一种低成本高速挤压镁合金材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种低成本高速挤压镁合金材料及其制备工艺。

背景技术：

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、导热性和导电性优良、电磁屏蔽性能好、可回收等一系列优点，被誉为“二十一世纪绿色结构材料”。近年来汽车工业的迅猛发展以及人们对汽车节能、安全、环保意识的增强，使镁合金在汽车等交通运输领域越来越受关注。但是由于镁合金是密排六方晶体结构，其塑性加工性能较差，限制了其规模化应用。

挤压变形加工是一种细化材料晶粒和组织的有效热加工方法；挤压变形加工使材料在一次成形过程中承受较大的变形量，挤压加工后不仅消除铸锭中的气孔、疏松和缩孔等缺陷，还改善挤压产品性能，提高材料的强度与塑性，而且挤压产品品种多、规格全，可以获得板材、棒材、型材和管材。然而与铝合金相比，镁合金挤压材生产成本高，严重限制了其商业化生产和应用。生产相同规格的汽车用型材，镁合金挤压的成本甚至比铝合金高3倍之多，这主要是镁合金挤压速度低所致。例如，典型商业镁合金AZ31的挤压出口速度在10-20m/min，是典型铝合金的1/5-1/2，而具有较高强度的商业镁合金AZ61、AZ80和ZK60合金的挤压速度仅为典型铝合金的1/10。所以通过提高挤压速度的手段降低镁合金挤压材的生产成本，对推广变形镁合金的应用，拓展市场尤为重要。

中国专利公开号CN101805866A公开了一种高速挤压的变形镁合金及其制备方法，该专利采用采用出口速度不小于15m/min的挤压工艺生产，但该专利的挤压材含有大量稀土金属元素Ce和Y，导致材料密度较大，成本高。因此，中国专利公开号CN104032195A公开了一种高速挤压含少量稀土元素的变形镁合金，其化学成分为0.1～0.8wt.％Al，0.1～0.6wt.％Ca，0.1～0.6wt.％Mn，0.05～0.4wt. ％La，其余为Mg。该专利采用出口最高速度不小于20m/min的快速挤压工艺生产，但是该专利中的挤压材仍含有少量稀土元素La。

综上所述，目前市场上，变形镁合金种类甚少、而且挤压速度低、价格居高、无法在航空航天、汽车、高铁、3C产品等领域获得广泛应用。因此，迫切需要开发高挤压速度、且不含稀土元素及贵金属元素的低成本镁合金挤压材及其加工制备工艺，降低变形镁合金挤压材的生产成本，对推广变形镁合金商业化应用具有重要意义。

技术实现要素：

针对目前商业镁合金，如Mg-Al-Zn系及Mg-Zn-Zr系挤压材的挤压速度低、成本高的问题，本发明的目的在于提供一种低成本高速挤压镁合金材料及其制备工艺，该镁合金材料中不含稀土元素及其它贵金属元素，镁合金挤压材采用出口不小于24m/min的速度挤压工艺生产，所得挤压材表面光滑、无表面裂纹，同时挤压材具有弱的非基面织构，其最大极密度值≤4。本发明镁合金挤压材的合金元素的成本低，挤压速度高，大大降低了挤压材的成本，对推动变形镁合金在航空航天、汽车、高铁、3C产品等领域的应用有积极意义。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种低成本高速挤压镁合金材料，该镁合金材料为Mg-Zn-Ca-Mn系合金，以重量百分比计，其化学成分为：Zn 0.1～0.9％，Ca 0.1～0.5％，Mn 0～0.5％，其余为Mg以及不可避免的杂质；该镁合金材料中，合金元素Zn、Ca和Mn元素的总含量≤1.5wt.％。

