专利名称：一种变形镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料技术领域，更具体的说，涉及一种变形镁合金及其制备方法。
背景技术：
镁合金是所有结构用金属材料中重量最轻的，密度为1.75-1.90g/cm3，仅为铝合金的2/3，钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比，镁合金具有高比强度、比刚度，减震性、电磁屏蔽性和抗辐射能力强，易切削加工、易回收等一系列优点，在汽车、电子电器、通讯、航空航天和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料。本领域的技术人员知道，镁是密排六方晶体结构，室温滑移系少，室温塑性较差， 导致其塑性变形困难，变形加工困难，特别是镁合金板材、管材、型材等二次成形更困难，而提高镁合金材料的加工性能是其推广应用的关键，因而，塑性差已经成为镁合金加工与应用上的一个瓶颈，改善镁合金的塑性也就成为其应用中亟待解决的技术问题之一。国内外均十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金，目前，变形镁合金材料已开始向系列化发展，例如Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-Li、Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn-Ce、Mg-Re-Zr 等系歹lj。其中， Mg-Al-ai(镁铝锌)系合金是工业生产中应用最早，使用也是最广泛的变形镁合金，可以加工成板、棒、型材和锻件，属于该系的合金牌号有AZ31、AZ61、AZ80、AZ91等。Mg-Al-Si系合金的主要特点是强度高，能够进行热处理强化，并有良好的铸造性能，其缺点是屈服强度不高和耐热性不佳。进一步需要指出的是，在熔铸过程中，晶粒细化是提高变形镁合金综合性能、改善镁合金成型性能的主要途径之一。因为根据Hall-Patch公式Oy= ο JkcT1^式中％为材料的屈服强度，％为单晶体的屈服强度，d为晶粒尺寸，k为常数。由上式可知，晶粒越细，枝晶间距越小，屈服强度越高，同时硬度也越好。此外，晶粒细化可减少显微缩松、热裂倾向、提高耐腐蚀性以及产品的加工性能，均勻细小的等轴晶也是实现镁合金超塑性的关键。目前镁合金晶粒细化的途径一般分为四种1、等径角挤压；2、大挤压比热挤压 (λ > 100) ；3、形变热处理；4、熔铸过程中的晶粒细化；前三种途径虽然细化效果显著，但对设备要求较高，难以实现大规模生产。在熔铸过程中的晶粒细化即在浇铸前在镁合金熔体中加入适量的变质剂或少量的金属元素使晶粒细化，这是一种有效的细化晶粒的手段，可提高和改善合金的加工性能。传统的变质工艺主要有过热法、C2Cl6法和碳质孕育法。过热法由于温度高 (1148°C -1198°C )，镁液氧化、吸气严重，镁液中铁量急剧增加，显著降低镁合金的抗蚀性等缺点而缺乏适用性。C2Cl6法是在熔炼中加入C2Cl6，可以同时达到除气和细化晶粒的双重效果，但由于生产过程中产生的Cl2腐蚀严重，污染环境，已很少在工业上应用。碳质孕育法是目前普遍采用的工艺，其是将含碳的物质加入到熔体中，使该物质中的碳与合金中的金属形成中间合金，从而作为新的质点进行形核。目前生产中用于碳质孕育法的变质细化剂是MgCO3,通过在合金熔体中添加MgCO3,能够在合金熔体中产生大量细小而难熔的Al4C3质点，呈悬浮状态并在凝固过程中充当形核基地而细化晶粒；但是，MgCO3在高温下会分解产生MgO夹杂和(X)2室温气体，易对镁合金熔体和环境造成污染，且细化效果一般，存在变质衰退等问题，对镁合金的塑性的提高有限。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的变形镁合金的综合性能不够优良，尤其是塑性较差、后期加工成型性能较差的技术问题。本发明提供了一种变形镁合金，其各组分的重量百分比为Al 6. 15wt % -6. 84wt % ；Zn 1. 05wt % -1. 36wt % ；Mn 0. 20wt % -0. 45wt % ；Sc
