专利名称：：含铈的镁-锌-锰系镁合金的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种镁合金材料，特别涉及一种可快速挤压变形，并且通过多次热变形累积细化效果，所得制品室温下具有中等强度和高塑性的含铈的镁-锌-4孟系4美合金。
背景技术：
：随着镁合金型材制品在航空航天、电子电器和汽车等领域的应用逐渐广泛，镁合金型材塑性变形能力不足的缺点成为制约其进一步扩大应用的障碍。镁合金的晶体密排六方结构，在变形过程中滑移系少，热加工塑性和制品室温塑性明显较铝合金差。就热挤压生产而言，较差的热加工塑性导致大多数牌号的镁合金挤压速度不能过快，除AZ31可达10米每分钟外，其他到通常不超过6米每分钟。为此，各国研究者多年致力于开发高热加工塑性镁合金，目前得到的主要以ZM21合金为代表，其名义成分为Mg+2Zn+lMn(重量百分比)，根据德国GKSS研究所的报道，采用静液挤压方式ZM21合金挤压速度达到了120米每分钟以上；根据国内CCMG(重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心)的研究报告，采用常规挤压方式ZM21合金挤压速度已达到25米每分钟以上。上海交大将常规Mg-Al-Zn商用合金中的Zn去掉，开发出的Mg-Al系可快速变形的镁合金，挤压速度可达到15米每分钟(专利申请号200610028334.5)。虽然緩解了镁合金挤压速度慢导致生产成本高的矛盾，但同时，又降低了镁合金挤压制品强度或塑性。因为通过降低镁合金中的合金元素，可以保证高塑性，但其制品的强度受限于合金元素有限的固溶强化效果而较其他常规合金偏低；通过提高合金元素含量提高制品的强度，但制品室温塑性又明显下降(专利申请号200610028334.5说明书实施例1~4)。镁合金型材制品在使用过程中需要良好的塑性和强度，以保证其服役过程内不发生失效。部分镁合金挤压制品还可能需先经过较大程度的塑性变形，以获得一定的形状后再使用，如管材的打尖、扩径和液压胀形，棒材的弯曲等，都要求挤压制品具有良好的室温塑性，以避免必须采用温加工变形而增加制造成本。为此希望4美合金制品具有高的室温塑性，拉伸延伸率应在20%以上，某些极端情况的使用条件，如瞄准镜锥度管的扩径，要求拉伸延伸率应在25%以上。通过热变形细化晶粒是提高制品塑性同时保持强度最主要的方法，然而热变形过程对合金组织的细化存在受工艺条件影响的极限值，当晶粒细化到一定程度时，再进一步增大单次热变形的变形程度或采用反复热变形，均难以使其进一步细化，现有典型的变形镁合金，例如AZ31、AZ61、AZ80和ZK60等，包括上述的ZM21等可高速热变形合金，在常规的热挤压设备和工艺条件下，制品的晶粒尺寸通常只能控制在15-35jam范围内，其室温拉伸延伸率在10~18%之间。这是因为在上述镁合金中缺乏高温下不熔化的合金相起强化基体的作用，如AZ61和AZ31合金中的强化相只有MgJlm在400°C以上高温时稳定性变差，挤压过程中会溶解，不能保持足够的钉扎作用以阻止晶粒的长大(袁广银、孙扬善、张为民Bi对铸造镁合金组织和力学性能的影响，《铸造》1998年第五期，第5~7页)，使得挤压终了产品的力学性能较低。因此，要保持挤压终了产品较高的力学性能，上述镁合金的挤压速度不能大于10m/min,由于挤压速度慢，就增大了生产成本。
