一种可高速挤压的变形镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种金属材料及其加工领域的合金及其制备方法，特别是设及一 种挤压速度不小于20m/min的变形儀合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 20世纪80年代W来，随着汽车工业的迅猛发展，节能、安全、环保对交通装备轻量 化的迫切要求促使儀合金在汽车、轨道交通和航空航天等领域的用量迅速增长。国内外掀 起了儀合金开发与应用的热潮，儀合金也成为继钢铁、侣合金之后的第=大金属工程材料， 被誉为"21世纪商用绿色环保和生态结构材料"。变形儀合金可W提供尺寸多样的板、棒、 管、线、型材W及锻件产品，可W通过合金化，热处理工艺，变形加工工艺等手段来调控材料 组织结构，比铸造儀合金具有更高的强度和延伸率等力学性能，可W满足各方面对多样化 结构件的要求，故日益受到重视和关注，发展变形儀合金及其变形加工技术具有重要的现 实意义。
[0003] 但是常规儀合金变形加工窗口较侣合金狭窄得多，因此通常只能采用较低的挤压 速度，从而导致生产效率降低，生产成本提高，极大地限制了目前儀合金型材的应用范围。 例如，商用高强儀合金如AZ80和ZK60儀合金挤压速度只有0. 5~2. 5m/min。通常认为，目 前高强度商用儀合金AZ80和ZK60的极限挤压速度较低，主要是由于随着儀合金中侣元素 或者锋元素含量的的增加，儀侣相（Mgi,Ali2)或儀锋相将会大量形成，由于运些第二相具有 较低的初烙溫度，在高速挤压过程中由于模具出口附近溫度急剧上升而发生溶解，不足W 钉扎晶界导致组织晶粒长大，使得挤压产品的力学性能较低。
[0004] 要保证高速挤压情况下所得产品依然具备较高的综合性能，就需要合金中存在或 者挤压过程中能够产生高烙点的第二相，W阻碍再结晶晶粒的长大，从而使最终产品具有 较高的力学性能。基于此，Mg-Bi基合金系因能原位生成具有高烙点的第二相，MgsBiz相 (烙点为823°C)，较传统的AZ、ZK系列儀合金拥有更高的热稳定性，被认为是潜在可高速 挤压的儀合金系列。 阳0化]现有技术中，CN1876871公开了一种用于进行高速挤压的Mg-Al-Mn变形儀合金， 其组成成分的重量百分比分别为：Al2~5wt%、Mn0. 1~0. 7wt%，其余为儀及少量不可 避免杂质元素，该合金的挤压速度可W达到15m/min，合金的抗拉强度在255~285MPa之 间，屈服强度在140~185MPa之间，延伸率在10~20 %之间，总体上看该合金虽能进行高 速挤压，但所得合金力学性能一般。CN101805866A公开了 一种用于高速挤压的变形儀合金， 该合金的组分的重量百分数为Al2~9wt%、Mn0. 1~Iwt%、Si0. 1~3wt%、Ce0. 1~ 2wt%、Y0.I~Iwt%、Sr0.I~Iwt%、訊0.I~Iwt%，其余为儀及不可避免的杂质元 素，该合金可进行速度不小于15m/min的挤压。该合金平均晶粒尺寸仍比较大，在8~15Jim 之间，此外，该合金的元素组成比较复杂，并且合金中需要添加Ce、Y、Sr等较昂贵的合金元 素，直接增加了合金的成本。CN101418404公开了一种用于高速挤压的变形儀合金，其组成 成分的重量百分比分别为：Al5~7wt%、化2~3wt%、Mn7~9wt%、Li3~4wt%、 ZrI~3%，其余为儀及不可避免杂质。该儀合金的挤压速度可W达到20m/min，抗拉强度 248~275MPa，屈服强度142~178MPa，延伸率18~23. 8%，该合金的力学性能偏低，并且 合金中含有较多的贵重元素化i3~4wt%、Zr1~3%)，间接提高了合金的成本。
