专利名称：镁锌锆钇镁合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金材料，特别涉及一种同时具备中等强度和优良塑性的镁锌锆钇镁合金。
背景技术：
镁合金的晶体结构属密排六方晶格，其塑性变形能力不及铝和钢，增加了镁合金塑性加工的难度和生产制备成本，为此近年的新型镁合金开发研究中，已经开始重视通过变形镁合金中合金相设计和采用新变形工艺等方式，在保证一定强度的同时更注重提高镁合金的塑性加工能力。
镁锌锆系镁合金通常被用作高强度的变形镁合金，在航空、航天、兵器和民用轿车领域等应用非常广泛，为提高镁锌锆系镁合金材料的耐热性和强韧性，科研工作者开展了大量研究工作，例如Kun Yu等人在《Scripta Materialia》2003年第48卷报道了一种新型的镁锌锆系镁合金Mg-2.8％Ce-0.7％Zn-0.7％Zr(wt.％)，该合金在25℃具备257.8Mpa的抗拉强度和12％的延伸率；再例如，申请日为2009年7月8日、专利公开号为CN101603138A的我国专利《一种含准晶增强相的高阻尼镁合金及其制备方法》公开了一种添加稀土元素钇的镁锌锆系镁合金Mg-0.2％Y-0.1％Zn-0.6％Zr(wt.％，实施例中的较优配比)，其在室温下具备179Mpa的抗拉强度和7.2％的延伸率；再例如，申请日为2007年5月30日、专利公开号为CN101314829A的我国专利《有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及制备方法》公开了一种准晶相强化的Mg-Zn-Y-Zr镁合金及其制备方法，解决了镁合金强化等问题，抗拉强度为290-360MPa，屈服强度为175-260MPa，延伸率为10-18％；另外，申请日为2004年11月11日、授权公告号CN 1297676C的我国专利《一种含稀土钇的高塑性镁合金》公开了一种含稀土钇的高塑性镁合金，各组分质量百分含量为Zn5.0-8.5％，Zr0.6-0.8％，Y0.7-2.0％，抗拉强度为322-337MPa，屈服强度为263-267MPa，延伸率为18-21％。从性能测试结果来看，上述研究结果在一定程度上都是针对高强度的镁锌锆系镁合金进行研究，其塑性性能依然有限，难以满足实际应用环节对变形镁合金制品室温塑性的需求。例如，在自行车和摩托车等行业中需要对镁合金管材的端部进行缩径，若合金的室温延伸率能超过23％，则通常可以保证缩径变形在室温下进行而不发生破裂。传统镁合金的缩径变形必须将加热到200℃以上进行，而使用室温延伸率能超过23％的优良塑性镁合金则可以减少加热环节，降低生产成本。
发明内容
针对现有镁锌锆系镁合金难以满足实际应用环节对变形镁合金制品室温塑性的需求，本发明的目的是提供一种具备中等强度，且室温拉伸塑性优良，能满足挤压制品在室温下后续成形的镁锌锆钇镁合金，通过适宜的锌、锆、钇元素的含量及锌-钇含量配比的设计，配以合理的的挤压前热处理工艺、挤压变形工艺，使得本发明镁合金在满足大多数应用需要的中等强度的同时，具有优良的室温拉伸塑性。
本发明的目的是这样实现的镁锌锆钇镁合金，其特征在于合金中各组分的重量百分比为，锌2.0～4.0％，锆0.2～0.5％，钇0.9～5.8％，余量为镁和杂质。
作为进一步优选方案，合金中锌和钇的重量比优选为1∶0.9～2.8。
作为进一步优选方案，所述各组分的重量百分比为，锌2.1％，锆0.3％，钇3.7～5.8％，余量为镁和杂质。
进一步，所述杂质包括硅、镍、铜和铁，杂质在合金中的重量百分比不大于0.15％。
