本发明涉及镁合金技术领域，尤其涉及强塑性镁合金及其制备方法。
背景技术：
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成型、废料容易回收等优点，在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有重要的应用价值，被称为21世纪“绿色工程材料”。
目前，镁合金已开发了Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Mn多种系列，为了进一步提高镁合金的强度、韧塑性和抗腐蚀性能，常采用添加合金化元素或稀土元素来生成增强相或者细化晶粒，从而提高镁合金的力学性能。国内外广泛开展提高镁合金材料强度和塑性的工作，国内已有部分高校和企业分别研制出了一些高强度的稀土镁合金。然而由于稀土元素较多导致了材料的成本较高，竞争力差。
既能够保证高强度和高塑性，又可控制低成本的镁合金有待于进一步开发。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供强塑性镁合金及其制备方法，本发明提供的镁合金，具有较高强度的同时具有优异的塑性性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种强塑性镁合金，包括质量百分含量为3％的锡和余量的镁。
优选的，还包括质量百分含量为2％的铅组分。
优选的，还包括质量百分含量为1.5％的锆组分。
本发明还提供了上述技术方案所述的强塑性镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁原料和锡原料混合，得到混合物；
(2)调节所述步骤(1)得到的混合物的温度至680℃后除杂；
(3)搅拌所述步骤(2)除杂的混合物后静置冷却，得到所述强塑性镁合金。
优选的，所述步骤(1)中混合时的原料还包括铅原料。
优选的，所述步骤(1)中混合时的原料还包括锆原料。
优选的，所述步骤(3)中搅拌的时间为5～10min，所述搅拌的转速为50～100r/min。
优选的，所述镁原料以镁液的形式提供，所述镁液的制备方法包括以下步骤：将镁锭在保护气氛下自300℃升温至600℃后保温10～20min，得到镁液。
优选的，所述保护气氛由包括SF6和N2的混合气体提供，所述SF6和N2的体积比为1∶100。
优选的，所述步骤(3)中冷却包括以下步骤：将所述静置后的混合物降温至660～670℃后浇注于温度为300℃的模具中冷却至室温。
本发明提供了一种强塑性镁合金，包括质量百分含量为3％的锡和余量的镁。本发明采用在镁基体中加入锡元素，同时严格限定Sn含量为镁基体质量的3％，以此得到的镁合金组织中具有鱼骨状的共晶组织(α-Mg+Mg2Sn)、杆状的离异共晶组织Mg2Sn和球形颗粒状的第二相Mg2Sn，发生第二相强化，提高强度的同时塑性得到相应提高。本发明的实施例结果表明，本发明得到的镁合金抗拉强度和伸长率分别达到了123.15MPa和9.8％。
进一步的，在Mg-3Sn合金中添加Pb元素，并限定铅的含量为镁基体质量的2％，Pb元素的引入，进一步影响合金中Mg2Sn相的析出及其形貌，Pb以固溶的形式融入到镁合金中，在凝固过程中，Sn和Pb集聚在液-固相接触处的靠近固相一侧，使得液-固界面处Sn的浓度变低，进而使得Mg2Sn相的析出和长大减缓，从而细化了晶界处的Mg2Sn相，提升合金的力学性能。
进一步的，通过加入与Sn位于同一主族的且熔点低、与Mg可固溶的元素Pb以及具有良好晶粒细化效果的元素Zr，实现对镁合金强度和塑性的综合提高；镁基体质量的1.5％的Zr加入Mg-3Sn-2Pb合金中，使得合金中的Mg2Sn相沿晶界呈网状析出，显著提高镁合金合金的抗拉强度。
具体实施方式
本发明提供了一种强塑性镁合金，包括质量百分含量为3％的锡和余量的镁。
本发明采用在镁基体中加入锡元素，同时严格限定Sn的质量百分含量为3％，以此得到的镁合金组织中具有鱼骨状的共晶组织(α-Mg+Mg2Sn)、杆状的离异共晶组织Mg2Sn和球形颗粒状的第二相Mg2Sn，发生第二相强化，提高强度的同时塑性得到相应提高。
在本发明中，所述镁合金的组成优选为Mg-3Sn。本发明对所述镁组分和锡组分的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。在本发明中，所述镁组分优选以镁锭的形式提供；所述镁锭中镁含量优选为不低于99.9wt％。在本发明中，所述锡组分优选以锡锭的形式提供；所述锡锭中锡含量优选为不低于99.9wt％。