[0006] 因此，发明一种无稀±等贵重合金元素添加且可高速挤压的低成本高性能儀合金 具有重要的经济和社会意义。
【发明内容】
阳007] 本发明的目的为针对现有技术存在的大部分变形儀合金难W高速挤压或可高速 挤压的少量儀合金力学性能普遍不高的不足，提出一种可高速挤压的变形儀合金及其制备 方法，该合金为一种新型的Mg-Bi-A^^-Mn合金，可用于进行挤压速度不小于20m/min的 高速挤压生产，提高生产效率同时降低生产成本，挤压终了产品晶粒细小且具有较好的力 学性能。
[0008] 本发明的技术方案是：
[0009] 一种可高速挤压的变形儀合金，该合金为Mg-Bi-A^^-Mn儀合金，其组分的质量 百分比为：2 ~lOwt%Bi、0. 5 ~5wt%A1、0. 1 ~2wt% 化、0. 1 ~1.Owt%Mn,其余为儀。
[0010] 所述的可高速挤压的变形儀合金的制备方法，包括W下步骤：
[0011] 1)将工业用儀合金烙炼炉清理干净并加热至400~500°C，将预热过的纯儀锭放 入烙炼炉的相蜗中，加热，使炉溫升溫至700~750°C;
[0012] 2)待儀锭全部烙化后，加入按照目标合金配比的、预热过的纯祕、纯侣、纯锋和 Mg-Mn中间合金，并将炉溫提升10~40°C，保溫10~20min左右；
[001引如待步骤。中的原料全部烙化后揽拌2~5分钟，将炉溫调低10-30。保溫静 置8~10分钟；
[0014] 4)撇去烙体表面浮渣，然后采用金属型铸造制备成儀合金铸态巧料；从烙炼到诱 注的整个过程中烙化过程中均通入C02/S!V混合气体进行保护； 阳01引 W均匀化固溶处理：固溶处理溫度为480~530°C，时间为4~24小时；在均匀 化处理的加热和保溫过程中通入氣气进行保护；
[0016] 6)将步骤5)中固溶处理后铸锭切割成相应的巧料并去皮；
[0017] 7)将上步得到的巧料放入模具中进行挤压变形处理，挤压变形速度为0.1~20m/ min,挤压比为10~50,挤压溫度为300~450°C，变形巧料应在30分钟之内加热到所需挤 压溫度；最后得到所述的经过高速挤压的并且具有较高强度的变形Mg-Bi-A^^-Mn儀合 金；
[0018] 所述的模具为用于成形棒、板、管、线或型材的模具。
[0019] 所述的Mg-Mn中间合金优选为Mg-SMn中间合金。
[0020] 所述的CA/SFe混合气体的组成为体积比CO2:SFe= 100:1。
[0021] 上述超高强度新型儀合金的制备方法，所用的原材料和设备均通过公知的途径获 得，所用的操作工艺是本技术领域的技术人员所能掌握的。
[0022] 本发明的实质性特点为：
[0023] 本发明的儀合金WBi为主要合金化元素，Bi能与合金中的儀原位生成高烙点 MgjBiz相（烙点为823°C)，其高热稳定性可W与儀-稀±相的热稳定性相媳美，而价格低 廉，在挤压过程中未固溶的MgsBiz相被破碎后弥散分布在基体上，可WW颗粒激发形核的 方式促进动态再结晶，同时动态析出细小MgsBiz相可有效钉扎晶界的移动，阻碍位错运动， 进而提高合金的力学性能。Al元素和化元素可W改善合金的塑性加工性能，并且可W起到 固溶强化的作用，化元素还可W增强合金的动态析出响应效果，Mn元素可W减少合金中杂 质元素对合金的有害作用，改善合金的耐蚀性能。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[00巧]1)本发明的儀合金WBi元素作为主要合金元素，通过简单的合金化手段，形成大 量的的MgsBiz相，辅W少量的侣元素和锋元素来提高合金的塑性，配合儘元素可W提高合 金耐蚀性的作用，从而在该合金系列中开发出可高速挤压的高强儀合金，可W进行用于挤 压速度不小于20m/min高速挤压，并且所得材料仍具有较高的强度，屈服强度和抗拉强度 最高可分别达到276MPa和330MPa，而目前商用可高速挤压的儀合金AZ31，在用同样挤压速 度下，加工出来的合金屈服强度和抗拉强度分别仅为199MPa和273MPa。
