一种高性能镁锌系合金的制备方法
【专利摘要】一种高性能镁锌系合金的制备方法，属于金属材料技术领域，将镁和锌熔化、精炼后，浇铸成合金铸锭，并对均匀化热处理后的合金铸锭进行等通道转角挤压处理，取得镁锌合金，最后将镁锌合金进行固溶热处理。本发明可使镁锌合金的中间相以均匀分布的直径在100纳米到200纳米的颗粒状laves MgZn2相为主，基体晶粒尺寸在10微米以下，从而使其力学性能得到显著提高。
【专利说明】
一种高性能镆锌系合金的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料技术领域，特别是涉及镁锌合金的制备技术。
【背景技术】
[0002] 镁锌系合金是一种具有较高强度的镁合金，在铸造条件下，镁锌合金的中间相通 常是块状共晶，随着锌含量的升高，材料中的中间相含量随之升高。当镁锌合金中的锌元素 含量超过质量百分比3%时，即使充分固溶处理之后，镁锌合金中仍然会有中间相无法完全 溶解而保存了下来。铸造状态的镁锌合金中，主要的中间相是块状Mg 7Zn3相（即Mg51Zn2Q相） 和少量MgZn相，这两种相的熔点分别为341°C和325°C，在变形时超过或者接近这一温度就 有可能造成镁合金开裂，而镁合金是一种难加工材料，塑性变形的温度通常在200°C以上， 在剧烈变形的情况下温度升高也可能达到或者接近这一温度，因此镁锌合金的塑性加工的 温度范围很窄，加工难度较大。粗大的中间相越多镁锌合金的塑性越低，从而导致镁锌合金 在高温下成形能力下降，室温下的力学性能较低。
[0003] 镁锌二元合金中常见的中间相除了Mg7Zn3相和MgZn相之外还有Laves MgZn2相和 Mg4Zm相等，其中Laves结构的MgZn2相和其他中间相相比具有较高的热稳定性(恪点约590 °C)和良好的力学性能，并且其晶体结构与镁同为六方结构，与基体成半共格关系，其对提 高强度有显著作用。
[0004] 剧烈塑性变形(severe plasticity deformation, SPD)是细化晶粒，降低中间相 的尺寸，减小材料的各向异性的有效方法。剧烈塑性变形方法包括等通道转角挤压(equal-channel angular pressing, ECAP)、往复挤压（cyclic-extrusion compression, CEC)、 三维锻造(multi-directional forging, MDF)等。以往的研究发现，ECAP会诱发镁锌合金 中大量析出椭球状或者球状的Laves MgZn2相，这对于提高材料力学性能和高温下的成形 性能都有帮助。而传统的挤压、乳制等加工条件下则不会有或者只有少量的Laves MgZn2相 析出。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提出一中低成本的高性能镁锌合金的制作方法。
[0006] 本发明包括以下步骤： 1) 将镁和锌熔化后，经过搅拌、精炼处理，浇铸成合金铸锭，所述合金铸锭中锌元素占 合金总质量的4.0~12.0%; 2) 将合金铸锭进行均勾化热处理； 3) 对均匀化热处理后的合金铸锭进行等通道转角挤压处理，取得镁锌合金； 4) 将镁锌合金进行固溶热处理。
[0007] 本发明技术原理:等通道挤压(ECAP)可以细化镁锌合金的晶粒，使共晶相破碎并 分布均勾化，并大大提高laves MgZn2相析出的速度，析出的laves MgZn2相主要呈球形或椭 球形，这是通过挤压、锻造、乳制等普通塑性加工工艺无法得到的。在ECAP之后进行固溶处 理可以使铸态下析出的Mg7Zm共晶相分解，而laves MgZm相具有较高的热稳定性，因此在 热处理之后会被保留下来。重复进行剧烈塑性变形和固溶处理的过程可以使镁锌合金中元 素的分布更加均匀，消除了大块状的共晶相，取而代之的是细小的均匀分布的颗粒状相，并 且中间相大部分转化为具有更好强化效果的laves MgZn2相。经过多道次剧烈塑性变形处 理的材料细化充分晶粒，晶粒尺寸可以降低到微米级甚至亚微米级。在第二相强化和细晶 强化机制的作用下，镁锌合金的力学性能也得到了显著提高。
[0008] 本发明通过等通道转角挤压细化晶粒、并将中间相转换为laves MgZm相。