为了得到镁合金中锡组分的含量，本发明优选获取含有不同质量百分含量锡的镁合金。在本发明中，所述镁合金中锡的质量百分含量分别为1％、3％、5％和7％。本发明对所述镁合金的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的镁合金制备方法即可。
本发明对所述得到的镁锡合金优选进行拉伸力学性能测试，本发明拉伸性能测试按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行。本发明对所述镁锡合金进行拉伸性能测试时，优选采用板片状；本发明对所述板片状的具体尺寸没有特殊要求，按照所述拉伸测试标准进行限定。本发明实施例中，使用SUNS-UTM5105G型万能试验机对试样进行拉伸性能测试，通过试验机自带的载荷及位移传感器分别采集应力和应变信号，结合输入的试样尺寸，可利用计算机自动计算可得到材料的抗拉强度，试样的伸长率则通过测量试样断裂前后的尺寸直接得出；本发明在测试过程中每种合金优选至少做三组试验，以求取平均值。
完成所述拉伸性能测试后，本发明得到不同含量锡组分的镁锡合金的拉伸性能结果，根据所述拉伸性能测试的结果，得到所述镁合金中锡组分的含量。
在本发明中，所述镁合金优选还包括铅组分；在本发明中，所述铅组分的质量百分含量为2％。在本发明中，所述镁合金的组分优选为Mg-3Sn-2Pb。本发明对所述铅组分的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的的铅金属即可。在本发明的实施例中，所述铅组分具体采用铅锭；所述铅锭中铅含量优选为不低于99.9wt％。在本发明中，所述镁和锡的来源与上述技术方案所述的镁和锡一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述锡元素和铅元素优选以锡-铅合金的形式提供。当以锡-铅合金的形式提供时，所述锡-铅合金中各组分的含量优选以能满足镁合金中所述锡和铅的质量百分含量即可。
为了得到镁合金中铅组分的含量，本发明优选以Mg-3Sn为基础，获取含有不同质量百分含量铅的镁合金。在本发明中，所述镁合金中铅的质量百分含量分别为0.25％、0.5％、0.75％、1％和2％。本发明对所述镁合金的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的镁合金制备方法即可。
本发明对所述得到的镁合金优选进行拉伸力学性能测试，所述拉伸力学性能测试过程与上述技术方案所述拉伸力学性能测试一致，在此不再赘述。
完成所述拉伸性能测试后，本发明得到不同质量百分含量的铅的镁合金的拉伸性能结果，根据所述拉伸性能测试的结果，得到所述镁合金中铅的质量百分含量。
在本发明中，所述镁合金优选包括锆组分；在本发明中，所述锆组分的质量百分含量优选为1.5％。在本发明中，所述镁合金的组成优选为Mg-3Sn-2Pb-1.5Zr。
本发明对所述锆组分的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的的锆金属即可。在本发明的实施例中，所述锆组分具体采用锆锭；所述锆锭中锆的含量优选为不低于99.9wt％。在本发明中，所述镁、锡和铅的来源与上述技术方案所述的镁、锡和铅一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述锡组分、铅组分和锆组分优选以中间合金的形式提供。在本发明中，所述中间合金优选为锡-铅合金、锡-锆合金、铅-锆合金或锡-铅-锆合金。当以中间合金的形式提供时，所述中间合金中各组分的含量优选以能满足镁合金中所述各组分的含量即可。
为了得到镁合金中铅组分的质量百分含量，本发明优选以Mg-3Sn-2Pb为基础，获取含有不同含量锆组分的镁合金。在本发明中，所述镁合金中铅含量分别为0.25％、0.5％、0.75％、1％、1.5％和2％。本发明对所述镁合金的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的镁合金制备方法即可。
本发明对所述得到的镁合金优选进行拉伸力学性能测试，所述拉伸力学性能测试过程与上述技术方案所述拉伸力学性能测试一致，在此不再赘述。
完成所述拉伸性能测试后，本发明得到不同含量锆组分的镁锡合金的拉伸性能结果，根据所述拉伸性能测试的结果，得到所述镁合金中锆组分的含量。
本发明还提供了上述技术方案所述的强塑性镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁原料和锡原料混合，得到混合物；
(2)调节所述步骤(1)得到的混合物的温度至680℃后除杂；
(3)搅拌所述步骤(2)除杂的混合物后静置冷却，得到所述强塑性镁合金。