0.50wt% -1. 50wt% ；余量为 Mg。优选地，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为A1 6. 48wt% -6. 62wt% ；Zn
1.15wt% -1. 25wt% ；Mn :0. 30wt% -0. 40wt% ；Sc :0. 80wt% -1. 20wt% ；余量为 Mg。优选地，所述&元素的重量百分比为Iwt%。本发明还提供了上述变形镁合金的制备方法，包括以下步骤将配方量的镁合金原料经过熔融合金化、精炼、浇铸制得所述变形镁合金；其中，所述镁合金原料包含镁锭、 铝锭、锌锭、铝锰中间合金锭、以及钪锭和/或铝钪中间合金锭；并且，各组成元素的重量百分比为A1 6. 15wt % -6. 84wt % ；Zn :1. 05wt % -1. 36wt % ；Mn :0. 20wt % -0. 45wt % ；Sc 0. 50wt% -1. 50wt% ；余量为 Mg。优选地，所述镁合金原料中各组成元素的重量百分比为A1 6. 48wt% -6. 62wt%； Zn :1. 15wt% -1. 25wt% ；Mn :0. 30wt% -0. 40wt% ；Sc :0. 80wt% -1. 20wt% ；余量为 Mg。优选地，所述镁锭为含Mg 99. 9wt%以上的纯镁锭；所述铝锭为含Al 99. 9wt%以上的纯铝锭；所述锌锭为含Si 99. 9wt%以上的纯锌锭；所述钪锭为含& 99. 9wt%以上的纯钪锭。优选地，在所述熔融合金化步骤前对原料进行烘干处理，其中，镁锭、铝锭、锌锭在 100士 10°C的温度下烘干，铝锰中间合金锭、钪锭和/或铝钪中间合金锭在150士5°C的温度下烘干。优选地，所述熔融合金化步骤将电阻坩埚预热至300-35(TC，放入镁锭、铝锭、锌锭，继续加热，待上述铸锭全部熔化后，在720-750°C的温度下加入铝锰中间合金锭，待铝锰中间合金锭全部熔化后，再在740-760°C温度下加入钪锭和/或铝钪中间合金锭，充分熔化后，搅拌均勻，同时保温5-lOmin，制得镁合金熔液；在上述过程中，均勻撒入覆盖剂进行保护。优选地，所述精炼步骤在熔融的镁合金熔液中加入精炼剂进行精炼，加入后搅拌均勻、静置5-15min ；然后升温至760-780°C保温8-lOmin，再降温至680-720°C静置 4-6min，得到镁合金熔体。优选地，所述浇铸步骤将精炼后的镁合金熔体浇入预热温度为250-300°C的铁模中，成型后脱模。本发明采用稀土元素&对变形镁合金进行变质处理，能够达到细化晶粒，改善合金组织的作用；经力学性能检测，本发明的变形镁合金的强度、塑性、硬度以及韧性相较于未加入稀土元素&的镁合金均有所提高，非常有利于后期的加工成形。
图1是本发明实施例1的镁合金的金相显微镜照片；图2是本发明对比例1的镁合金的金相显微镜照片。
具体实施例方式本发明的发明人在长期的镁合金研究中，意外的发现通过在Mg-Al-Si系变形镁合金中添加一定量的Sc元素，能够提高变形镁合金的综合性能。据此，本发明提供的变形镁合金，是一种含有稀土元素&的细晶变形镁合金，其各组分的重量百分比为A1 6. 15wt % -6. 84wt Zn 1. 05wt % -1. 36wt Mn :0. 20wt % -0. 45wt Sc 0. 50wt% -1. 50wt%，余量为Mg以及少量(重量百分比小于0. 15wt% )的Fe、Si、Ni、Ca等杂质中的一种或几种。在优选情况下，为了获得综合性能更佳的变形镁合金，所述变形镁合金的化学成分按重量百分比计A1 6. 48wt % -6. 62wt % ；Zn :1. 15wt % -1. 25wt % ；Mn 0. 