一种高性能汽车防撞杆用镁合金管材及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高性能汽车防撞杆用镁合金管材及其制造方法，所述镁合金管材为具有加强筋的“日”字形管材，其包括按重量百分数计的如下原料：7.0～9.5％的Gd、2.5～3.5％的Y、0.2～0.6％的Zr，余量为Mg和杂质，所述合金管材的制造方法包括：将所述合金配料后，进行半连续铸造，得到半连续铸锭；将所述半连续铸锭经过固溶处理后，得到铸态合金铸锭；将所述铸态合金铸锭在400～450℃预热后，进行一次挤压变形，得到棒材；将所述棒材在380～420℃下预热后，进行二次挤压变形，得到管材。本发明的优点在于：合金的平均晶粒尺寸为6μm左右，具有均匀的晶粒形貌、较随机的晶粒取向；具有良好的综合性能。
【专利说明】一种高性能汽车防撞杆用镁合金管材及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种金属材料加工领域的合金及其加工方法，具体是一种高性能 汽车防撞杆用镁合金管材及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁及镁合金是最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3,钢的1/4,且具有 比强度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成型和容易回收利用等优点。工业 上，镁合金大都通过铸造获得，包括低压铸造、挤压铸造、重力铸造、消失模铸造以及新型半 固态铸造。但是铸造缺陷如空洞和夹杂等大大地降低了其力学性能，严重地限制了铸造镁 合金零件的应用。与铸造镁合金零件相比，经过塑性变形的镁合金零部件内部更加致密，微 观组织更加细化，成分更加均匀。因此变形镁合金具有高强度和高延伸率等优点，能够满足 更高的设计要求。镁合金挤压件，尤其是中空件能够进一步减轻结构重量，在汽车仪表盘、 座椅、保险杠、散热器支架、发动机支架等架构件上有很好的应用前景。所以，制造出一种高 强度的镁合金管材来替代钢铁和铝等结构材料是很有意义的。但是，镁合金塑性变形能力 相较于铝合金较差，在复杂的结构件成型较为困难，其主要原因有以下几个方面：（1)由于 镁合金为密排六方结构吗，室温下只有两个独立的滑移系可以开动，导致其室温成型性较 差；(2)通过塑性变形，如挤压和轧制制得的镁合金材料具有很强的织构，会导致严重的力 学性能各向异性，而这种严重的力学性能各向异性会很大程度上限制镁合金作为汽车结构 件的使用，另一方面，也会使得镁合金材料的二次成型较为困难。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高强度镁合金管材的制备方法， 添加一定量的稀土元素 GcU Y与合金元素 Zr的挤压镁合金管材及其熔炼、变形加工和热处 理工艺。本发明通过添加稀土元素 GcUY提高材料的强度，并通过二次挤压变形的方式来克 服高强度镁合金塑性变形能力差的问题，同时通过优化熔炼、变形加工参数和热处理工艺， 最终获得具备高强度、良好塑性、可时效强化的、且具有加强筋的镁合金管材。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0005] -方面，本发明提供了一种高性能汽车防撞杆用镁合金管材，为具有加强筋的 "日"字形管材，其中，所述镁合金包括按重量百分数计的如下原料：7. 0?9. 5 %的GcU 2. 5 ?3. 5% 的 Υ、0· 2 ?0· 6% 的 Zr、0 ?0· 005% 的 Si、0 ?0· 005% 的 Fe、0 ?0· 005% 的 Cu、0?0. 005%的Ni,余量为Mg和不可避免的杂质。
[0006] 另一方面，本发明还提供了一种如权利要求1所述的镁合金管材的制备方法，其 包括如下步骤：
[0007] 将所述合金配料后，进行半连续铸造，得到半连续铸锭；
[0008] 将所述半连续铸锭经过固溶处理后，得到铸态合金铸锭；
[0009] 将所述铸态合金铸锭在400?450°C预热20?40min后，进行一次挤压变形，得到 棒材；
[0010] 将所述棒材在380?420°C下预热20?40min后，进行二次挤压变形，得到管材。
[0011] 作为优选方案，所述半连续铸造方法包括如下操作：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各 中间合金和纯Mg预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体的井式电阻坩埚炉中 熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待Mg-Gd， Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇去表面 浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?800°C，保温20?30分钟，将镁熔液冷却 至700°C进行连铸。
[0012] 作为优选方案，所述固溶处理是将所述半连续铸锭升温至500?520°C，保温7? 9h后置于水中冷却。
[0013] 作为优选方案，所述的一次挤压变形是指，将铸态合金铸锭置于变形模具中，在 350?450°C下以（4?25) :1的挤压比，1?10mm/s的挤压速率进行挤压。
[0014] 作为优选方案，所述的二次挤压变形是指，将棒材置于变形模具中，在380? 420°C下，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压。
[0015] 作为优选方案，所述保护气体为SF6和CO2按照1:99的体积比组成的混合气体。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0017] 1、合金的平均晶粒尺寸为6μπι左右，具有均匀的晶粒形貌、较随机的晶粒取向；
[0018] 2、本发明所涉及的合金经过变形工艺优化及热处理优化之后，得到了良好的综合 性能，延伸率最高可达到22%，经过时效处理后，屈服强度最高可达到295MPa，抗拉强度 400MPa，延伸率仍能达到8%，具有良好的力学性能均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0020] 图1为本发明管材的结构示意图；
[0021] 图2为本发明实施例1中一次挤压棒材的微观组织扫描电镜图；
[0022] 图3为本发明实施例1中二次挤压管材的微观组织扫描电镜图；
[0023] 图4为本发明实施例1中二次挤压管材的织构极图；
[0024] 图5为本发明实施例2中二次挤压管材EW2的微观组织扫描电镜图；
[0025] 图6为本发明实施例3中二次挤压管材EW3的微观组织扫描电镜图；
[0026] 图7为本发明对比例1中铸态材料的微观组织扫描电镜图；
[0027] 图8为本发明对比例1中一次挤压管材的微观组织扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0029] 本发明的镁合金管材结构如图1所示。
