专利名称：一种高加工硬化镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种高加工硬化镁合金及其制备方法。
技术背景
镁是所有结构金属中密度最低的金属，镁合金具有一系列的优点，比如低密度、高的比强度和比刚度、优良的机械加工性能和铸造性、良好的阻尼减震性、高的热导率、高的尺寸稳定性、优良的电磁屏蔽性能以及可回收利用等。在航空、航天、汽车等领域选材中备受青睐。此外，镁合金在照相机、数码产品、数字音响等产品上都有较好的应用前景。然而， 由于镁的晶体为密排六方结构，滑移系少，塑性差；此外，镁合金的强韧性低，加工硬化能力差，成型性能差；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。通常认为，镁合金的加工硬化能力越强，塑性成型能力越好。因而， 探索和开发新型高加工硬化镁合金是该领域的研究热点之一。
铸造镁合金能够成型复杂形状，在生产中备受青睐，但铸造镁合金的缺点是塑性较差，如AZ91系列合金。专利2009100674 . 7给出了一种获得高塑型镁合金的方法，其中有铝的加入。在本发明中，为了得到较好的加工硬化能力，在镁中加入锡和锌，以降低镁的层错能，获得较好的加工硬化能力和成型能力。发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的高加工硬化镁合金及其制备方法，该合金既适用于铸造工况直接使用；又适合于变形工况，如轧制板材、挤压管材、挤压型材等。
本发明的技术方案是先熔化镁，然后加入锡和锌，再按顺序加入添加元素，经过搅拌、精炼处理后将熔体直接铸轧成板材；或将熔体直接浇注成铸锭；或先浇注成铸锭，然后热挤压成管材、型材或板材。
具体步骤包括
—种高加工硬化镁合金，其化学成分包括锡、锌，其余为镁和不可避免的杂质，该镁合金的化学成分质量百分比为锡2. 3-4. 5，锌0. 1-3. 85。
所述锡和锌的化学成分质量百分比优选为锡2. 6-3. 5，锌0. 3-2. 2。
该镁合金的化学成分还包括添加元素，添加元素含量质量百分比为硅 0. 01-2. 0、锑 0. 01-3. 0、碲 0. 01-3. 0、锶 0. 01-1. 5、锰 0. 01-2. 0、稀土元素总含量的质量百分比为0. 01-3. 0，添加元素取其中的一种或几种。
所述稀土元素为钕、镧、钇、铈中的一种或几种。
上述的高加工硬化镁合金的制备方法，包括以下步骤
a)按照所述镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化， 然后加入经过50-180°C预热的纯锡和纯锌；
b)若镁合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、锑和碲元素，搅拌3均勻后再加入锶、锰和稀土元素；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式弓I入，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
c)经吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
本发明所述技术方案与目前现有技术相比具有以下特点
本发明合金既适用于铸造工况，又适合于变形工况，如轧制板材、挤压管材、挤压型材等；并且，制备工艺简单，易于推广应用。
1)本发明合金不含铝元素，可以作为生物医用合金；
2)本发明成分范围的锡、锌可以较大量固溶于镁的晶格中，降低镁的层错能；尤其是时Sn和Si同时作用，降低镁层错能效果更加显著，并且提高镁的加工硬化能力；此外， Sn和Si同时加入，能够增加镁的基面和锥面上位错滑移能力，提高镁合金的塑性；加入的 Zn还能够促进Sn的固溶以及改变析出相Mg2Sn与基体的取向，从而提高合金的加工硬化能力和成型能力；
3)添加元素硅、锑、碲、锶、锰用来提高本发明含锡、锌镁合金的强度；同时，锑、 碲、锶、锰还能够去除本合金中的部分杂质；碲可以增加本发明含锡、锌镁合金的成分过冷， 促进形核；同时，上述添加元素还可以改善本发明中析出的含Sn或者含的Si第二相与基体的关系，从而提高强韧性、加工硬化能力和成型能力。
4)添加稀土元素钕、镧、钇、铈可以提高改变本发明合金的层错能，并且提高合金的加工硬化能力、成型能力，以及改善本发明含锡、锌镁合金中析出的含Sn或者含Si的第二相的形态、尺寸、分布及其与基体的关系。
5)本发明镁合金具有较高的强韧性、加工硬化能力和塑性成型能力，优化后的合金成分抗拉强度σ b彡180MPa、延伸率δ彡18%、加工硬化能力Hc彡2. 69、加工硬化指数 η ^ 0. 498 ；单道次轧制压下量可达50% ；多次轧制变形率> 80%。
图(a)为本发明中的镁锡锌合金的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶比较粗大。
图(b)为本发明中的镁锡锌加钇元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了一定的细化。
图(c)为本发明中镁锡锌加锰元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了一定的细化。
图(d)为本发明中镁锡锌加锑元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了更大程度的细化。
具体实施方式
实施例一
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡2. 9%、锌1. 1%，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120°C预热的纯锡和纯锌；
(3)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；其中，铸造Mg-2. 9Sn-l. IZn的抗拉强度σ b彡165MPa、延伸率δ ^ 19%, 加工硬化能力Hc ^ 3. 69、加工硬化指数η ^ 0. 574。
实施例二