发明内容本发明的目的是提供一种含铈的镁-锌-锰系高塑性变形的镁合金。所述的镁合金具有良好的热加工塑性，可快速挤压变形，经过多次热塑性变形后能够获得比较细小的晶粒，可以大大提高塑性并保持强度，在室温拉伸强度为285MPa,延伸率为20%。本发明的技术方案是所述镁合金由镁、锌、锰和稀土Ce组成，各组份的质量百分比为Zn:1.8—4.0%,Mn:0.5~1.5°/。，Ce:0.15—0.80%,不可避免杂质<0.15%;其余为Mg。本发明的较好的技术方案是镁合金各组份的质量百分比为Zn:2.3°/。；Mn:0.75°/。；Ce:0.35%;不可避免杂质<0.15%;其余为Mg。其中不可避免的杂质为Si、Ni、Cu、Fe,其总量不超过0.15%。本发明由于在镁-锌-锰系镁合金中添加了稀土金属Ce,使本发听所述镁合金具有以下优点1.在镁-锌-锰系镁合金中添加Ce,所述镁合金在凝固过程中，其平衡分配系数K〈1，Ce主要富集固/液界面的前沿，从图2可以看到，在扫描电镜能谱分析的结果显示，Ce主要是分布在晶界和枝晶间上，对晶界有钉扎作用，可以抑制晶粒的长大，降低了晶粒长大的速率，所得的晶粒细小。2.在镁-锌-锰系镁合金中添加Ce元素，降低了合金的凝固范围，可以形成更高的过冷度，提高凝固过程中的形核率；在镁-锌-锰系镁合金中添加Ce,能够降低在凝固过程中的结晶潜热，可以降低凝固过程的停留时间，降低了晶粒长大的可能性。3.在镁-锌-锰系镁合金中添加了Ce元素能够增加镁合金在凝固过程中的形核率，对晶粒的细化有积极的作用(《材料科学基础》刘智恩西北工业出版社2001.1)。经过定量金相测得普通镁-锌-锰系镁合金的晶粒平均尺寸为134jum左右，添加Ce的镁合金的晶粒平均尺寸为106jum左右。晶粒尺寸细化幅度为21%，因此Ce对铸造组织的细化显著，铸造组织的细化为挤压制品的细化奠定了良好的基础，有利于挤压制品通过晶粒细化的方式，达到同时提高合金制品强度和塑性的目的。4.在镁-锌-锰系镁合金中添加了Ce元素，可以使合金热变形过程中当温度升高时，开始出现局部融化的温度提高，有利于选用更高的温度进行挤压，以提高合金的热变形塑性、减小挤压变形抗力，从而提高挤压速率。因此，本发明所述镁合金适合快速挤压变形。本发明所述含Ce的镁合金在热挤压加工过程中，会发生再结晶，而弥散分布在晶界上的高熔点含Ce第二相会阻碍新晶粒的长大，在热变形过程中，形成稳定的高熔点细小质点钉轧晶界，阻止晶粒长大，降低了晶粒长大的速率，获得含有细小晶粒的挤压制品；在随后重复热变形的加热过程和热变形过程，稳定的高熔点细小质点适中稳定地存在，起到钉轧晶界，阻止晶粒长大的作用，从而使得多次热变形的细化效果能够累积起来，循序渐进地获得超细小的等轴晶，从而极大地提高塑性并同时保持一定的强度，使所得的制品强度中等，塑性良好，在室温下延伸率在19~21%,屈服强度为238MPa，抗拉强度为285Mpa。由于屈强比为0.84。本发明所述镁合金的挤压制品适合做结构材料，需要时可承受使用前的室温塑性变形。本发明所述镁合金的制备方法和常规镁合金铸锭的制备方法相似，因此有工艺简单，容易操作的优点下面参照附图并结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。在本发明的构思前提下对本发明制备方法的筒单改进，都属于本发明要求保护的范围。图1本发明所述镁合金的挤压棒材的端面的显微组织；图2本发明所述镁合金的端面扫描电镜下显微组织；图3为ZM21合金铸态DSC曲线；图4为ZME210合金铸态DSC曲线图5a、b、c为ZM21不同挤压比的显微组织(端面)；图6a、b、c为ZME210不同挤压比的显微组织(端面)图7为ZM214美合金的不同制品二次净齐压变形的显农i组织，其中7a为方坯二次挤压前的显微组织，7b二次挤压成为16棒材，7c为二次挤压成为16管材；图8为ZME210镁合金的不同制品二次挤压变形对的显微组织，其中8a为方坯二次挤压前的显^f鼓组织，8b为二次挤压成为16管材。具体实施例方式用表l所述配方，按照镁合金的通常冶炼方法，即可得到本发明所述的用于进行多次变形的含铈的镁-锌-锰系镁合金材料表l本镁合金材料化学组成(以下为质量百分含量)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>下列实施例将各组分含量为(质量百分含量)Zn:2.3%;Mn:0.75%;其余为Mg的镁-锌-锰系镁合金定义为ZM21镁合金，本发明表1中编号为3的镁合金定义为ZME210镁合金。