30wt% -0. 40wt% ；Sc :0. 80wt% -1. 20wt% ；余量为 Mg。本发明变形镁合金的制备方法采用现有的备料一熔融合金化一精炼一浇铸的熔炼工艺进行镁合金冶炼制备上述变形镁合金，然后在350-450°C的温度下进行均勻化退火 8-14h处理后晶粒均为细小的等轴晶，平均晶粒尺寸约为10-30 μ m，再经后续挤压成产品后的晶粒尺寸则可以达到Iy m，变形镁合金的制备中各步骤具体详述如下步骤1、备料1)原材料准备好配方量的纯镁锭(纯度彡99. 9wt% )、纯铝锭(纯度彡99. 9wt% )、纯锌锭(纯度彡99. 9wt% )，(注除特殊说明外，本发明中所用的合金成份均为质量百分比wt%)、铝锰中间合金锭，以及纯钪锭(纯度彡99. 9wt%)和/或铝钪中间合金锭(Al3Sc)；2)助剂覆盖剂RJ-6和精炼剂RJ-5 ；3)保护气氛=SF6保护气，由于镁的活性高，在空气中加热，易氧化烧损，在熔融状态下，无覆盖剂保护时，会猛烈的燃烧，因此需要在SF6气体保护下进行合金的熔炼；熔炼设备采用井式电阻坩埚炉，由45钢制成。步骤2、烘干将准备的原料进行烘干处理，其中，Mg、Al、Si在100°C 士 10°C温度下烘干，而AlMn中间合金、&和/或Al3Sc中间合金在150°C 士5°C温度下烘干，烘干的作用是为了去除原料中的水分，防止熔炼过程中，水与镁反应产生爆炸。步骤3、熔融合金化将电阻坩埚预热至300-350°C，在坩埚侧壁和底部撒上适量的精炼剂RJ-5和覆盖剂RJ-6，然后放入称量好的镁锭、铝锭、锌锭，继续加热，待镁锭、铝锭、锌锭全部熔化后，在720-750°C的温度下加入已称量好的铝锰中间合金并不时的均勻撒下覆盖剂RJ-6，撒覆盖剂的一般原则是不使金属表面启燃，加入量尽量小，能够覆盖住熔液表面即可，一般不超过炉料量的20% ；待铝锰中间合金全部熔化后，再在740-760°C的温度下加入纯金属Sc和/或Al3Sc中间合金，同时不时均勻地撒下覆盖剂RJ-6，待上述合金充分熔化后，搅拌均勻，同时保温5-lOmin，制得镁合金熔液。
步骤4、精炼在镁合金熔液表面均勻撒入精炼剂RJ-5进行精炼，在精炼的过程中，精炼剂的加入量为炉料量的10%左右，加入后充分搅拌、静置5-15min;然后升温至760-780°C保温8-1 Omin，使加入的金属在较高的温度下更好的合金化；再降温至 680-720°C静置4-6min，在较低点的温度下，使合金更加均勻化，得到镁合金熔体。需要说明的是，在整个熔炼过程中，需要持续向电阻坩埚中通入SF6气体进行保护。步骤5、浇铸将精炼后的镁合金熔体浇铸入预热温度为250-300°C的铁模中，浇铸完成后，将模具及其内的镁合金熔体置于空气中冷却后脱模，制得所述变形镁合金。相比现有技术，本发明具有如下的特点1)本发明通过加入稀土元素&可以改变镁合金中第二相(镁合金金相中除镁基体相以外的其它相，例如晶界相)的形态与分布，使其在均质化和合金化过程中扩散得更均勻，减少裂纹出现的几率；2)将稀土元素&作为变质剂加入，由于这种变质剂的偏析和吸附作用，在凝固过程中，偏析使固/液界面前沿液体的平衡液相线温度降低，界面处成分过冷度减小，降低界面能，致使界面上晶体的生长受到抑制，促进形核，阻碍晶体生长，显著细化晶粒，从而可以有效提升镁合金的性能，同时，由于稀土元素&的性质活泼，在熔炼过程中易于与氧等气体发生反应生成产物漂浮在反应熔液表面，很好的解决镁合金熔炼过程中的氧化和烧损问题；3)本发明由于&的加入与Al形成Al3Sc中间合金，由于Al3Sc的熔点偏高，可以提高镁合金的耐热性，进而可以提高产品的高温抗蠕变性能，并且，由于改变了组织中晶界处第二相的分布，导致晶界更不容易被破坏，可以在一定程度上提高最终产品的耐腐蚀性能；4)本发明中对于&的加入可以直接以&单质铸锭的形式加入也可以以AlJc中间合金的形式加入，优选以Al3Sc中间合金的形式加入，以Al3Sc中间合金的形式加入能够有效提高镁合金的耐热性，并且可以获得成分和组织更加均勻的熔体及铸锭，另外，相较于加入&单质铸锭，加入Al3Sc中间合金还具有下述优点A、可以减少组织中的比重偏析问题；B、可以解决烧损、高熔点金属&不易熔入的问题；C、能够更有效的细化晶粒和净化合5)本发明还能够为后期的变形处理工序(挤压、轧制与冲压)做准备，在轧制和挤压等加工过程中减少镁合金的表面缺陷，能够极大的提高挤压工序中的挤压速度(参阅表 3及表6，挤压速度约提高了 40%以上)，镁合金产品的生产效率，从而有效降低生产成本。