采取挤压出口速度不小于24m/min的高速挤压工艺制备镁合金挤压材。该镁合金挤压材的织构为弱的非基面织构，最大极密度值≤4；挤压材表面光滑，无表面裂纹。

所述高速挤压镁合金材料采用热挤压工艺制备，其工艺具体包括如下步骤：

1)以纯Mg锭、纯Zn锭、纯Mn锭(或Mg-Mn中间合金)以及纯Ca(或Mg-Ca中间合金)为原料，按所需镁合金挤压材成分进行配料；

2)将合金原料放入熔炼炉的坩埚中熔化，制备成合金铸锭；

3)将制备的合金铸锭切割加工成挤压坯料；

4)将挤压坯料加热到挤压变形温度250～500℃；

5)采用热挤压工艺加工成所需挤压材，挤压出口速度为24～100m/min，挤压比为5～80。

上述步骤2)中，采用金属模、砂型重力铸造或半连续铸造方法生产合金铸锭。

上述步骤3)中，铸锭切割加工前经均匀化处理，均匀化处理工艺为：首先在350～400℃条件下保温1～24h，然后升温至420～480℃保温1～24h。

本发明低成本高速挤压镁合金挤压材的设计原理如下：

与铝合金相比，挤压速度低是导致镁合金挤压材生产成本高，难以商业化推广的主要原因。商业镁合金，如Mg-Al-Zn系及Mg-Zn-Zr系合金，不能实现高速挤压，主要是因为高速挤压过程中升高的温度超出材料本身的固相线温度，导致材料过热或熔化，最终挤压材产生表面裂纹。降低合金元素含量，尤其是减少能降低合金固相线温度的元素含量是提高镁合金挤压速度的有效方法。因此，合金元素的选择及含量的控制对镁合金材料本身成本、热挤压性能及挤压材的组织、织构及性能起着决定性作用。

镁合金中常用的合金化元素有Al、Zn、Ca、Mn、稀土元素等。为控制镁合金的成本(合金材料、冶炼成本等)，应避免添加稀土元素及其它贵金属元素。然而，微量稀土元素的添加能产生明显的织构弱化效果，例如，经轧制和挤压变形后的含稀土镁合金形成非基面织构。特别是，挤压织构与典型的基面纤维织构不同，形成平行于挤压方向的<11-21>非基面织构组分，这种织构被称为“稀土”织构。这种具有非基面织构的镁合金在沿着挤压方向受力时，其非基面织构就有利于启动大量的(0001)<11-20>基面滑移位错和{10-12}<10-1-1>拉伸孪生，从而显著提高其室温塑性，同时改善拉压屈服不对称性。目前，稀土元素对镁合金织构弱化的机理研究尚不十分清楚。人们普遍认为，由于稀土原子与Mg原子具有较大的原子半径差，容易在晶界偏析，阻碍位错和晶界迁移能力，从而影响再结晶过程中晶粒取向的变化，但尚无直接的证据去证明这一解释。

与稀土元素类似，Ca元素的原子半径也比镁的大，因此猜想镁合金中加入Ca元素也可能同样能起到弱化织构的效果。但是，我们的研究发现在Mg-Zn合金中加入Ca元素后，在低速挤压加工后，由于形成未完全再结晶组织，保留了大量具有强基面织构的变形组织，从而形成强烈的基面织构。我们设想，在Mg-Zn-Ca合金中，若采取高速挤压工艺生产，由于挤压过程中形成的温度和应 变场的作用，可能改变Ca固溶原子与位错、晶界等缺陷的交互作用或者会发生不同的变形机制(如二次孪生及剪切带等)，从而影响挤压的再结晶过程，最终可能导致挤压材织构的变化，甚至获得弱的非基面织构。

另一方面，Zn和Ca元素的加入会在挤压过程中动态析出细小弥散的第二相。根据Zn/Ca比例，会析出Ca₂Mg₆Zn₃、Mg₂Ca及不同的MgZn相等，这些析出相具有较高的熔点，可避免挤压过程中因温度上升而发生熔化开裂，保证可以实施高速挤压。而且这些析出相尺寸细小，在晶内和晶界均匀析出，不会损害挤压材室温塑性，同时晶界上的析出相可以钉扎晶界，有效阻碍挤压过程中晶粒的长大。此外，Mn是用来控制镁合金中铁含量，改善抗腐蚀性能的重要合金化元素，本发明中Mn元素可以有效细化挤压变形后的晶粒尺寸、促进挤压变形过程中细小第二相的析出。

综上，本发明选择价格便宜、成本低的常用合金元素Zn、Ca及Mn，且采用低合金化，添加量少，合金的Zn、Ca及Mn的含量均不超过1wt.％。低合金化是为了保证可以实施高速挤压变形，从而降低镁合金挤压材的生产成本，同时可以降低挤压变形过程中施加的载荷，减少对挤压设备的损耗、节省设备的维护成本。另一方面，挤压材要获得优良的成形性能，应获得弱的非基面织构，且避免粗大脆性相形成，或者尽可能减少这些相的数量。因此，本发明Zn、Ca、Mn含量设计范围分别为：Zn 0.1～0.9wt.％，Ca 0.1～0.5wt.％，Mn 0～0.5wt.％，而且合金元素总含量不超过1.5wt.％。