一.取表l中编号为3的含铈的镁-锌-锰系镁合金材料按下列步骤分别进行机械性能实验1.熔炼在半连续铸造设备上进行。用熔剂覆盖后开始加热，温度在将镁合金熔炼炉加热400~500。C时，按表2的材料配比用通常的冶炼方法进行冶炼，待合金完全溶化后，在？0(TC左右搅拌，使合金元素均匀分散到熔体中。再将温度升高到760~780°C静止2O分钟，待合金熔体冷却到690~71(TC浇注成为实心圆铸锭，即得本发明所述镁合金材料铸锭。2.机加工根据挤压机挤压筒的尺寸机加工至合适尺寸。3.均匀化处理36(TC下均匀化退火12小时。4.挤压加工在38G4QQ。C下，挤压机上挤压成棒材或管材，快速冷却。几种常见的典型镁合金挤压参数见表2。表2ZM21、本发明编号为3的材料主要挤压参数<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>5.力学性能测试根据国标GB228-2002的标准，将本发明上述编号3的镁合金材料经过挤压和热处理的加工成标准拉伸试样进行拉伸试验，得出本发明所述镁合金和常规的镁合金的力学性能对比数据(见表3),其中AZ61和AZM是常规的镁合金，常用作进行力学性能的对比。表3本发明所述镁合金和常规的镁合金的力学性能对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>结论本发明所述的镁合金屈服强度比AZ61和AZ31均有所提高，延伸率均比AZ61和AZ31大大高，抗拉强度比AZ31提高，略低于AZ61。因此在镁-锌-锰系镁合金中添加Ce,可以大大提高塑性并保持一定的强度，所得的制品强度中等，塑性好。二.ZM21和ZME210镁合金的差热分析及不同挤压比对组织性能的影响1.ZM21和ZME210镁合金热分析参见图3。从ZM21镁合金的dsc曲线中可以看出，升温过程中，ZMn镁合金在566.rC开始熔化，当温度为635.4。C时，熔化速率最快，到完全熔化后，吸收的热量为232.9J/g;而在冷却曲线中可以看出，ZM214美合金在6".rC开始凝固，542.2。C凝固完全，凝固温度区间为82.9°C,释》文的热量为299.5J/g。参见图4。添加微量的元素Ce后，升温过程中，ZMEnO镁合金在608.2°C开始熔化，到652.6。C熔化的速率最快，到完全熔化后吸收的热量为"I.6/g;在冷却曲线中可以看出，在6".s。c开始凝固，634.rc凝固的速度最快，当到达577.7。C完全凝固，温度区间为56.5°C，在凝固过程中释放的热量为252.8J/g。因此，Ce加入后合金随着温度的升高开始融化的温度提高，前者ZM21为566°C，后者ZME210为608°C。加入稀土元素Ce后，合金热变形过程中当温度升高时，开始出现局部融化的温度更高，有利于本发明所述镁合金选用更高的温度进行挤压，提高合金的热变形塑性。另外，合金热变形过程中当温度升高时，开始出现局部融化的温度更高，还可以使合金避免因挤压温度较高时，坯料和模具温升严重而产生制品组织过烧的现象，有利于提高挤压速率。2.比较ZM21镁合金和ZME210镁合金不同挤压比对组织性能的影响A.ZM21不同挤压比对组织和性能的影响(见图5和表4),图5中5a为方坯入=14;图5b为棒材入=28;图5c为管材入=181,挤压前经过360。Cxl2h均匀化退火，挤压温度400。C,挤压速度为6m/min。表4ZM21不同挤压比的力学性能对比合金(7.2(MPa)exb(MPa)延伸率(％)桥压比方坯15223314.914棒材16024515.128管材12021011.6181因此，随着挤压比的增加，ZM21镁合金的强度是先增加后减少。说明挤压比对增加对再结晶的晶粒细化是有极限的，超过此挤压比极限，当挤压比增大时，晶粒反而粗化，如图5所示。