3

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 2.20％、Zn 0.28％、Zr 0.50％、Sc 0.10％、Ti 0.20％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例4

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 2.10％、Zn 0.25％、Zr 0.30％、Sc 0.10％、Ti 0.10％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例5

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 1.80％、Zn 0.20％、Zr 0.10％、Sc 0.001％、Ti 0.01％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例6

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 2.50％、Zn 0.30％、Zr 0.60％、Sc 0.20％、Ti 0.20％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例7

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：

Gd 2.50％、Zn 0.20％、Zr 0.40％、Sc 0.02％、Ti 0.10％，杂质元素小于0.12％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法，具体步骤如下：

S1.按选定质量百分数取纯镁锭、纯锌锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金；

S2.将步骤S1中的原料混合，在CO₂与SF₆的体积比为100:1的混合气的保护气氛中于740℃下加热，熔炼40min，搅拌12min，并精炼25min，精炼后升温至750℃，并静置30min得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体在680℃下浇铸成半连续铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，在350℃下保温48h，然后风冷冷却，之后切成坯料并去皮；

S5.将步骤S4中的坯料置于挤压机中在挤压温度为400℃、挤压比为4、挤压速度为5m/min的条件下，挤压成棒材，得到高延伸率变形镁合金。

实施例8

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Gd1.80％、Zn 0.30％、Zr 0.50％、Sc 0.20％、Ti 0.08％，杂质元素小于0.11％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法，具体步骤如下：

S1.按选定质量百分数取纯镁锭、纯锌锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金；

S2.将步骤S1中的原料混合，在CO₂与SF₆的体积比为200:1的混合气的保护气氛中于720℃下加热，熔炼60min，搅拌15min，并精炼40min，精炼后升温至740℃，并静置60min得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体在700℃下浇铸成半连续铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，在450℃下保温12h，然后风冷冷却，之后切成坯料并去皮；

S5.将步骤S4中的坯料置于挤压机中在挤压温度为380℃、挤压比为20、挤压速度为10m/min的条件下，挤压成棒材，得到高延伸率变形镁合金。

实施例9

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Gd2.10％、Zn 0.22％、Zr 0.10％、Sc 0.06％、Ti 0.14％，杂质元素小于0.10％，其余为Mg。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法与实施例1中相同。

实施例10

本实施例所述的高延伸率变形镁合金，元素组成与实施例9相同。

本实施例所述的高延伸率变形镁合金的制备方法，具体步骤如下：

S1.按选定质量百分数取纯镁锭、纯锌锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金；

S2.将步骤S1中的原料混合，在CO₂与SF₆的体积比为200:1的混合气的保护气氛中于740℃下加热，熔炼40min，搅拌15min，并精炼20min，精炼后升温至760℃，并静置50min得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体在680℃下浇铸成半连续铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，在400℃下保温15h，然后风冷冷却，之后切成坯料并去皮；

S5.将步骤S4中的坯料置于挤压机中在挤压温度为400℃、挤压比为60、挤压速度为4m/min的条件下，挤压成棒材，得到高延伸率变形镁合金。

对比例1

本对比例的镁合金为AZ31镁合金，该合金的化学成分为：Mg-3.0wt％Al-0.80wt％Zn-0.3wt％Mn，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同，原料为：纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、Mg-Mn中间合金。

对比例2

本对比例的镁合金的化学成分为：Gd 1.70wt％、Zn 0.10wt％、Zr 0.30wt％、Sc0.05wt％、Ti 0.20wt％，杂质元素＜0.10％，其余为Mg，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同。

对比例3

本对比例的镁合金的化学成分为：Gd 2.20wt％、Zn 0.25wt％、Zr 0.70wt％、Sc0.3wt％、Ti 0.25wt％，杂质元素＜0.10％，其余为Mg，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同。

对比例4

本对比例的镁合金的化学成分为：Gd 2.20wt％、Zn 0.25wt％、杂质元素＜0.10％，其余为Mg，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同。

