CN115478199B - 一种高强韧镁合金变形材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧镁合金变形材及其制备方法，以质量百分数计，该高强韧镁合金变形材的元素组成包括：Zn：6.2％～6.5％，Ce：0.2％～0.5％，Ca：0.3％～0.8％，Zr：0.3％～0.5％，余量为Mg。制备该高强韧镁合金变形材的方法包括：将所述高强韧镁合金变形材的原料熔炼后浇铸，得到镁合金铸坯，将所述镁合金铸坯去皮后，进行均质化处理，均质化处理完成后，进行差温挤压加工处理，差温挤压加工处理完成后，得到所述高强韧镁合金变形材。本发明的技术方案通过引入低成本的碱土Ca元素和轻稀土Ce元素，对镁合金进行组分和加工工艺的优化，获得较优的成分配比范围和工艺范围，且降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于镁合金生产技术领域，具体涉及一种高强韧镁合金变形材及其制备方法。
背景技术
在镁合金产业化应用过程中，稀土往往作为制备过程中的优化剂来改善合金的熔体纯净度、晶粒细化度及产品外观质量，同时可大幅度提升合金的强度与延伸率。对于高强韧Mg-Zn系变形合金，稀土的加入量往往在1.5wt.％～2wt.％，由于稀土元素在熔铸过程中较高的烧损率及本身较高的价格，造成材料的制造成本大幅度提升，限制了其规模化生产应用。
发明内容
为降低现有Mg-Zn-RE合金的成本偏高问题，本发明提供一种相对成本偏低的稀土和碱土元素混合掺杂的高强韧变形镁合金，并提供该镁合金的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种高强韧镁合金变形材，以质量百分数计，包括：
Zn：6.2％～6.5％，Ce：0.2％～0.5％，Ca：0.3％～0.8％，Zr：0.3％～0.5％，余量为Mg。
优选的，所述高强韧镁合金变形材的屈服强度为358～365MPa，抗拉强度为389～401MPa，延伸率为13％～17％。
本发明如上所述的高强韧镁合金变形材的制备方法，包括如下过程：
将所述高强韧镁合金变形材的原料熔炼后浇铸，得到镁合金铸坯，将所述镁合金铸坯去皮后，进行均质化处理，均质化处理完成后，进行差温挤压加工处理，差温挤压加工处理完成后，得到所述高强韧镁合金变形材。
优选的，所述高强韧镁合金变形材的原料采用Mg锭、Zn锭、Zn-Ca中间合金、Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金。
优选的，所述高强韧镁合金变形材原料的熔炼过程包括：
将原料Mg锭熔化，于720～750℃依次加入Zn锭和Zn-Ca中间合金并溶解，升温至760～800℃，再依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，使Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金充分溶解扩散至溶体中，熔炼完成，得到合金液；
将所述合金液浇铸得镁合金铸坯。
优选的，进行均质化处理的过程包括：
将去皮后的镁合金铸坯于300～320℃下保温6h～10h；随后升温至380～400℃，保温5h～8h；随后进行空冷，均质化处理完成。
优选的，进行差温挤压加工处理时，将均质化处理完成后的镁合金铸坯预热至320～340℃，模具预热至240～260℃，之后进行挤压加工，挤压过程中温度不高于340℃。
优选的，进行所述挤压加工时，挤压比控制在8～10，挤压速度控制在9～12mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明高强韧镁合金变形材利用微量Ca元素和Ce元素降低了Mg-Zn-RE系列镁合金的成本，提供合金优异的成形能力和高强韧性，用于电子通讯器材及交通运输结构件，易于实现规模化生产。其主要有益效果体现在：本合金成分中没有大量昂贵的金属元素，而是采用“微合金化”思路，将碱土元素和稀土元素复合添加到合金中，这些所添加的微量元素在镁基体中的固溶度不超过1.4％，不会产生晶格畸变。而Ca和Ce的双微合金化促进了动态析出，细化析出相的尺寸，导致热挤压后产生高密度析出相，这些析出相以小尺寸颗粒状分布在晶界上，有效抑制晶粒长大，提高合金强度。同时，受碱土元素影响，稀土元素作用提升，显著提高了材料成型性和表面质量。
附图说明
图1为本发明各实施例获得的高强韧镁合金变形材与现有镁合金变形材力学性能对比图；
图2为本发明实施例2获得的镁合金的微观组织特征图；
图3为本发明实施例3获得的镁合金的微观组织特征图；
图4为ZK60Ce合金的微观组织特征图；
图5为ZK60合金的微观组织特征图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