本发明具有如下优点：

1、本发明的镁合金中不含稀土元素及其它昂贵金属、且合金元素含量少，合金元素总含量最大不超过1.5wt.％，合金密度小、成本低；

2、本发明镁合金挤压材采用的挤压出口速度不小于24m/min，挤压生产效率高，降低了挤压产品成本，且挤压材表面光滑、无任何表面裂纹缺陷，保障了挤压材成品率；

3、本发明高速挤压变形后的镁合金为弱的非基面织构，有利于改善挤压材室温塑性、拉压屈服不对称性，提高其后续的塑性成形性能。

附图说明

图1为镁合金高速挤压加工后的宏观形貌照片。

图2为镁合金挤压加工后的挤压方向反极图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。需强调的是，以下实施例仅用于说明本发明，而并不是对本发明的限定。

实施例1

1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Ca-Mn经常规的镁合金熔炼浇注为80mm×180mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：0.21％，Ca：0.30％，Mn：0.14％，镁含量为平衡余量；

2)将铸锭在400℃保温10h，随之升温至450℃保温10h的均匀化处理，然后将均匀化处理的铸锭切割成相应的挤压坯料；

3)将挤压模具加热到挤压变形温度400℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内加热8min，挤压坯料达到变形温度400℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为60m/min，挤压比为20；

4)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹，见图1；挤压材织构为弱的非基面织构，非基面织构组分处于<2-1-12>和<2-1-11>取向之间，其最大极密度值为1.8，见图2。

实施例2

1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Ca-Mn经常规的镁合金熔炼浇注为80mm×180mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：0.43％，Ca：0.14％，Mn：0.28％，镁含量为平衡余量；

2)将铸锭在380℃保温6h，随之升温至440℃保温4h的均匀化处理，然后将均匀化处理的铸锭切割成相应的挤压坯料；

3)先将挤压模具加热到挤压变形温度300℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内加热5min，挤压坯料达到变形温度300℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为60m/min，挤压比为20；

4)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹，见图1；挤压材织构为弱的非基面织构非基面织构，非基面织构组分处于<2-1-14>和<2-1-12>取向之间，其最大极密 度值为2.3，见图2。

实施例3

1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Ca-Mn经常规的镁合金熔炼浇注为80mm×180mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：0.53％，Ca：0.24％，Mn：0.27％，镁含量为平衡余量；

2)将铸锭在400℃保温12h，随之升温至450℃保温12h的均匀化处理，然后将均匀化处理的铸锭切割成相应的挤压坯料；

3)先将挤压模具加热到挤压变形温度300℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内加热5min，挤压坯料达到变形温度300℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为24m/min，挤压比为20；

4)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹，见图1；挤压材织构为弱的非基面织构，非基面织构组分处于<2-1-14>和<2-1-12>取向之间，其最大极密度值为2.3，见图2。

实施例4

1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Ca-Mn经常规的镁合金熔炼浇注为80mm×180mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：0.71％，Ca：0.36％，Mn：0.07％，镁含量为平衡余量；

2)将铸锭在400℃保温12h，随之升温至450℃保温12h的均匀化处理，然后将均匀化处理的铸锭切割成相应的挤压坯料；

3)先将挤压模具加热到挤压变形温度300℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内加热5min，挤压坯料达到变形温度300℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为24m/min，挤压比为20；

4)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹；挤压材织构为弱的非基面织构，非基面织构组分处于<2-1-14>和<2-1-12>取向之间，其最大极密度值为2.1，见图2。

对比例1

设计实验镁合金成分和铸造方法、坯料准备工艺与实施例1相同；

1)先将挤压模具加热到挤压变形温度300℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内 加热5min，挤压坯料达到变形温度300℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为1.2m/min，挤压比为20；

4)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹；挤压材织构为典型的强基面织构，其基面组分平行于<10-10>取向，其最大极密度值为14，见图2。

对比例2

设计实验镁合金成分和铸造方法、坯料准备工艺与实施例4相同；

1)先将挤压模具加热到挤压变形温度300℃，然后将挤压坯料放入挤压筒内加热5min，挤压坯料达到变形温度300℃后高速挤压加工成棒材，挤压出口速度为1.2m/min，挤压比为20；

2)挤压材表面光滑，无任何表面裂纹；挤压材织构为典型的强基面织构，其基面组分平行于<10-10>取向，其最大极密度值为19，见图2。

表1