[0009] 本发明通过对镁锌合金同时进行剧烈塑性变形和固溶热处理的方法，降低镁锌合 金中块状共晶的尺寸，同时控制析出相的种类、尺寸和形貌，达到提高镁锌合金的室温力学 性能和高温成形性能的目的。
[0010]本发明的优点在于通过剧烈塑性变形方法处理镁锌合金诱发laves MgZm相析 出，并通过适当的固溶处理工艺将其他中间相溶解到基体中，重复进行剧烈塑性变形和固 溶处理的工艺可以控制晶粒尺寸和中间相的尺寸、分布以及种类。该技术可以使镁锌合金 的中间相以均勾分布的直径在100纳米到200纳米的颗粒状1 aves MgZn2相为主，基体晶粒 尺寸在10微米以下，从而使其力学性能得到显著提高。
[0011]进一步地，本发明在所述步骤1)中，在搅拌时还加入钙，锡，锰，铝或稀土元素中的 至少一种。钙:钙作为合金元素主要与镁形成Mg2Ca相，起到提高强度的作用；锡作为合金元 素可以起到固溶强化作用，锡也可与镁形成Mg 2Sn相，提高合金强度;铝在镁中有一定的固 溶度可以起到固溶强化的作用，铝与镁可以形成MgnAhdg，也可以与镁和锌形成三元共晶 化合物，起到提高合金强度的作用；锰作为合金元素主要是与铝、铁结合形成三元化合物， 降低铁在镁合金中的有害影响;稀土元素在镁合金熔炼过程中可以有效去除氧化物，降低 夹杂物的危害。稀土元素可以与镁形成固溶体，起到固溶强化的作用。稀土元素可以与镁以 及其他元素形成多种化合物，从而提高合金强度。
[0012]所述均匀化热处理的温度<325°C。可有效消除成分偏析。在合金的铸造凝固过程 中，在基体晶界上容易形成粗大的共晶组织，粗大的共晶在材料的塑性变形过程中容易发 生开裂，造成材料加工性能下降。均匀化处理可以使共晶中的溶质原子通过扩散发生迀移， 是共晶尺寸降低。铸态镁锌合金中中间相成分为Mg51Zn20相（即Mg7Zn3相）和MgZn相，其熔 点分别为341°C和325°C，在此温度以上热处理，MgZn相会熔化并在冷却过程中形成孔洞，不 利于后续塑性加工，因此镁锌合金均匀化处理温度要求在325°C以下。
[0013] 所述等通道转角挤压处理为多道次，各道次的变形温度为200±50°C。
[0014] 等通道挤压是一种剧烈塑性变形技术，通过对试样的多道次加工可以提高试样的 应变量，从而细化晶粒尺寸，并使材料的第二相分布均匀，但是连续多道次等通道挤压会导 致材料加工硬化，容易开裂，因此对镁锌合金而言，连续等通道挤压的次数不宜超过6道次。 镁锌合金的变形温度一般不低于150°C，在低于150°C下镁锌合金极易开裂，随着温度的提 高镁锌合金的加工性能明显提高，但是在高温下等通道挤压对晶粒的细化效果不佳，而当 温度超过300°C时，镁锌合金的中间相，如Mg51Zn20相和MgZn相的强度显著下降，从而造成 材料在变形过程开裂，因此加工温度应选择在尽可能低的温度范围。
[0015] 所述固溶热处理的温度< 325 °C，时间为1~2小时。固溶温度在325 °C以下是为了 避免Mg51Zn2Q相和MgZn相熔化并形成孔洞，时间在1~2小时是为了将亚稳态的Mg 51Zn2Q相和 MgZn相溶解，并且避免基体的晶粒长大过快。
[0016] 对步骤3)和4)进行至少两次循环操作。等通道挤压使镁锌合金过饱和固溶体中析 出Laves MgZm相，细化基体晶粒。而固溶热处理会导致镁锌合金中的Mg5iZn2Q相和MgZn相溶 解，晶粒有所长大，并消除加工硬化。进行两次以上循环操作的目的是，将Mg 51Zn2Q相和MgZn 相充分溶解并转化为热力学更加稳定的Laves MgZm相，形成以Laves MgZm相为主要中间 相的镁锌合金显微组织，从而提高镁锌合金性能。
【附图说明】
[0017] 图1为Mg-6Zn(锌重量百分比6%)合金经过不同的等通道转角挤压以及等通道转角 挤压与固溶热处理组合工艺处理后的力学性能图。
【具体实施方式】
[0018] -、制备工艺： 1、 先将镁和锌熔化，然后加入其它元素，经过搅拌、精炼处理等浇铸成合金铸锭。
[0019] 该合金的化学成分质量百分比为:锌4.0~12.0%，其余为镁和不可避免的杂质，同 时该合金中还可以添加钙，锡，锰，铝和稀土元素中的一种或者几种。
[0020] 下表为各实例的原料配比表(单位为:kg)
2、 将以上各合金铸锭分别进行325°C以下的均匀化处理，消除成分偏析。