相对于现有技术，本发明具有下述优点 1、随着锌含量的增加，镁锌锆系镁合金抗拉强度和屈服强度会有所提高，但是延伸率会下降，导致镁合金的铸造性能、工艺塑性和焊接性能恶化，因此严格控制镁锌锆系镁合金中的锌含量，使其同时具备中等强度和优良塑性。
2、钇属于表面活性元素，能够降低熔体固液界面张力，使晶粒的形核功下降、临界形核半径减小、形核容易，从而使铸态组织得到细化，在镁锌锆系镁合金中添加适量的钇，能够加快形核速率，使得枝晶间距减小，晶粒得到大幅细化，改善了镁锌锆系镁合金在铸态下的综合力学性能。
3、在镁锌锆系镁合金中添加适量的钇，生成高熔点第二相，可以通过选用更高的变形温度进行热挤压，以提高镁锌锆系镁合金的热变形塑性、减小挤压变形抗力，从而提高挤压速率。
4、适宜的锌-钇比例，使得镁锌锆系镁合金的塑性得以较大幅度的提高。
5、本发明采用的镁合金制备方法具有工艺简单、操作简易的优点。
图1为本发明实施例1中各编号镁合金的铸态组织的显微照片； 图2为添加不同含量钇的Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金铸态DSC曲线图； 图3为本发明实施例1中各编号镁合金的挤压变形组织的显微照片。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
实施例1 本实施例以Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金为例，其中各组分的重量百分比为，锌2.1％，锆0.3％，杂质≤0.15％，杂质为硅、镍、铜、铁等不可避免的掺杂物，其余为镁。另提供四组钇元素含量不同的Mg-2.1Zn-0.3Zr-Y镁合金，以说明锌、钇的含量及比例对镁锌锆系镁合金综合性能的影响。
一、各组分的百分重量比及制备方法 为表述简便，对本实施例中不同配比的镁合金材料进行编号将Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金编为0#，其余四组镁锌锆钇镁合金分别编号为1#、2#、3#、和4#，各编号镁锌锆系镁合金的具体组分及其百分重量比参见表1。
表1各编号镁合金组分(％，重量百分比)
本发明采用的镁合金制备方法工艺简单、操作简易。制备镁锌锆钇镁合金的具体步骤是 1)熔炼通过半连续铸造系统进行镁合金制备，在电阻炉中精炼，5号熔剂作为精炼剂和覆盖剂，由水冷半连续铸造系统浇铸成铸锭。电阻炉中镁锭全部融化后于720℃～730℃扒渣，在干净液面补加5号熔剂；然后加入锌，搅拌3～5分钟，并加熔剂覆盖，升温至760℃，再次进行扒渣和搅拌，加入镁锆和镁钇中间合金；用5号熔剂精炼并静置20min，待降温到710～730℃，浇注成实心圆铸锭，熔炼和浇注过程中用CO2和SF6混合气体进行保护；最后，通过向Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金中逐次增加镁钇中间合金，获取本实施例中以Mg-2.1Zn-0.3Zr为基体的各编号的镁合金铸锭。
2)机加工根据挤压机挤压筒尺寸把挤压坯料加工至合适尺寸。
3)均匀化处理420℃下均匀化退火12小时。
4)热挤压在480℃挤压温度下，在挤压机上挤压成棒材，挤压比为28，并把挤压制品快速冷却。
二、力学性能测试 下面根据国标GB228-2002的标准，对本实施例各编号镁合金材料经过挤压前热处理和挤压变形后加工成标准拉伸试样进行室温拉伸试验。