本发明的技术方案通过引入低成本的碱土Ca元素和轻稀土Ce元素，对镁合金进行组分和加工工艺的优化，获得较优的成分配比范围和工艺范围。Ca元素与Ce元素不超过其在镁中的固溶度，两者的最大固溶度分别为1.34％和0.74％，本发明中Ca元素的添加范围为0.3％～0.8％，Ce元素的添加范围为：0.2％～0.5％。
具体的，以质量百分数计，本发明高强韧镁合金变形材的元素组成包括：Zn：6.2％～6.5％，Ce：0.2％～0.5％，Ca：0.3％～0.8％，Zr：0.3％～0.5％，余量为Mg。
本发明高强韧镁合金变形材的制备方法包括以下步骤：
1、选取原料：原料采用Mg锭、Zn锭、Zn-Ca中间合金、Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金；
2、将原料Mg锭放于电阻炉内熔化，于720～750℃依次加入Zn锭、Zn-Ca中间合金并搅拌加速溶解，并升温至760～800℃，依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，保温25～30min，使Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金充分溶解扩散至溶体中，之后进行浇铸，得镁合金铸坯。
3、对镁合金铸坯车皮，之后对镁合金铸坯进行分步均质化处理，分步均质化处理的第一步工艺为将镁合金铸坯于300～320℃保温6h～10h，第二步工艺为，继续升温，将镁合金铸坯于380～400℃保温5h～8h；随后将镁合金铸坯从炉内取出空冷，获得均质化后的镁合金铸坯。
4、将均质化后的镁合金铸坯放于马弗炉内进行预热和差温挤压加工，其中预热温度320～340℃，预热时间30min～1h，模具预热温度为240～260℃，进行挤压加工，挤压加工时，挤压比控制在8～10，挤压速度控制在9～12mm/s，挤压过程中温度不高于340℃。
本发明采用差温挤压工艺，即预热处理温度和挤压时温度不同。均质化过程温度更高，稀土元素溶解度下降，会产生更多溶质元素，提高析出相数量，抑制再结晶晶粒的形成，细化晶粒，提高合金性能；同时，合金发生挤压发生剧烈塑性变形，Ca与Ce元素对再结晶晶粒界面的优化作用促进晶粒转动和织构弱化，改变晶粒取向。本发明采用的技术是在中低温(<350℃)、小挤压比8～10作用下制备而成，采用常规挤压设备，仅通过一次挤压处理就可以得到高性能镁合金，后续还可以进行热处理进一步调控合金强塑性，流程简单，节约能源，成本较低，具有推广应用的潜力。
实施例1：
本实施例的技术方案如下：
1、低以质量百分数计，本实施例高强韧镁合金变形材的元素组成包括：：
Zn：6.2％，Ce：0.2％，Ca：0.3％，Zr：0.3％，余量为Mg；
2、本实施例高强韧镁合金变形材的制备方法包括如下过程：
将原料Mg锭放于电阻炉内熔化，于720℃依次加入Zn锭、Zn-Ca中间合金并搅拌加速溶解，并升温至760℃，依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，保温25min，浇铸得镁合金铸坯。
3、对镁合金铸坯车皮，之后将镁合金铸坯在马弗炉内进行均质化保温处理，第一步工艺为于300℃保温6h，第二步工艺为于380℃保温5h；随后将镁合金铸坯从炉内取出空冷，获得均质化后的镁合金铸坯。
4、将均质化后的镁合金铸坯进行差温挤压加工处理：合金坯料预热温度320℃，预热时间30min，模具预热温度为240℃，进行挤压加工，挤压比控制在8，挤压速度控制在9mm/s，挤压过程中温度不高于340℃。
实施例2：
本实施例的技术方案如下：
1、以质量百分数计，本实施例高强韧镁合金变形材的元素组成包括：：
Zn：6.3％，Ce：0.3％，Ca：0.5％，Zr：0.4％，余量为Mg；
2、本实施例高强韧镁合金变形材的制备方法包括如下过程：
将原料Mg锭放于电阻炉内熔化，于730℃依次加入Zn锭、Zn-Ca中间合金并搅拌加速溶解，并升温至780℃，依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，保温27min，浇铸得镁合金铸坯。
3、对镁合金铸坯车皮，之后将镁合金铸坯在马弗炉内进行保温处理，第一步工艺为于310℃保温8h，第二步工艺为于390℃保温6h；随后将镁合金铸坯从炉内取出空冷，获得均质化后的镁合金铸坯。
4、将均质化后的镁合金铸坯进行差温挤压加工处理：合金坯料预热温度330℃，预热时间30min，模具预热温度为250℃，进行挤压加工，挤压比控制在9，挤压速度控制在10mm/s，挤压过程中温度不高于340℃。
实施例3：
本实施例的技术方案如下：
1、以质量百分数计，本实施例高强韧镁合金变形材的元素组成包括：：
Zn：6.5％，Ce：0.5％，Ca：0.8％，Zr：0.5％，余量为Mg；
2、本实施例高强韧镁合金变形材的制备方法包括如下过程：