[0030] 实施例I
[0031] 一、按照质量分数8% Gd、3% Υ、0· 5% Zr与88. 5% Mg及不可避免的杂质配料， 然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每个长 500mm的铸锭块，所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和纯Mg 预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻坩埚炉 中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待Mg-Gd， Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇去表面 浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?800°C，保温20?30分钟，将镁熔液冷却 至700°C进行连铸。
[0032] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0033] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以9:1的挤压比、1?10mm/s的挤压速 率进行挤压，得到棒材，其金相组织如图2所示，可以发现，挤压棒材的晶粒尺寸非常均匀；
[0034] 四、将棒材和变形模具分别预热至400°C，保温20?40min后，将棒材放入变形模 具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材，其金相组织如图3所 示，可以发现，管材的晶粒尺寸非常均匀，织构极图如图4所示，得到的管材织构很弱。具体 挤压工艺如表1所示（C表示挤压管材采用铸态材料作为挤压坯料，A表示挤压后空冷），管 材的力学性能如表2所不，时效处理后的管材力学性能如表3所不。
[0035] 实施例2
[0036] 一、按照质量分数8% Gd、3% Y、0. 5% Zr与88. 5% Mg及不可避免的杂质配料， 然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每个长 500mm的铸锭块；所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和纯Mg 预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻坩埚炉 中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待Mg-Gd， Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇去表面 浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?800°C，保温20?30分钟，将镁熔液冷却 至700°C进行连铸。
[0037] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0038] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以9:1的挤压比，1?10mm/s的挤压速 率进行挤压，得到棒材；
[0039] 四、将棒材和变形模具分别预热至410和400°C，保温20?40min后，将棒材放入 变形模具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材，其金相组织如 图5所示，可以发现，晶粒尺寸非常均匀。具体挤压工艺如表1所示，管材的力学性能如表 2所示，时效处理后的管材力学性能如表3所示。
[0040] 实施例3
[0041] 一、按照质量分数8% Gd、3% Υ、(λ 5% Zr与88. 5% Mg及不可避免的杂质配料， 然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每个长 500mm的铸锭块；所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和纯Mg 预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻坩埚炉 中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待Mg-Gd， Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇去表面 浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?800°C，保温20?30分钟，将镁熔液冷却 至700°C进行连铸。
[0042] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0043] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以9:1的挤压比，1?10mm/s的挤压速 率进行挤压，得到棒材；
[0044] 四、将棒材和变形模具分别预热至420和400°C，保温20?40min后，将棒材放入 变形模具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材，其金相组织如 图6所示，可以发现，晶粒尺寸非常均匀。具体挤压工艺如表1所示，管材的力学性能如表 2所示，时效处理后的管材力学性能如表3所示。
[0045] 实施例4
[0046] 一、按照质量分数7. 0% Gd、2. 5 % Y、0. 6% Zr与89. 9% Mg及不可避免的杂质配 料，然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每 个长500mm的铸锭块，所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和 纯Mg预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻 坩埚炉中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待 Mg-Gd，Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇 去表面浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?80(TC，保温20?30分钟，将镁熔 液冷却至700°C进行连铸。
[0047] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0048] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以4:1的挤压比，1?10mm/s的挤压速 率进行挤压，得到棒材；