以下结合具体实施例，对本发明进行详细地说明。实施例1本发明实施例1的变形镁合金的制备方法，包括下述步骤1、烘干将准备好的原料镁锭(纯度彡99. 9wt% )、铝锭(纯度彡99. 9wt% )、锌锭(纯度> 99. 9wt% )、铝锰中间合金锭，以及钪锭(纯度> 99. 9wt% )进行烘干处理，其中镁锭、铝锭、锌锭在100°C温度下烘干，而铝锰中间合金锭、钪锭在150°C温度下烘干。2、熔炼在整个熔炼过程中，持续向电阻坩埚中通入SF6气体进行保护，先将电阻坩埚预热至300°C，在坩埚侧壁和底部撒上适量的精炼剂RJ-5和覆盖剂RJ-6，然后放入称量好的镁锭、铝锭、锌锭，继续加热，待镁锭、铝锭、锌锭全部熔化后，在720°C的温度下加入已称量好的铝锰中间合金锭并不时的均勻撒下覆盖剂RJ-6 ；待铝锰中间合金锭全部熔化后，再在740°C的温度下加入0. 5wt%的纯钪锭，同时不时均勻地撒下覆盖剂RJ-6，待上述合金充分熔化后，搅拌均勻，同时保温5min，再加入精炼剂RJ-5进行精炼，在精炼的过程中，精炼剂的加入量为炉料量的10%左右，加入后充分搅拌、静置5min。然后升温至760°C 保温lOmin，再降温720°C静置5min，再浇入预热温度为250°C的铁模中，制得镁合金铸锭 Al。实施例2原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，纯钪锭的添加量为 Iwt %，制得镁合金铸锭A2。实施例3原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，纯钪锭的添加量为 1.5wt%,制得镁合金铸锭A3。对比例1对比例1用于说明没有添加钪的镁合金的性能。其余与实施例1相同，制得镁合金铸锭Bi。件能测试1)化学成分、力学性能测试将上述实施例1-3制备的镁合金铸锭A1-A3以及对比例1制备的镁合金铸锭Bl 分别进行化学成分检测(ICP测试)、力学性能测试(通过万能力学试验机测试，布氏硬度仪测试与冲击韧性试验机进行测试)，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，力学性能测试结果见表2。2)显微金相组织观察将上述实施例1制备的镁合金铸锭Al以及对比例1制备的镁合金铸锭Bl在 350-450°C的温度下进行均勻化退火8-14h处理后再进行显微金相组织观察的取样，显微金相照片分别如图1和图2所示。3)挤压速度测试将上述实施例1-3制备的镁合金铸锭A1-A3以及对比例1制备的镁合金铸锭Bl 在630t挤压机中进行挤压处理，显示的挤压速度见表3。表 1
镁合金组成成分铝锌锰钪镁对比例16. 201. 200. 2O余量实施例16. 201. 200. 20. 5余量实施例26. 201. 200. 21余量实施例36. 201. 200. 21. 5余量 表 权利要求
1.一种变形镁合金，其特征在于，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为 Al 6. 15wt % -6. 84wt % ；Zn :1. 05wt % -1. 36wt % ；Mn :0. 20wt % -0. 45wt % ；Sc 0. 50wt% -1. 50wt% ；余量为 Mg。
