一种高塑耐热AZ系镁合金挤压材及其制备方法与流程

本发明属于金属材料技术及冶金技术领域，具体涉及一种高塑耐热AZ系镁合金挤压材及其制备方法。

背景技术：

镁合金是结构轻量化的理想材料，具有密度小、比强高、易回收利用，以及减振性、电磁屏蔽性和机械加工性能优良等优点，在汽车、航空航天、3C、国防等领域的应用拥有广阔的应用前景。目前工业通用镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类，变形镁合金可以通过锻造、挤压、轧制等工艺获得，相较于铸造镁合金，具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的尺寸，应用也更为广泛。但是目前工业上广泛应用的AZ系镁合金存在绝对强度低(特别是高温力学性能低)，塑性成形能力差(特别是二次成形能力差)，以及耐蚀性差等问题，严重制约了镁合金材料的应用领域。其中AZ31变形镁合金的二次成形能力和耐热性亟待改善。例如，挤压态AZ31镁合金的拉伸性能(ASM handbook:Magnesium and Magnesium Alloys)室温下分别为：屈服强度205MPa，抗拉强度275MPa，伸长率12％，屈强比(Rp0.2/Rm)0.745；高温(150℃)下分别为：105MPa，170MPa，39％，和0.618。可见，其屈强比较高，伸长率较低，高温时的屈服和抗拉强度均降低100MPa，分别只有室温的1/2和2/3左右，而且，其强度不能通过热处理工艺来提高。因此，如果通过合金成分的调整，并结合制备工艺的改进，能够改善AZ31镁合金的成形性以及耐热性，将具有重要意义。

AZ系镁合金的耐热性差与合金中存在低熔点Mg₁₇Al₁₂相以及没有耐高温稳定沉淀相有关。在镁合金中稀土元素RE能够优先与Al元素生成热稳定性高的合金相，同时减少低熔点Mg₁₇Al₁₂相的析出，限制位错运动和改善晶界结构状态，从而提高镁合金的室温和高温力学性能，但是，大量添加昂贵的Nd、Y、Gd等稀土元素也会带来镁合金材料成本的显著增加，同样制约了镁合金材料的应用。因此，选择具有较低成本的La、Ce、Pr和Sm等轻稀土元素作为添加剂是目前耐热镁-稀土合金开发的重要方向。在申请号为201410309982.2的专利中，公布了在铝含量为3.5％～4.5％的镁合金中添加2.5％～3.5％的La和1.5％～3.0％的Sm以改善其耐热性的方法，虽然在150℃下抗拉强度可达到150MPa左右，但室温伸长率较低，最高不超过10％。一般来说，降低屈强比(R_p0.2/Rm)和提高伸长率可以提高金属材料的塑性变形能力。

技术实现要素：

本发明提供一种高塑耐热AZ系镁合金挤压材及其制备方法，通过在AZ31镁合金基础上提高Al含量和微量组合添加稀土元素Sm和La，并通过挤压工艺参数的调整，降低镁合金的屈强比，提高镁合金的伸长率和耐热性。

本发明的技术方案如下：

一种高塑耐热AZ系镁合金挤压材，其合金组分的质量百分比为：Al含量为3～4.5％，Zn含量为0.8～1.2％，Mn含量为0.15～0.25％，Sm和La总含量为0.15～0.5％，杂质元素总含量小于0.05％，其余为Mg，其中Sm含量为0.1～0.45％，La含量为0.05～0.3％。

所述的高塑耐热AZ系镁合金挤压材，其优选方案为，Al含量为3.5～4.5％，Zn含量为0.9～1.2％，Mn含量为0.15～0.2％，Sm和La总含量为0.35～0.5％，其中Sm含量为0.2～0.45％，La含量为0.05～0.3％。

一种如上述的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔炼铸锭：在保护气作用下，分别将按所述质量百分比称好的镁锭、铝锭、锌锭、无水MnCl₂置于熔炉中，加热至710～715℃使其熔化，扒渣以去除漂浮在熔体表面的杂质，在熔体表面均匀撒上RJ-5熔剂作为覆盖剂，加入按所述质量百分比称好的Sm中间合金和La中间合金，升温至730～750℃，Sm中间合金和La中间合金熔化后继续加入RJ-5熔剂进行搅拌精炼，之后静置8～10min，待熔体温度降至710±3℃时进行扒渣，在保护气作用下浇铸预先加热至150～250℃的低碳钢模具中，得到镁合金铸锭；

(2)均匀化：将步骤(1)所得镁合金铸锭置于马弗炉中，在400～420℃下保温10～12小时进行均匀化处理，随后空冷至室温，车削加工为Φ46mm×100mm的镁合金棒材；

(3)热挤压：将步骤(2)所得镁合金棒材于350℃保温2小时后，利用反向挤压装置，在300吨油压机上进行热挤压，挤压温度为350℃，挤压出口速度为1.8～1.9m/min，挤压比为16:1～18:1，随后空冷至室温，得到挤压材。

所述的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的制备方法，其优选方案为，镁锭的纯度≥99.9wt.％、铝锭的纯度≥99.7wt.％、锌锭的纯度≥99.99wt.％，Sm中间合金和La中间合金的成分分别为Mg-30wt.％Sm和Mg-25wt.％La。