1)添加钇元素对镁锌锆系镁合金铸态组织和力学性能的影响 参见图1，图中展示了添加不同含量钇的Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金铸态组织的显微照片，其中，图1a为0#镁合金的铸态组织，图1b为1#镁合金的铸态组织，图1c为2#镁合金的铸态组织，图1d为3#镁合金的铸态组织，图1e为4#镁合金的铸态组织。由图1能够看到，与0#镁合金Mg-2.0Zn-0.3Zr相比，添加钇元素之后的1#、2#、3#和4#镁合金的铸态组织细化非常明显；对比图1b、图1c和图1d可见，随着钇含量的增加，镁合金枝晶臂间距减小，晶间化合物均呈连续细网状，还有少量粒状化合物在基体上出现；进一步与图1e进行对比，当钇的含量进一步4#镁合金的5.8％时，更多钇在晶界处偏聚使晶界粗化，减弱了凝固过程的成分过冷程度，细化效果减弱，基体上的粒状化合物消失，晶间化合物呈不连续的断网状且网的线条变粗。
对0#～4#的镁合金的铸态组织进行合金物相分析，并分别进行力学性能试验，考察其在室温下的抗拉强度(Mpa)、屈服强度(Mpa)和延伸率(δ5％)，如表2所示 表2实施例1中各编号镁合金铸态组织的物相及力学性能
由表2可见，1#镁合金钇元素添加量为0.9％，相对于未添加钇的0#镁合金其抗拉强度有少量提高，屈服强度和延伸率有明显改善；随着钇含量增加到1.9％，2#镁合金的抗拉强度和屈服强度继续得到提高，而延伸率却有所下降；当钇含量达到3.7％时，3#镁合金的抗拉强度和屈服强度进一步增加，达到几种镁合金中的最大值，延伸率也有所回升，其综合力学性能达到较为理想的状态；当钇含量增加到5.8％时，4#镁合金的强度和塑性均降低。当钇添加量为3.7％时，镁合金的综合力学性能达到几种镁合金中的最佳，铸态合金具有较优的塑性以及中等强度，此时镁锌锆系镁合金中锌-钇比例约为1∶1.76。
综合分析上述各组铸态镁合金的物相及力学性能测试结果，镁锌锆系镁合金中添加元素钇后，导致过冷度增加，增加到一定程度后，在固液界面交接处会产生颈缩、熔断，出现部分第二相球化细化的特征。在钇含量不超过1.9％之前，如1#和2#镁合金，w-相在晶界出现的同时，也以颗粒状存在于晶粒内，基体上分布的粒状w-相可增加位错运动阻力，提高合金强度。2#镁合金比1#镁合金细化更明显，且有更多的w-相，因而强度更高。ZK系合金中锌和钇的比例决定了含钇相是以w-相还是其他形式存在，对相同的钇添加量而言高Zn含量利于w-相的产生。由于w-相对合金塑性的影响，虽然2#镁合金组织比1#镁合金晶粒更细，但塑性却更差，过多的w-相对塑性不利，因为w-相为立方结构，与α-Mg基体相的密排六方结构存在不一致性，两者的原子晶界很弱，随着a-Mg基体相中w-相体积分数的增加，合金的塑性将会明显降低。当钇含量从1.9％增加到3.7％时，塑性升高，其原因在于原2#镁合金中以w-相为主体的呈连续细网状晶间化合物，转变为3#镁合金中以x-相为主体的不连续粗宽网状，由于w-相减少和晶间连续网状化合物变为断续状，均对塑性有利，所以3#镁合金的延伸率相对于2#镁合金更高。当钇增加至5.8％，4#镁合金的晶间化合物保持粗宽的不连续网状，x-相的比例继续增加，由于x-相为18R长程调制结构，尺寸粗大，其阻碍位错运动和晶界滑移的作用不明显，所以其屈服强度保持原水平；而由于x-相的片层结构对基体有割裂作用，裂纹易从x-相与基体的界面处萌生，x-相的增加导致4#镁合金抗拉强度和延伸率都有所下降。在3#镁合金中存在大量Mg3Y2Zn3和Mg12YZn相，该相在热挤压过程中可提供更多可形核位置，提高形核率；同时，第二相颗粒对再结晶后新晶粒晶界的阻碍作用，限制了晶粒在高温下的长大，最终使得含钇合金的组织极大地细化，使合金的强度和塑性同时得到提高。
对于实施例中2.1％Zn含量的镁锌锆系镁合金而言，为得到更好的塑性，需兼顾钇的细化效果和不影响塑性的w-相体积比例两方面，合适的钇添加量在1.9％～5.8％之间；作为最优配比，铸态的Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金中钇的添加量为3.7％，此时其在室温下抗拉强度为232Mpa，屈服强度为124MPa，延伸率可达到23.5％，相比于未添加钇元素的0#镁合金其延伸率提高了约65.5％。