将原料Mg锭放于电阻炉内熔化，于750℃依次加入Zn锭、Zn-Ca中间合金并搅拌加速溶解，并升温至800℃，依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，保温30min，浇铸得镁合金铸坯。
3、对镁合金铸坯车皮，之后将镁合金铸坯在马弗炉内进行保温处理，第一步工艺为于320℃保温10h，第二步工艺为于400℃保温8h；随后将镁合金铸坯从炉内取出空冷，获得均质化后的镁合金铸坯。
4、将均质化后的镁合金铸坯进行差温挤压加工处理：合金坯料预热温度320℃，预热时间30min，模具预热温度为260℃，进行挤压加工，挤压比控制在10，挤压速度控制在12mm/s，挤压过程中温度不高于340℃。
实施例1～实施例3获得高强韧镁合金变形材的力学性能参数如表1所示：
表1
| 实施例 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 实施例1 | 358 | 394 | 15％ |
| 实施例2 | 365 | 401 | 17％ |
| 实施例3 | 361 | 389 | 13％ |
| ZK60合金 | 248 | 325 | 14％ |
| ZK60Ce合金 | 268 | 320 | 15％ |
从表1可以看出，相比于现有不加稀土与添加单一微量稀土元素Ce的合金，本发明合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率均得到提升。
对比图2-图3和图4-图5变形材的微观组织可以看出，本发明获得的材料组织更为致密、均匀，晶粒更加细小，能够更好的发挥细晶强化和均匀协调变形的效果，因此，本发明合金可以实现强度与延伸率的同步提高。
Claims (6)
1.一种高强韧镁合金变形材，其特征在于，以质量百分数计，包括：
Zn：6.2%~6.5%，Ce：0.2%~0.5%，Ca：0.3%~0.8%，Zr：0.3%~0.5%，余量为Mg；
所述高强韧镁合金变形材的制备方法，包括如下过程：
将所述高强韧镁合金变形材的原料熔炼后浇铸，得到镁合金铸坯，将所述镁合金铸坯去皮后，进行均质化处理，均质化处理完成后，进行差温挤压加工处理，差温挤压加工处理完成后，得到所述高强韧镁合金变形材；
进行均质化处理的过程包括：
将去皮后的镁合金铸坯于300~320℃下保温6h~10h；随后升温至380~400℃，保温5h~8h；随后进行空冷，均质化处理完成；
进行差温挤压加工处理时，将均质化处理完成后的镁合金铸坯预热至320~340℃，模具预热至240~260℃，之后进行挤压加工，挤压过程中温度不高于340℃。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金变形材，其特征在于，所述高强韧镁合金变形材的屈服强度为358~365MPa，抗拉强度为389~401MPa，延伸率为13%~17%。
3.权利要求1或2所述的一种高强韧镁合金变形材的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
将所述高强韧镁合金变形材的原料熔炼后浇铸，得到镁合金铸坯，将所述镁合金铸坯去皮后，进行均质化处理，均质化处理完成后，进行差温挤压加工处理，差温挤压加工处理完成后，得到所述高强韧镁合金变形材；
进行均质化处理的过程包括：
将去皮后的镁合金铸坯于300~320℃下保温6h~10h；随后升温至380~400℃，保温5h~8h；随后进行空冷，均质化处理完成；
进行差温挤压加工处理时，将均质化处理完成后的镁合金铸坯预热至320~340℃，模具预热至240~260℃，之后进行挤压加工，挤压过程中温度不高于340℃。
4.根据权利要求3所述的一种高强韧镁合金变形材的制备方法，其特征在于，所述高强韧镁合金变形材的原料采用Mg锭、Zn锭、Zn-Ca中间合金、Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金。
5.根据权利要求4所述的一种高强韧镁合金变形材的制备方法，其特征在于，所述高强韧镁合金变形材原料的熔炼过程包括：
将原料Mg锭熔化，于720~750℃依次加入Zn锭和Zn-Ca中间合金并熔解，升温至760~800℃，再依次加入Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金，并进行保温，使Mg-Ce中间合金和Mg-Zr中间合金充分熔解扩散至熔体中，熔炼完成，得到合金液；
将所述合金液浇铸得镁合金铸坯。
6.根据权利要求3所述的一种高强韧镁合金变形材的制备方法，其特征在于，进行挤压加工时，挤压比控制在8~10，挤压速度控制在9~12mm/s。
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