所述的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的制备方法，其优选方案为，所述保护气为CO₂和SF₆的混合气体，体积比为CO₂:SF₆＝100:1。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在AZ31镁合金基础上，通过提高铝含量和微量组合添加稀土元素Sm、La，在镁合金中优先形成了热稳定性高的Al₂Sm和Al₁₁La₃合金相，抑制了低熔点Mg₁₇Al₁₂相的形成，改善了晶界结构状态，经过均匀化和挤压工艺参数调整处理后，显著细化了镁合金组织，明显降低了室温屈服比，增大了室温伸长率，提高了高温(150℃)屈服、抗拉强度，最终得到了高塑耐热AZ系镁合金挤压材；

(2)本发明的高塑耐热AZ系镁合金挤压材具有高塑、耐热的特点，具体表现为：室温下，该镁合金的抗拉强度为260～270MPa，屈服强度为145～165MPa，伸长率为22～28％，屈强比为0.55～0.65；高温(150℃)下，该镁合金的抗拉强度为180～200MPa，屈服强度为120～135MPa，伸长率为35～45％，屈强比为0.6～0.7；

(3)本发明的高塑耐热AZ系镁合金挤压材，可通过低挤压比挤压变形获得，其中，挤压温度为350℃，挤压比为16:1～18:1，挤压工艺简单易实施。

附图说明

图1为本发明实施例1所得的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的XRD谱图；

图2为本发明实施例1所得的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的典型金相组织图；

图3为本发明的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的拉伸试样尺寸图；

图4本发明实施例2所得的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的XRD谱图；

图5为本发明实施例2的高塑耐热AZ系镁合金挤压材的典型金相组织图。

具体实施方式

结合本发明方案的内容，提供以下四个实施例，但本发明的保护范围不限于下述四个实施例。

实施例1

本实施例中高塑耐热AZ系镁合金挤压材，由以下质量百分比的合金组分组成：3.5％Al，1.2％Zn，0.2％Mn，0.45％Sm+0.05％La，余量为镁和不可避免的杂质元素。

制备方法如下：

采用电阻熔炼炉，在SF₆与CO₂体积比为1:100的混合气体保护气氛下，将Mg加热到715℃熔化，按组分的质量百分比加入Al、Zn和Mn，采用RJ-5熔剂对镁合金熔体进行净化处理和覆盖保护，按Sm和La的质量百分比加入Mg-30％Sm和Mg-25％La中间合金，升温至730℃，合金熔化后继续加入RJ-5熔剂进行精炼搅拌，随后静置10min，待熔体温度降至710℃时进行扒渣，在保护气作用下浇铸到预先加热至200℃的低碳钢模具中，得到具有高塑和耐热特性的AZ系镁合金铸锭。将该镁合金铸锭于420℃保温10h，空冷至室温，并车削加工为Φ46mm×100mm的镁合金棒材，去除表面的氧化部分。经过350℃×2h的保温处理后，利用反向挤压装置，在300吨油压机上，以1.9mm/min的出口速度挤压该镁合金棒材，得到Φ12mm的镁合金挤压材，挤压比为17.4:1。

挤压材的XRD谱如附图1所示，典型金相组织如附图2所示。将其加工成如附图3所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温和150℃高温拉伸，拉伸速度均为1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分别为：室温下，抗拉强度＝260MPa，屈服强度＝146MPa，伸长率＝27.5％，屈强比＝0.562；150℃高温下，抗拉强度＝195MPa，屈服强度＝127MPa，伸长率＝39％，屈强比＝0.651。

实施例2

本实施例中高塑耐热AZ系镁合金挤压材，由以下质量百分比的合金组分组成：3.5％Al，0.9％Zn，0.2％Mn，0.2％Sm+0.3％La，余量为镁和不可避免的杂质元素。

制备方法与实施例1相同。

挤压材的XRD谱如附图4所示，典型金相组织如附图5所示。将其加工成如附图3所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温和150℃高温拉伸，拉伸速度均为1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分别为：室温下，抗拉强度＝265MPa，屈服强度＝163MPa，伸长率＝24％，屈强比＝0.615；150℃高温下，抗拉强度＝189MPa，屈服强度＝133MPa，伸长率＝39.5％，屈强比＝0.703。

实施例3

本实施例中高塑耐热AZ系镁合金挤压材，由以下质量百分比的合金组分组成：4.5％Al，0.9％Zn，0.15％Mn，0.2％Sm+0.15％La，余量为镁和不可避免的杂质元素。

制备方法与实施例1相同。

将其加工成如附图3所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温和150℃高温拉伸，拉伸速度均为1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分别为：室温下，抗拉强度＝265MPa，屈服强度＝150MPa，伸长率＝23％，屈强比为0.566；150℃高温下，抗拉强度＝185MPa，屈服强度＝125MPa，伸长率＝42％，屈强比为0.676。

实施例4

本实施例中高塑耐热AZ系镁合金挤压材，由以下质量百分比的合金组分组成：4.5％Al，0.9％Zn，0.15％Mn，0.2％Sm+0.2％La，余量为镁和不可避免的杂质元素。

制备方法与实施例1相同。

将其加工成如附图3所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上分别进行室温和150℃高温拉伸，拉伸速度均为1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分别为：室温下，抗拉强度＝268MPa，屈服强度＝155MPa，伸长率＝22.5％，屈强比＝0.578；150℃高温下，抗拉强度＝183MPa，屈服强度＝120MPa，伸长率＝45％，屈强比为0.656。

表1实施例所得镁合金的拉伸力学性能测试结果

(^*注：AZ31挤压材的力学性能数据出自ASM handbook:Magnesium and Magnesium Alloys)