本发明将镁原料与锡原料混合，得到包括镁和锡的混合物。在本发明中，所述包括镁和锡的混合物中，锡原料为所述混合物的3wt％。本发明对所述混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。在本发明的实施例中，所述镁液和锡金属的混合具体为在镁液中加入锡锭。
在本发明中，所述镁原料优选以镁液的形式提供；在本发明中，所述镁液的制备方法优选包括以下步骤：将镁锭在保护气氛下自300℃升温至600℃后保温10～20min，得到镁液；在本发明中，所述保护气氛优选为SF6和N2的混合气体；所述SF6和N2的体积比优选为1∶100。在本发明中，所述强塑性镁合金的制备过程优选在保护气氛下进行；所述强塑性镁合金制备过程中的保护气氛与前述技术方案所述的保护气氛一致。
本发明调整得到的包括镁和锡的混合物温度至680℃。本发明在所述升温过程中，完成所述锡的熔化。
完成所述升温后，本发明对所述混合物进行除杂处理；本发明对所述除杂方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的除杂方式即可。在本发明的实施例中，所述除杂具体为扒渣。本发明对所述扒渣的具体操作方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的扒渣方式即可。
所述除杂后，本发明对所述混合物进行搅拌。在本发明中，所述搅拌的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min；在本发明中，所述搅拌的转速优选为50～100r/min，进一步优选为75～80r/min。本发明对所述搅拌的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的搅拌方式即可。
本发明将所述得到搅拌后的混合物进行静置；在本发明中，所述静置的时间优选为10～20min，进一步优选为15～18min；在本发明中，所述静置过程的温度优选为680℃，完成对所述混合物的保温过程。
完成所述静置后，本发明对所述静置后的混合物进行冷却。在本发明中，冷却方法优选包括以下步骤：将所述静置后的混合物降温至660～670℃后浇注于温度为300℃的模具中冷却至室温。本发明对所述浇注的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的浇注方式即可；在本发明的实施例中，具体采用自带加热洗系统的钢模完成所述浇注。在本发明中，所述室温优选为20～25摄氏度；在本发明中，所述冷却至室温的方式优选为自然冷却。
本发明将镁液与锡原料混合时，还包括铅原料的混合，得到包括镁、锡和铅的混合物。本发明，所述包括镁、锡和铅的混合物中，锡原料为所述混合物的3wt％，铅原料为所述混合物的2wt％。在本发明中，所述镁液、锡原料和铅原料混合时，优选将镁液和锡-铅中间合金混合，当以中间合金的形式提供时，所述中间合金中各组分的含量优选以能满足镁合金中所述各组分的含量即可。
本发明将所述镁液、锡原料和铅原料混合后的处理方式优选与上述技术方案所述的将所述镁液和锡原料混合后的处理方式一致，在此不再赘述。
本发明优选将所述镁液、锡原料和铅原料混合后，将所述包括镁、锡和铅的混合物升温至720℃后与锆原料混合，得到包括镁、锡、铅和锆的混合液。在本发明中，混合物升温至720℃后优选以锆金属加入到所述混合物中。本发明，所述包括镁、锡、铅和锆的混合物中，锡原料为所述混合物的3wt％，铅原料为所述混合物的2wt％，锆原料为所述混合物的1.5wt％。
本发明将所述镁液镁液、锡原料、铅原料和锆原料的混合时，所述锆原料优选以镁-锆中间合金的形式加入。
在本发明中，所述混合后优选进行后处理，所述后处理优选包括保温处理、除杂处理和搅拌。在本发明中，升温至720℃后，本发明优选将所述包括镁液、锡金属和铅金属的混合物中加入锆金属。完成所述锆金属的添加后，本发明优选对所述混合物进行10～15min的保温处理后进行除杂处理；在本发明中，所述除杂处理优选为扒渣处理，本发明对所述扒渣处理没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的扒渣处理即可。所述除杂处理后，本发明优选对所述混合物进行搅拌；在本发明中，所述搅拌的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min；在本发明中，所述搅拌的转速优选为50～100r/min，进一步优选为60～80r/min；在本发明中，所述搅拌优选为机械搅拌。
完成所述搅拌后，调节所述混合物至680℃后除杂。在本发明中，所述温度调节优选为降温处理，本发明对所述降温处理的具体方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的降温方式即可。完成所述温度调节后，本发明对所述混合液进行除杂处理；本发明对所述除杂处理没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的除杂处理方式以能去除所述混合液的表面浮渣即可；在本发明的实施例中，所述除杂处理具体为扒渣。