[00%] 2)并且本发明合金的晶粒组织细小，最小的平均晶粒尺寸可W达到2ym左右。由 于合金中原位生成大量的难烙的MgsBiz化所W在挤压过程当中对挤压后的晶粒起到足够 的钉扎作用W阻止其长大，而细小的晶粒和大量的动态析出第二相的共同作用决定了其挤 压终了产品具有较高的力学性能，并且细小的晶粒组织，也有利于合金进一步加工成零件。
[0027] 3)本发明儀合金制备工艺简单，由于合金中高热稳定性的MgsBiz相（烙点为 823°C)是原位生成的，所W现有的儀合金挤压设备都可对其进行加工，无需额外改进，对 生产设备的要求低。并且，本发明所开发合金中的MgsBiz相具有较高的烙点，可W提高合金 中合金相的初始烙化溫度，使得合金可W在更高的溫度（可高达450°C甚至更高）下进行热 机械加工，从而减少热机械加工的变形抗力，设备简单，生产效率高。
[0028] 4)本发明儀合金不含稀±等贵重金属，用于原位生成高热稳定性的MgsBiz相的金 属Bi价格低廉，合金成本低（稀±-般1000到5000元每公斤，而本专利所用的金属Bi每 公斤只用200元左右）；可W广泛用于生产车窗框架、座椅骨架等汽车部件；还可W挤压成 棒材，作为航空航天领域的零部件巧料。
[0029] 5)本合金的主要合金元素Bi元素对环境和人体没有毒害作用，属于环境友好型 材料。
【附图说明】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进 一步的描述。
[0031] 图1为在相同条件下本发明实施例1、2、3和对比例1 (AZ31)和对比例2(AZ80)的 挤压棒材实物图.
[0032] 图2为实施例1平行于挤压方向的挤压态组织形貌；
[0033] 图3为实施例2平行于挤压方向的挤压态组织形貌；
[0034] 图4为实施例3平行于挤压方向的挤压态组织形貌； 阳0对图5为实施例3挤压态组织中存在的微米尺度和纳米尺度MgsBi湘的TEM照片
[0036] 图6为对比例AZ31平行于挤压方向的挤压态组织形貌；
[0037] 图7为实施例1、实施例2、实施例3和对比例1 (AZ31)的典型拉伸曲线。
【具体实施方式】
[0038] 下面用【具体实施方式】对本发明（的技术方案）做进一步说明，W下实施例均在本 发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
[0039] 选取S种合金成分Mg-5. 8Bi-3. 2Al-l.〇ai-〇. 2Mn(wt% )(合金 1)、 Mg-7.OBi-2.OAl-1. 0化-0. 3Mn(wt% )(合金 2)、Mg-8.OBi-1.OA^l.OZn-0. 3Mn(wt% )(合 金3)作为典型例子。 W40] 按照本发明的技术方案，W纯Mg锭巧9. 8wt% )、纯Bi块巧9wt% )、纯Al块 巧9. 5wt% )、纯化块巧9. 5wt% )及Mg-5Mn(Mn实际检测含量为5.Olwt% )中间合金为 合金化原料，经烙炼制成低成本儀合金铸锭；将经过固溶处理和去皮处理的巧料放入加热 炉中加热，然后采用挤压加工将儀合金巧料变形加工成棒材，挤压溫度400°C，挤压速度为 20m/min，挤压比为30,挤压后棒材采用空冷。所选的实施例和对比例儀合金的挤压加工参 数如表1所示；对挤压棒材进行测试，实施例及对比例UAZ31)的晶粒大小和室溫力学性能 测试结果见表2。 柳41] 实施例1
[0042] 设计选取Mg-5. 8Bi-3. 0