B.ZME210不同挤压比的组织和性能对比(见图6和表5)图6中6a为方坯人-14;6b为棒材A=28;6c为管材入=181,挤压前经过360。Cxl2h均匀化退火,挤压温度400。C,挤压速度为6m/min。表5ZME210合金不同挤压比的力学性能对比(4齐压前经过360。Cxl2h均匀化退火)形状a。.2(MPa)(Jb(MPa)510(%)4齐压比方坯22126317.914棒材25928619.228管材12523114,8181虽然随着挤压比的增加，性能反映的规律和ZM21合金的一样，但是在相同条件下，ZME210合金的强度和塑性均比ZM21优越。结论在镁-锌-锰系镁合金中添加了Ce元素，可以使合金热变形过程中当温度升高时，有利于提高合金的热变形塑性和提高挤压速率。因此，本发明所述镁合金可快速挤压变形，并且ZME210合金的强度和塑性均比ZM21优越。三.ZM21镁合金和ZME210镁合金二次变形对组织和性能的影响A.二次挤压变形对ZM21镁合金的组织和性能的影响(参见图7和表6)表6ZM21二次挤压变形后的力学性能形状a。.2(MPa)ab(MPa)510(%)才齐压比方坯(一次挤压变形)15223314.914棒材(二次挤压变形)16024815.628管材(二次挤压变形)14122512.5181ZM21镁合金二次挤压变形后，以小挤压比能够提高合金的性能，晶粒也可以得到进一步的细化，但是以大挤压比挤压出来的管材，强度和塑性均都下降，晶粒粗化。B.二次挤压变形对ZME210镁合金的组织和性能的影响(见图8和表7)表7ZME210二次挤压变形的力学性能对比形状ct0.2(MPa)cjb(MPa)510(%)挤压比方坯(一次挤压变形)22126317.914管材(二次挤压变形)25130318.5181ZME210镁合金二次挤压变形时，能高提高合金的性能，组织得到了细化，而且在第一次挤压变形过程中残留的未再结晶的组织，可以在第二次挤压变形中被进一步破碎，形成完全再结晶的等轴晶。特别是以大挤压比变形时，组织细化的效果更加明显，大部分晶粒尺寸在5微米左右，强度和塑性均大幅度提高。总结添加Ce元素后的ZME210合金，在相同的条件下，性能均比ZM21合金的优越。本发明所述镁合金可进行快速挤压变形，并且挤压变形后ZME210合的强度和塑性均比ZM21提高，在二次变形中，所得晶粒细小(大部分晶粒尺寸在5微米左右)，ZME210合金的强度和塑性均提高。因此，在镁-锌-锰系镁合金中添加Ce，能够累积多次热变形的细化效果，获得比较细小的等轴晶粒(参见图l)，可以同时提高镁合金强度和塑性。本领域技术人员知道，按照表l取编号为l、2、4、5配方制备的本发明所述的镁合金材料，按上述步骤分别进行实验，其性能与编号为3镁合金材料的性能相近。权利要求1.一种含铈的镁-锌-锰系镁合金，其特征在于所述镁合金由镁、锌、锰和稀土Ce组成，各组份的质量百分比为Zn1.8～4.0％，Mn0.5～1.5％，Ce0.15～0.80％，不可避免杂质≤0.15％；其余为Mg。2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于所述镁合金由镁、锌、锰和稀土Ce组成，各组份的质量百分比为Zn:2.3%;Mn:0.75%;Ce:0.35%;不可避免杂质《0.15%;其余为Mg。全文摘要本发明涉及一种含铈的镁-锌-锰系镁合金，所述镁合金的各组分质量百分比为Zn1.8～4.0％，Mn0.5～1.5％，Ce0.15～0.80％，以及不可避免的杂质≤0.15％，其余为Mg。本发明所述镁合金具有良好的热加工塑性，可快速挤压变形，经过多次热塑性变形后能够获得比较细小的晶粒，可以大大提高塑性并保持强度，在室温拉伸强度为285MPa，延伸率为20％。文档编号C22C23/00GK101270430SQ20081006937公开日2008年9月24日申请日期2008年2月19日优先权日2008年2月19日发明者丁培道,张丁非,建彭,潘复生申请人:重庆大学