2.根据权利要求1所述的变形镁合金，其特征在于，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为:A1 6. 48wt% -6. 62wt% ；Zn :1. 15wt% -1. 25wt% ；Mn :0. 30wt% -0. 40wt% ；Sc 0. 80wt% -1. 20wt% ；余量为 Mg。
3.根据权利要求1或2所述的变形镁合金，其特征在于，所述Sc元素的重量百分比为 Iwt %。
4.一种变形镁合金的制备方法，包括以下步骤将配方量的镁合金原料经过熔融合金化、精炼、浇铸制得所述变形镁合金；其特征在于，所述镁合金原料包含镁锭、铝锭、 锌锭、铝锰中间合金锭、以及钪锭和/或铝钪中间合金锭；其中，各组成元素的重量百分比为:A1 6. 15wt % -6. 84wt % ；Zn :1. 05wt % -1. 36wt % ；Mn :0. 20wt % -0. 45wt % ；Sc 0. 50wt% -1. 50wt% ；余量为 Mg。
5.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁合金原料中各组成元素的重量百分比为A1 6. 48wt% -6. 62wt% ；Zn :1. 15wt % -1. 25wt % ；Mn 0. 30wt% -0. 40wt% ；Sc :0. 80wt% -1. 20wt% ；余量为 Mg。
6.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁锭为含Mg 99. 9wt %以上的纯镁锭；所述铝锭为含Al 99. 9wt %以上的纯铝锭；所述锌锭为含Si 99. 9wt%以上的纯锌锭；所述钪锭为含& 99. 9wt%以上的纯钪锭。
7.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，在所述熔融合金化步骤前对原料进行烘干处理，其中，镁锭、铝锭、锌锭在100士 10°C的温度下烘干，铝锰中间合金锭、钪锭和/或铝钪中间合金锭在150士5°C的温度下烘干。
8.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述熔融合金化步骤将电阻坩埚预热至300-35(TC，放入镁锭、铝锭、锌锭，继续加热，待上述铸锭全部熔化后，在 720-750°C的温度下加入铝锰中间合金锭，待铝锰中间合金锭全部熔化后，再在740-760°C 温度下加入钪锭和/或铝钪中间合金锭，充分熔化后，搅拌均勻，同时保温5-lOmin，制得镁合金熔液；在上述过程中，均勻撒入覆盖剂进行保护。
9.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼步骤在熔融的镁合金熔液中加入精炼剂进行精炼，加入后搅拌均勻、静置5-15min;然后升温至 760-780°C保温8-lOmin，再降温至680_720°C静置4-6min，得到镁合金熔体。
10.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述浇铸步骤将精炼后的镁合金熔体浇入预热温度为250-300°C的铁模中，成型后脱模。
全文摘要
一种变形镁合金，其各组分的重量百分比为Al6.15wt％-6.84wt％；Zn1.05wt％-1.36wt％；Mn0.20wt％-0.45wt％；Sc0.50wt％-1.50wt％；余量为Mg。本发明还涉及上述变形镁合金的制备方法。本发明采用稀土元素Sc对变形镁合金进行变质处理，能够达到细化晶粒，改善合金组织的作用；经力学性能检测，本发明的变形镁合金的强度、塑性、硬度以及韧性相较于未加入稀土元素Sc的镁合金均有所提高，非常有利于后期的加工成形。
文档编号C22C23/02GK102330006SQ20101022791
公开日2012年1月25日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者李绍青 申请人:比亚迪股份有限公司