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡4.0%、锌3.5%，添加元素硅0.5%、锑 1.0%、碲1.0%、锶0.03%、锰0.5%，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过75-135°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入添加元素先加入硅、锑和碲元素，搅拌均勻后再加入锶、锰；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材。
实施例三
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3.5%、锌2.5%，添加元素硅0. 1%、锑 0. 5%、碲0. 5%、锶0. 15%、锰0. 2%，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过140-170°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入添加元素先加入硅、锑和碲元素，搅拌均勻后再加入锶、锰；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材。
实施例四
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3.0%、锌1.0%，添加元素分别为硅 0. 3%、锑0. 3%、碲0. 3%、锶0. 3%、锰0. 3%中的一种，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过60-140°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入添加元素分别单独加入硅、锑、碲、锶、锰中的任一种；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材；其中，Mg-3Sn-lZn-0. 3Sb的抗拉强度彡185MPa、延伸率彡19%、加工硬化能力 Hc彡2. 69、加工硬化指数> 0. 529。
实施例五
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡2.8%、锌0.7%，稀土元素分别为钕 0. 3%、镧0. 2%、钇0. 08%、铈0. 3%中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-155°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
实施例六
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3. 1%、锌0.9%，稀土元素分别为钕 0. 8 %、镧0. 5 %、钇0. 3 %、铈1. 0 %中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-iai-0. 3Y的抗拉强度σ b彡180MPa、延伸率δ彡1加工硬化能力Hc ^ 4. 20、加工硬化指数η ^ 0. 600。
实施例七
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3.8%、锌0.4%，稀土元素分别为钕 1.5%、镧0. 1^42 0.8^^-0. 中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
实施例八
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡2. 65%、锌1.35%，添加元素锰1.58%， 锶1.0%，钇0.85%，铈0. 55%，其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-130°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入添加元素按照锶、锰和稀土元素顺序加入；其中，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为 10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
实施例九
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3. 3%、锌1. 2% ；添加元素硅0. 7%、锑 2. 0%、碲 1. ；35%、锶 1. 2%、锰 0. 75% ；稀土元素为钕 0. 05 %、镧 0. 05 %、钇 0. 03 %、铈 0. 08%中的一种或几种；其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-160°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入添加元素先加入硅、锑和碲元素，搅拌均勻后再加入锶、锰和稀土元素； 其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
实施例十
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3.2%、锌1.1% ；添加元素为锰0.3% ；其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过70-160°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入锰元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-iai-0. 3Mn的抗拉强度σ b彡185MPa、延伸率δ ^ 25%, 加工硬化能力Hc ^ 4. 00、加工硬化指数η ^ 0. 498。
实施例i^一