[0021 ] 3、将均勾化处理后的各铸锭进行等通道转角挤压（equal-channel angular pressing，ECAP)，可以进行多道次加工，各道次的变形温度在200±50°C。
[0022] 4、将剧烈塑性变形处理后的镁锌合金进行固溶热处理，热处理温度在325°C以下， 时间在2小时以内，然后再将材料进行等通道转角挤压。
[0023] 以上第3、4的操作可以循环重复进行。
[0024]二、结果分析： 以Mg-6Zn(锌重量百分比6%)合金为例，将铸态的Mg-6Zn合金记为1号;经过在200°C等 通道转角挤压2道次的记为2号;经过在200°C等通道转角挤压6道次的记为3号;经过两次等 通道转角挤压2道次的（200 °C等通道转角挤压2道次，然后在320 °C均匀化处理1小时，再进 行200°C等通道转角挤压2道次)记为4号；经过三次等通道转角挤压2道次的（200°C等通道 转角挤压2道次，然后在320°C均匀化处理1小时，200°C等通道转角挤压2道次，最后在320°C 均匀化处理2小时，再进行200°C等通道转角挤压2道次)记为5号。4号和5号采用了本技术的 方法。
[0025]图1为Mg-6Zn(锌重量百分比6%)合金经过不同的等通道转角挤压以及等通道转角 挤压与固溶热处理组合工艺处理后的力学性能图。
[0026]图中YS代表室温屈服强度，UTS代表室温抗拉强度，E1.代表室温断裂延伸率;as-casted代表铸态试样，200-2p代表铸态合金经过200°C下2道次等通道转角挤压处理后的试 样，200-6p代表铸态合金经过200 °C下6道次等通道转角挤压处理后的试样，2*200-2p代表2 次200°C下2道次等通道转角挤压的样品，而连续2次200°C等通道转角挤压之间有一次320 °C下1小时的固溶热处理，3*200-2p代表3次200°C下2道次等通道转角挤压的样品，每连续2 次200 °C等通道转角挤压之间有一次320 °C下1小时的固溶热处理。
[0027] 从图1可见:经过200Γ2道次等通道挤压后，合金强度有明显上升，而继续进行到6 道次挤压后屈服强度和抗拉强度不但没有上升，反而略有下降，这是由于MgZn2相长的粗化 造成的。而采用两次等通道转角挤压2道次的的试样4,强度比2号和3号样品的强度都有提 高，延伸率略有下降，样品5号的强度则继续上升。这说明对于镁锌合金，本技术可以在细化 晶粒的基础上充分发挥镁锌合金中MgZn 2相析出强化的作用，和传统的连续等通道转角挤 压相比能更好的提高镁锌合金的强度。
【主权项】
1. 一种高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 将镁和锌熔化后，经过搅拌、精炼处理，浇铸成合金铸锭，所述合金铸锭中锌元素占 合金总质量的4.0~12.0%; 2) 将合金铸锭进行均勾化热处理； 3) 对均匀化热处理后的合金铸锭进行等通道转角挤压处理，取得镁锌合金； 4 )将镁锌合金进行固溶热处理。2. 根据权利要求1所述高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于在所述步骤1)中，在搅 拌时还加入钙，锡，锰，铝或稀土元素中的至少一种。3. 根据权利要求1所述高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于所述均匀化热处理的 温度彡325 °C。4. 根据权利要求1所述高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于所述等通道转角挤压 处理为多道次，各道次的变形温度为200 ± 50°C。5. 根据权利要求1所述高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于所述固溶热处理的温 度<325°C，时间为1.5小时~2小时。6. 根据权利要求1或2或3或4或5所述高性能镁锌合金的制备方法，其特征在于对步骤 3)和4)进行至少两次循环操作。
【文档编号】C22C1/02GK105886804SQ201610317857
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】严凯, 金朝阳, 费洪旗, 程宏辉, 黄新
【申请人】扬州大学