所述除杂处理后，本发明优选浇注所述混合液；在本发明中，所述浇注的温度优选为680℃，所述浇注的模具的温度优选为300℃；在本发明中，所述浇注优选在自带加热洗系统的钢模中进行。所述浇注后，本发明优选自然冷却所述浇注体；在本发明中，所述自然冷却后的温度优选为20～25℃；本发明对所述自然冷却的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的自然冷却方式即可。
本发明提供了一种强塑性镁合金，包括质量百分含量为3％的锡和余量的镁。本发明采用在镁基体中加入锡元素，同时严格限定Sn的质量百分含量为3％，以此得到的镁合金组织中具有鱼骨状的共晶组织(α-Mg+Mg2Sn)、杆状的离异共晶组织Mg2Sn和球形颗粒状的第二相Mg2Sn，发生第二相强化，提高强度的同时塑性得到相应提高。本发明的实施例结果表明，本发明得到的镁合金抗拉强度和伸长率分别达到了123.15MPa和9.8％。
下面结合实施例对本发明提供的强塑性镁合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)先将熔炼炉、试验材料和使用工具进行预热除去水分。
(2)待熔炼炉温度升至300℃后，加入纯镁锭，并按照体积比1∶100，通入保护气SF6+N2，确保整个熔炼浇注过程中均在保护气氛下进行。
(3)继续升温至660℃后保温10min，使得镁锭完全熔化。
(4)镁锭完全熔化后，按照镁锭质量的3％的比例，向熔体中加入称量好的锡锭，继续升温至680℃。
(5)升温至680℃后进行扒渣处理，去除熔液中的杂质；随后进行机械搅拌，限定转速50r/min，搅拌时间5min，搅拌完成后在680℃保温静置30min。
(6)完成所述保温处理后，进行冷却，待温度降至665℃后再进行扒渣进一步除杂，将熔体浇注在自带加热洗系统的钢模中，限定模具温度为300℃，同时控制浇注温度为665±5℃，浇注完成后，自然冷却，得到镁合金铸锭。
制备得到的镁合金铸锭的抗拉强度为123.15MPa，伸长率为9.8％。
实施例2
(1)先将熔炼炉、试验材料和使用工具进行预热除去水分。
(2)待熔炼炉温度升至300℃后，加入纯镁锭，并按照体积比1∶100，通入保护气SF6+N2，确保整个熔炼浇注过程中均在保护气氛下进行。
(3)继续升温至660℃后保温10min，使得镁锭完全熔化。
(4)镁锭完全熔化后，按照镁锭质量的3％的比例，向熔体中加入称量好的锡锭，同时按照镁锭质量的2％的比例，加入铅锭后，继续升温至680℃。
(5)升温至680℃后进行扒渣处理，去除熔液中的杂质；随后进行机械搅拌，限定转速50r/min，搅拌时间5min，搅拌完成后在680℃保温静置30min。
(6)完成所述保温处理后，进行冷却，待温度降至665℃后再进行扒渣进一步除杂，将熔体浇注在自带加热洗系统的钢模中，限定模具温度为300℃，同时控制浇注温度为665±5℃，浇注完成后，自然冷却，得到镁合金铸锭。
制备得到的镁合金铸锭的抗拉强度为120.13MPa，伸长率为13.12％。
在Gleeble3500上限定变形温度为250～450℃、应变速率为0.001-10s-1对制备得到的镁合金铸锭进行热压缩试验，以此得到热压所试验的真应力-真应变曲线后构建包含Z参数的双曲正弦函数关系，得到所制备得到的镁合金铸锭的表观激活能较高，达到173.14kJ/mol。
实施例3
(1)先将熔炼炉、试验材料和使用工具进行预热除去水分。
(2)待熔炼炉温度升至300℃后，加入纯镁锭，并按照体积比1∶100，通入保护气SF6+N2，确保整个熔炼浇注过程中均在保护气氛下进行。
(3)继续升温至660℃后保温10min，使得镁锭完全熔化。
(4)镁锭完全熔化后，按照镁锭质量的3％的比例，向熔体中加入称量好的锡锭，同时按照镁锭质量的2％的比例，加入铅锭后，继续升温至720℃。
(5)升至720℃后，加入称量好的Mg-30Zr中间合金，保温10min后扒渣并进行机械搅拌5min，限定搅拌转速为50r/min，搅拌完成后保温30min。
(6)待温度降至680℃后进行扒渣，将熔体浇注在自带加热洗系统的钢模中，控制模具温度为300℃，浇注温度控制在680℃，浇注完成后，自然冷却得到Mg-Sn-Pb-Zr合金铸锭。
制备得到的镁合金铸锭的抗拉强度为130.1MPa，伸长率为10.2％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。