(1)按照镁合金成分含量进行备料锡3.5%、锌1.1% ；添加元素为锑0.3% ；其余为镁和不可避免的杂质；
(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过70-150°C预热的纯锡和纯锌；
(3)加入锑元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；
(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-iai-0. 3 的抗拉强度σ b彡185MPa、延伸率δ ^ 19%, 加工硬化能力Hc ^ 2. 69、加工硬化指数η ^ 0. 529。
权利要求
1.一种高加工硬化镁合金，其化学成分包括锡、锌，其余为镁和不可避免的杂质，其特征在于，该镁合金的化学成分质量百分比为锡2. 3-4. 5，锌0. 1-3. 85。
2.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述锡和锌的化学成分质量百分比优选为锡2. 6-3. 5，锌0. 3-2. 2。
3.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，该镁合金的化学成分还包括添加元素，所述添加元素含量质量百分比为硅0. 01-2. 0、锑0. 01-3. 0、碲 0. 01-3. 0、锶0. 01-1. 5、锰0. 01-2. 0、稀土元素总含量的质量百分比为0. 01-3. 0，添加元素取其中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述稀土元素为钕、 镧、钇、铈中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为锡2. 9 %、锌1. 1 %，其余为镁和不可避免的杂质。
6.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为锡4.0%、锌3. 5%，添加元素硅0. 5%、锑1.0%、碲1.0%、锶0. 03%、锰 0.5%，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3.5%、锌2.5%，添加元素硅0. 1%、锑0. 5%、 碲0. 5 %、锶0. 15 %、锰0. 2 %，其余为镁和不可避免的杂质。
7.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为锡3.0%、锌1.0%，添加元素分别为硅0.3%、锑0.3%、碲0.3%、锶0.3%、锰0. 3%中的一种，其余为镁和不可避免的杂质；或锡2. 8%、锌0. 7 %，稀土元素分别为钕0. 3%、镧0. 2%、钇0. 08%、铈0. 3%中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质。
8.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为锡3. 1%、锌0.9%，稀土元素分别为钕0.8%、镧0.5%、钇0.3%、铈1.0 %中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3. 8 %、锌0. 4 %，稀土元素分别为钕1.5%、镧0. 1^42 0.8^^-0. 中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质。
9.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为锡2. 65%、锌1.；35%，添加元素锰1.58%，锶1.0%，钇0. 85%，铈 0. 55%，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3. 30%、锌1. 2%;添加元素硅0. 7%、锑2.0%、 碲 1. ；35%、锶 1. 2%、锰0. 75% ；稀土元素为钕 0. 05%、镧 0. 05%、钇 0. 03%、铈0. 08%。
10.一种高加工硬化镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤a)按照权利要求1至9中任一项所述镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过50-180°C预热的纯锡和纯锌；b)若镁合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、锑和碲元素，搅拌均勻后再加入锶、锰和稀土元素；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15 ；c)经吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。
全文摘要
本发明涉及一种高加工硬化镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。该合金的化学成分质量百分比为锡2.3-4.5，锌0.1-3.85，其余为镁和不可避免的杂质；该镁合金还可以含有添加元素中的一种或几种；其质量百分比为硅0.01-2.0、锑0.01-3.0、碲0.01-3.0、锶0.01-1.5、锰0.01-2.0、稀土元素0.01-3.0；其中稀土元素为钕、镧、钇、铈。制备步骤先熔化镁，然后加入锡和锌，再加入添加元素和稀土元素；经过吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再热挤压成管材、型材或板材。该合金具有高加工硬化能力，塑性成型性好，制备工艺简单、可靠，易于推广应用等优点。
文档编号C22C1/02GK102517480SQ20121000385
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月8日 优先权日2012年1月8日
发明者南小龙, 姜启川, 欧阳子腾, 王慧远, 王珵, 王艳鹏, 王金国, 罗丹, 陈磊 申请人:吉林大学