2)添加钇元素对镁锌锆系镁合金差热性能的影响 参见图2，图中为添加不同含量钇的Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金铸态DSC(DifferentialScanning Calorimetry，差示扫描量热法)曲线图。从图中能够看到，添加钇元素之后合金的第二相熔点变高；添加钇元素含量的不同，第二相的种类也不同。随着钇含量的增加，镁合金产生的第二相的熔点也越来越高，第二相的熔点温度区间在527℃～547℃之间，这一温度高于常规Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金50℃～80℃。镁合金热变形过程中，第二相的熔点的升高有利于镁合金选用更高的温度进行挤压，以提高镁合金的热变形塑性；另外，镁合金热变形过程中当温度升高时，开始出现局部熔化的温度更高，还可以使镁合金避免因挤压温度较高时坯料和模具温升严重而产生的制品组织过烧现象，有利于提高挤压速率，提高生产效率。
3)添加钇元素对镁锌锆系镁合金挤压变形和拉伸力学性能的影响 0#～4#的镁合金经过420℃和12小时的均匀化热处理和热挤压后的镁合金挤压变形组织得到进一步的大幅细化，其挤压变形组织的显微照片如图3所示；其中，图3a为0#镁合金的挤压变形组织，图3b为1#镁合金的挤压变形组织，图3c为2#镁合金的挤压变形组织，图3d为3#镁合金的挤压变形组织，图3e为4#镁合金的挤压变形组织。相比之下，添加钇元素的镁合金晶粒细化更加明显，其平均晶粒尺寸(μm)如表3所示 表3实施例1中各编号镁合金挤压变形态平均晶粒尺寸
经过挤压前热处理和挤压变形后，各编号镁合金的强度和延伸率再次得到提高，如表4所示 表4实施例1中各编号镁合金挤压态的室温拉伸力学性能
由表4可知，随着钇含量的增加，挤压组织的晶粒得到进一步细化，镁合金的延伸率得到大幅提高，抗拉强度也得到提高。对于实施例中2.1％Zn含量的镁锌锆系镁合金而言，从拉伸力学性能中多方面因素兼顾考虑，钇添加量在1.9％～5.8％之间，镁合金的室温拉伸延伸率均达到23％以上，保证了镁合金具备优良的加工塑性；作为最优配比，挤压态的Mg-2.1Zn-0.3Zr镁合金中钇的添加量为5.8％，其延伸率最大可以达到27.98％，相比于未添加钇元素的0#镁合金提高了约82.3％。
在铸态的3#镁合金中，含有少量的w-相，可以起到弥散强化作用，在热挤压过程中可提供更多可形核位置，提高形核率；同时，第二相颗粒对再结晶后新晶粒晶界的阻碍作用，限制了晶粒在高温下的长大，最终使得含钇合金的组织极大地细化，使合金的强度和塑性同时得到提高。但是，在热挤压前对镁合金进行了均匀化退火处理，3#镁合金中的w-相消失，主要通过x-相进行合金的改性。经过挤压变形，x-相形态和分布发生变化，变得细小弥散，随着x-相合金含量的增加，合金的强度和塑性都得到提高。由于4#合金中x-相的比例更高，因此经过挤压前均匀化热处理和热挤压后，4#镁合金的力学性能更为突出。
其他实施例 表5为本发明其它实施例中镁锌锆钇镁合金的主要组分百分含量，及其相应的挤压态的室温拉伸力学性能 表5本发明其它实施例
表5列举了本发明的几种镁锌锆钇镁合金的力学性能参数。表中能够看到，各实施例中均保持锌含量在2.0～4.0％之间，确保镁锌锆系镁合金同时具备良好的强度和塑性性能基础；并且均控制锌-钇重量比在1∶0.9～2.8范围内，确保通过金属钇的改性让镁锌锆系镁合金的室温加工塑性达到23％以上，使得镁锌锆系镁合金同时具备中等强度和优良塑性。对镁锌锆系镁合金而言，通过控制锌元素的含量并添加适量的钇元素，以提高合金的强度及塑性，其锌和钇的重量比应优选为1∶0.9～2.8。
