一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法与流程

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁锌合金的制备技术，特别是涉及一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法。

背景技术：

镁锌系合金是一类重要的镁合金，通常具有较高的力学性能。在研究和工业生产中，希望得到显微组织为单相过饱和固溶体的镁锌合金，由于固溶强化的作用合金具有较高的强度，又由于没有第二相存在，在变形过程中也具有较高的塑性，并且锌完全固溶在镁基体中既可以提高基体的电极电位，也没有相界面处发生内电偶腐蚀的问题，可以大大提高镁锌合金的耐蚀性，在平衡条件下，锌在镁中最大溶解度约为质量百分比6%(在325℃时)，因此理论上，在镁锌体系中，含Zn 6wt.%的单相的镁锌合金具有优异的综合性能，单相过饱和固溶体镁锌合金具有重要的研究和应用价值。但是在实际的制备条件下，金属溶液凝固过程中会从液相中析出块状共晶，随着锌含量的增加，这些共晶组织的数量增多，形成双相甚至多相的显微组织，粗大的块状第二相在容易造成强度低和成形性能差的问题。传统解决这一问题的方法通常是采用均匀化热处理以改善显微组织，其原理是将镁锌合金加热到300至350℃，并长时间保温，让块状共晶分解和溶解，然而这种方法存在两个不足，一是长时间加热造成晶粒粗大，材料力学性能和加工性能下降，二是即使长时间均匀化处理也很难将第二相完全溶解在基体中，很难得到单相过饱和固溶体的组织。

技术实现要素：

本发明的目的是针对均匀化热处理促使共晶分解方法中出现的长时间加热造成晶粒粗大、力学性能和加工性能下降、第二相在基体中溶解度差等不足，提出一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，可获得单相过饱和固溶体组织，可进一步细化晶粒，提高材料力学性能和加工性能。

本发明的技术方案是：一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

(1)将金属镁和金属锌熔化成液态金属；

(2)对步骤(1)中的液态金属进行搅拌、精炼处理得到精炼液态金属，金属液熔化后机械搅拌3～5分钟，随后静置等熔渣上浮后将熔渣去除；

(3)将步骤(2)中的精炼液态金属浇铸成合金铸锭；

(4)将步骤(3)中获得的合金铸锭进行均匀化热处理和剧烈塑性变形，均匀化处理温度为300～350℃，时间为2～6小时；

(5)将步骤(4)中经过剧烈塑性变形处理后的镁锌合金进行固溶处理，热处理温度为300～325℃，到达温度后保温2～4小时，随后将试样取出后在空气或水中进行快速冷却到室温，即可得到单相过饱和固溶体的显微组织。

步骤(3)中所述合金铸锭中锌元素含量低于总质量的6.0%。

步骤(4)中所述剧烈塑性变形为剧烈塑性变形工艺采用等通道挤压、往复挤压等方法，累计变形量在400%以上。

步骤(5)中所述保温的时间根据试样尺寸和形状决定。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，制备原理清晰，由于溶质原子锌在镁基体中的扩散速度慢，扩散距离长，而本发明通过对镁锌合金进行剧烈塑性变形处理，当应变量足够大时，原先粗大的第二相破碎成小颗粒，同时晶粒会显著细化并有大量位错、空位等晶体缺陷。单位体积内相界面数量越多，扩散速度越快，并且溶质原子需要扩散的距离越短，大量晶粒缺陷对于锌在基体中的扩散非常有利，而在随后的热处理过程中，第二相的溶解速度大大加快，进一步细化了晶粒，获得了单相过饱和固溶体的镁锌合金，提高了材料的力学性能和加工性能。

附图说明

图1是本发明在铸态状态下Mg-5%wt.Zn合金电子扫描显微图。

图2是本发明在350℃、4小时铸态下均匀化热处理的电子扫描显微图。

图3是本发明在200℃、4道次等通道转角挤压处理的电子扫描显微图。

图4是本发明在200℃、4道次等通道转角挤压处理后再进行350℃、4小时均匀化热处理的电子扫描显微图。

图5是本发明在铸态状态下Mg-6%wt.Zn合金电子扫描显微图。

图6是本发明在350℃、4小时铸态下均匀化热处理的电子扫描显微图。

图7是本发明在200℃、6道次等通道转角挤压处理的电子扫描显微图。

图8是本发明在200℃、6道次等通道转角挤压处理后再进行350℃、4小时均匀化热处理的电子扫描显微图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，包括如下操作步骤：

(1)将金属镁和金属锌熔化成液态金属；

(2)对步骤(1)中的液态金属进行搅拌、精炼处理得到精炼液态金属，金属液熔化后机械搅拌3～5分钟，随后静置等熔渣上浮后将熔渣去除；

(3)将步骤(2)中的精炼液态金属浇铸成合金铸锭；

(4)将步骤(3)中获得的合金铸锭进行均匀化热处理和剧烈塑性变形，均匀化处理温度为300～350℃，时间为2～6小时；

(5)将步骤(4)中经过剧烈塑性变形处理后的镁锌合金进行固溶处理，热处理温度为300～325℃，到达温度后保温2～4小时，随后将试样取出后在空气或水中进行快速冷却到室温，即可得到单相过饱和固溶体的显微组织。

一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，步骤(3)中所述合金铸锭中锌元素含量低于总质量的6.0%；步骤(4)中所述剧烈塑性变形为剧烈塑性变形工艺采用等通道挤压、往复挤压等方法，累计变形量在400%以上；步骤(5)中所述保温的时间根据试样尺寸和形状决定。

一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法的原理如下：对镁锌合金先进行剧烈塑性变形处理，当应变量足够大时，原先粗大的第二相破碎成小颗粒，同时晶粒会显著细化并有大量位错、空位等晶体缺陷。单位体积内相界面数量越多，扩散速度越快，并且溶质原子需要扩散的距离越短，材料中大量晶粒缺陷对于锌在基体中的扩散非常有利。在随后的热处理过程中，第二相的溶解速度大大加快，从而得到单相过饱和固溶体的镁锌合金。

实施例1：

如图1～4所示，一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，Mg-5%wt.Zn合金铸造后的形成块状共晶，经过4小时350℃均匀化热处理后共晶分解，但第二相没有消失且仍然粗大，这说明均匀化处理效果并不理想。经过200℃、4道次等通道转角挤压处理后，粗大的第二相破碎成小颗粒，且分布均匀，再经过4小时的350℃均匀化热处理，原先第二相的区域边界模糊或者消失，除少量溶质原子聚集区，几乎完全溶解。

实施例2：

如图5～8所示，一种单相过饱和固溶体镁锌合金的制备方法，Mg-6%wt.Zn合金铸造后的形成块状共晶，经过4小时350℃均匀化热处理后共晶分解，仍然有部分第二相没有溶解。经过200℃、6道次等通道转角挤压处理后，粗大的块状相破碎变形尺寸减小，周围分布有细小的析出相，6道次等通道转角挤压处理后再经过4小时的350℃均匀化热处理，除晶界上有少量小尺寸的第二相颗粒分布，基体中几乎没有第二相存在，这说明本发明对于均匀化镁锌合金的显微组织，制备单相过饱和固溶体镁锌合金是非常有效的。