[0049] 四、将棒材和变形模具分别预热至400°C，保温20?40min后，将棒材放入变形模 具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材。
[0050] 实施例5
[0051] 一、按照质量分数9. 5% Gd、3. 5% Y、0. 2% Zr与86. 8% Mg及不可避免的杂质配 料，然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每 个长500mm的铸锭块，所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和 纯Mg预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻 坩埚炉中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待 Mg-Gd，Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇 去表面浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?80(TC，保温20?30分钟，将镁熔 液冷却至700°C进行连铸。
[0052] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0053] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以10:1的挤压比，1?10mm/s的挤压 速率进行挤压，得到棒材；
[0054] 四、将棒材和变形模具分别预热至400°C，保温20?40min后，将棒材放入变形模 具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材。
[0055] 实施例6
[0056] -、按照质量分数7. 0% Gd、3. 5 % Y、0. 2% Zr与89. 3% Mg及不可避免的杂质配 料，然后采用半连续铸造的方法制备成〇300mm的镁合金半连续铸锭，并将铸锭切割成每 个长500mm的铸锭块，所述半连续铸锭的方法为：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和 纯Mg预热到180?220°C ;然后将纯镁放入通有保护气体（Vsf6 :νω2 = 1:99)的井式电阻 坩埚炉中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd，Mg-Y依次直接加入到镁液中，待 Mg-Gd，Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C，加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇 去表面浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780?80(TC，保温20?30分钟，将镁熔 液冷却至700°C进行连铸。
[0057] 二、取无明显缺陷的铸锭块，在500°C下保温8小时进行后，先风冷30min，再放入 热水中冷却进行固溶处理，材料无开裂，之后去皮至表面光亮，得到铸态合金铸锭，以备挤 压；
[0058] 三、将铸态合金铸锭和变形模具分别预热至在400?450°C，保温20?40min后， 将铸态合金铸锭放入变形模具内，在350?450°C下以25:1的挤压比，1?10mm/s的挤压 速率进行挤压，得到棒材；
[0059] 四、将棒材和变形模具分别预热至400°C，保温20?40min后，将棒材放入变形模 具内，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压，得到本发明的镁合金管材。
[0060] 实施例1?3选用棒材作为挤压坯料，且挤压后水冷。
[0061] 表1 :不同挤压管材的挤压工艺
[0062]
【权利要求】
1. 一种高性能汽车防撞杆用镁合金管材，其特征在于，为具有加强筋的"日"字形管材， 所述镁合金包括按重量百分数计的如下原料：7. O?9. 5%的Gd、2. 5?3. 5%的Y、0. 2? 0. 6%的Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。
2. -种如权利要求1所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 将所述合金配料后，进行半连续铸造，得到半连续铸锭； 将所述半连续铸锭经过固溶处理后，得到铸态合金铸锭； 将所述铸态合金铸锭在400?450°C预热20?40min后，进行一次挤压变形，得到棒 材； 将所述棒材在380?420°C下预热20?40min后，进行二次挤压变形，得到管材。
3. 如权利要求2所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，所述半连续铸造方法包 括如下操作：首先将Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Zr各中间合金和纯Mg预热到180?220°C;然后将纯 镁放入通有保护气体的井式电阻坩埚炉中熔化，当镁液温度达到720?740°C时，将Mg-Gd， Mg-Y依次直接加入到镁液中，待Mg-Gd，Mg-Y熔化之后，将镁熔液温度升至760?780°C， 加入Mg-Zr ;待Mg-Zr熔化之后撇去表面浮渣，搅拌10分钟；再将镁熔液温度升到780? 800°C，保温20?30分钟，将镁熔液冷却至700°C进行连铸。
4. 如权利要求2所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，所述固溶处理是将所述 半连续铸锭升温至500?520°C，保温7?9h后置于水中冷却。
5. 如权利要求2所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，所述的一次挤压变形是 指，将铸态合金铸锭置于变形模具中，在350?450°C下以4?25:1的挤压比，1?10mm/s 的挤压速率进行挤压。
6. 如权利要求2所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，所述的二次挤压变形是 指，将棒材置于变形模具中，在380?420°C下，以2?6mm/s的挤压速率进行挤压。
7. 如权利要求3所述的镁合金管材的制备方法，其特征在于，所述保护气体为SF6和 CO2按照1:99的体积比组成的混合气体。
【文档编号】C22C23/06GK104313440SQ201410510114
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】靳丽, 孙捷, 董杰, 丁文江 申请人:上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司