本发明提供了一种镁锌锆钇镁合金，各合金元素在镁合金中的功能不同 锌(Zn)增加熔体流动性，弱晶粒细化剂，有形成显微缩松倾向，有沉淀硬化作用； 锆(Zr)有效的晶粒细化剂，改善室温抗拉性能； 钇(Y)有晶粒细化作用，改善高温抗拉及蠕变性能，增强抗腐蚀性。
随着锌含量的增加，镁锌锆系镁合金抗拉强度和屈服强度会有所提高，但是延伸率会下降，导致镁合金的铸造性能、工艺塑性和焊接性能恶化，因此严格控制镁锌锆系镁合金中的锌含量，使其同时具备良好的强度和塑性性能基础。钇属于表面活性元素，能够降低熔体固液界面张力，使晶粒的形核功下降、临界形核半径减小、形核容易，从而使铸态组织得到细化。在参杂钇的镁锌锆系镁合金凝固过程中，钇聚集在固液界面前沿并形成Mg3Y2Zn3和Mg12YZn相，溶质的再分配与偏析导致枝晶生长的固液界面前沿成分过冷区增大，从而加快形核速率，使得枝晶间距减小，晶粒得到大幅细化；钇有助于生成高熔点的第二相，可以通过选用更高的变形温度进行挤压，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；同时，钇属于表面活性元素，能够降低熔体固液界面张力，使晶粒的形核功下降、临界形核半径减小、形核容易，从而使铸态组织得到细化；热挤压变形加工过程中，会发生再结晶，而弥散分布在晶界上的高熔点含钇第二相会阻碍新晶粒的长大，降低了晶粒长大的速率，获得含有细小晶粒的变形挤压制品。本发明通过在镁锌锆系镁合金中添加适宜比例的钇元素，使镁锌锆系镁合金热变形温度提高，有利于提高镁合金的热变形塑性和提高挤压速率，且高熔点的第二相在挤压变形过程中有利于再结晶过程中的晶粒细化，可使得镁锌锆系镁合金同时具备中等强度和优良塑性。
需要说明的是，以上实施例仅以说明本发明技术方案而非限制本发明。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。
权利要求
1.镁锌锆钇镁合金，其特征在于合金中各组分的重量百分比为，锌2.0～4.0％，0.2～0.5％，钇0.9～5.8％，余量为镁和杂质。
2.根据权利要求1所述的镁锌锆钇镁合金，其特征在于合金中锌和钇的重量比优选为1∶0.9～2.8。
3.根据权利要求1所述的镁锌锆钇镁合金，其特征在于所述各组分的重量百分比为，锌2.1％，锆0.3％，钇3.7～5.8％，余量为镁和杂质。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的镁锌锆钇镁合金，其特征在于所述杂质包括硅、镍、铜和铁，杂质在合金中的重量百分比不大于0.15％。
全文摘要
本发明提供了一种镁锌锆钇镁合金，其各组分的重量百分比为，锌2.0～4.0％，锆0.2～0.5％，钇0.9～5.8％，余量为镁和杂质。本发明通过控制镁锌锆系镁合金中锌的含量，并添加适宜比例的钇元素，使合金可选用的热变形温度范围提高，更高的变形温度有利于提高镁合金的热变形塑性和提高挤压速率；同时利用高熔点的含钇第二相在热挤压变形再结晶过程中阻碍晶粒长大的作用，使得合金的晶粒细化，获得中等强度和优良塑性的镁合金。最优配比的镁锌锆钇镁合金，室温抗拉强度为279MPa，屈服强度为184MPa，延伸率可达到28％。
文档编号C22C23/04GK101812620SQ20101016233
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者彭建, 潘复生, 吕滨江, 王敬丰 申请人:重庆大学