对比例5

本对比例的镁合金的化学成分为：Gd 2.20wt％、Zn 0.25wt％、Zr 0.30wt％、Ti0.20wt％，杂质元素＜0.10％，其余为Mg，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同。

对比例6

本对比例的镁合金的化学成分为：Gd 2.20wt％、Zn 0.25wt％、Sc 0.05wt％、Ti0.20wt％，杂质元素＜0.10％，其余为Mg，本对比例的镁合金的制备方法与实施例1相同。

对比例7

本对比例中镁合金组成与实施例1相同，区别在于，本对比例的镁合金的制备方法中不对铸锭进行均匀化处理。

对上述实施例的高延伸率变形镁合金和对比例的镁合金进行力学性能测试，力学性能测试方法依据GB T 228.1-2010执行，上述实施例与对比例的镁合金的力学性能指标见表1。

表1镁合金的室温力学性能

由力学性能测试结果可以看出，本申请的高延伸率变形镁合金的抗拉强度≥240MPa，屈服强度≥140MPa，同时延伸率≥25％。本申请的高延伸率变形镁合金采用小挤压比即可获得很好的力学性能，实施例10中的高延伸率变形镁合金挤压比为60，在其他条件及元素含量相同时，其力学性能比挤压比为4的镁合金更好。

对比例1的AZ31镁合金为含有Mg、Al、Zn、Mn的合金，与对比例1相比，本发明的高延伸率变形镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率均明显高于AZ31镁合金。

对比例2的镁合金组成与本申请的高延伸率变形镁合金组成相同，但Gd、Zn元素含量低，不能有效的改善镁合金的c/a比值，因此，其延伸率明显比本申请的高延伸率变形镁合金低，且抗拉强度与屈服强度也有不同程度降低。

对比例3的镁合金组成与本申请的高延伸率变形镁合金组成相同，但Zr、Sc、Ti含量高于本申请的高延伸率变形镁合金的含量范围，产生明显的第二相析出，导致镁合金的延伸率降低。

对比例4、5、6的镁合金中其他元素与本申请的高延伸率变形镁合金组成相同，但不含有Zr、Sc、Ti或不含有Sc或不含有Ti，合金的晶粒细化程度低，材料均匀性差，延伸率明显比本申请的高延伸率变形镁合金低。

对比例7中的镁合金与本申请的高延伸率变形镁合金组成相同，但制备过程中不进行均匀化处理，使合金成分偏析，合金的延伸率比本申请实施例1的镁合金的延伸率低。

在相同的制备工艺条件下，合金元素组成选择Gd 2.0％-2.20％、Zn 0.20％-0.28％、Zr 0.20％-0.50％、Sc 0.01％-0.10％、Ti 0.05％-0.20％，其余为Mg和杂质元素，综合力学性能更好，为优选方案；其中，元素组成选择Gd 2.20％、Zn 0.25％、Zr 0.30％、Sc0.05％、Ti 0.20％，其余为Mg和杂质元素，为最优选方案。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种高延伸率变形镁合金，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：Gd 2.20％、Zn 0.25％、Zr 0.30％、Sc 0.05％、Ti 0.20％，其余为Mg和杂质元素；所述高延伸率变形镁合金的制备方法包括以下步骤：

S1.按选定质量百分数取纯镁锭、纯锌锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Zn-Ti中间合金；

S2.将步骤S1中的原料混合，在CO₂与SF₆的体积比为200:1的混合气的保护气氛中于730℃下加热，熔炼60min，搅拌10min，并精炼20min，精炼后升温至760℃，并静置40min得到熔体；

S3.使用步骤S2中的熔体在700℃下浇铸成半连续铸锭；

S4.对步骤S3中的铸锭进行均匀化处理，在400℃下保温24h，然后风冷冷却，之后切成坯料并去皮；

S5.将步骤S4中的坯料置于挤压机中在挤压温度为350℃、挤压比为8、挤压速度为10m/min的条件下，挤压成棒材，得到高延伸率变形镁合金。

2.根据权利要求1所述的高延伸率变形镁合金，其特征在于：所述杂质元素的质量百分数为0-0.12％。