一种具有低各向异性的低成本变形镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种镁合金，尤其涉及一种低成本和低各向异性的变形镁合金及其制备方法。

背景技术：

镁合金因其具有重量轻、电磁屏蔽性能优良、易于加工和回收等优点，在电子产品、手动工具、交通运输等领域显示了广阔的应用潜力。mg-zn系合金是重要的一类商用镁合金，高锌含量的镁合金具有较高的强度，低锌含量的镁合金则具有相对较好的塑性。为了满足板材类产品成型对高塑性的要求，人们开发出了若干低锌含量的mg-zn系合金，包括zm21(1.0~2.5wt%zn、0.5~1.5wt%mn)、ze10(1.0~1.5wt%zn、0.12~0.22wt%re)、ze20m（1.8～2.4wt%zn、0.50～0.9wt%mn、0.10～0.6wt%ce）、zc20m（1.5～2.5wt%zn、0.20～0.6wt%ce、0.30～0.6wt%cu）和zk21（2.0~2.6wt%zn、0.45~0.8wt%zr），本专利发明人也发明了一种低锌合金，其中含有1.0～2.0wt%zn、0.1～0.8wt%er、0.10～0.60wt%zr）。这些合金具有较好的塑性和强度的配合，适应了部分使用条件下板材产品的性能需求。但是，作为板材类产品的重要性能指标—各向异性和低温成型性能，仍无法满足要求；而且，这些合金中除zm21外，均含有稀土元素和/或锆元素，增加了合金成本，也成为制约合金应用的一个重要因素。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种低成本低各向异性的变形镁合金，解决各向异性、低温成型性能和降低成本的问题，满足板材类产品的使用需求。

本发明目的是这样实现的：一种低成本低各向异性的变形镁合金，其特征在于其组分的重量百分比为：锌1.0%~1.6%、锰0.10%~0.25%、铜0.10%~0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中添加铜，铜与锌、镁相互作用生成少量mg-zn-cu第二相颗粒，其尺寸在1~2μm，这些粒子可以促进热变形过程中的动态再结晶，并抑制晶粒长大，与mg-zn-mn三元合金相比，起到了显著细化合金动态再结晶晶粒的作用，可以有效提高材料的强度和塑性。

2、本发明中添加铜，改变了合金的热变形行为，降低了变形后合金中基面织构的强度，有益于合金成型性能的提高。

3、本发明在mg-zn-mn三元合金基础上添加铜，塑性、强度得到明显提高；同时，与添加稀土元素相比，加工硬化指数仅有少量下降，因而有益于合金的均匀塑性变形，有利于板材成型。因而，与已有低锌合金相比，合金具有良好的综合力学性能。

4、本发明中添加铜，与添加稀土元素相比，变形在各个方向上的均匀性较好，因而降低了变形材的各向异性。

5、本发明提供的一种低成本低各向异性的变形镁合金，不含稀土或锆元素，与目前已经开发的板材类产品用合金相比，合金成本大大降低，更适合于规模应用。

6、本发明提供的低成本低各向异性的变形镁合金制备方法，熔炼铸造合金成分易于控制、烧损率低。

附图说明

图1（a）（b）是本发明合金和mg-zn-mn三元合金挤压态棒材的金相显微组织照片。

图2是本发明合金、mg-zn-mn三元合金和mg-zn-mn-re四元合金挤压板坯的各向异性指数。

图3是多道次低温轧制至开裂时本发明合金、mg-zn-mn三元合金和mg-zn-mn-re四元合金板材中裂纹的数量和总长度。

图4是多道次低温轧制后本发明合金（a）、mg-zn-mn三元合金（b）和mg-zn-mn-re四元合金（c）板材的表面形貌。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.6%、锰0.11%、铜0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例2：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.0%、锰0.25%、铜0.12%，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例3：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.4%、锰0.18%、铜0.18%%，其余为镁和不可避免的杂质。

本发明的低成本低各向异性的变形镁合金，采用以下制备工艺来制取：1）按照上述成分配制合金，原材料为高纯镁(>99.5%)、高纯锌(>99.5%)以及mg-10%mn、mg-30%cu中间合金。在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，待镁锭完全融化，搅拌扒渣，保温10min。2）将炉子温度控制在760℃，然后将纯锌和中间合金mg-cu、mg-mn依次加入坩埚内。待中间合金完全融化后，搅拌，扒渣，保温10min。3）将炉温降至720℃，静置20min，然后进行浇注。4）将浇注获得的铸锭在450℃均匀化处理16小时，均匀化热处理后空冷至室温。

为了说明本发明的有益效果，用上述同样的制备工艺制取mg-zn-mn三元合金锭和含稀土ce的mg-zn-mn-re四元合金锭，分别记为zm21和ze20，作为对比合金；并采用挤压、轧制等变形方式，表征比较本发明合金和对比合金在挤压棒材、挤压板坯、轧制板材等多种变形状态下的组织、力学性能、各向异性和成型性能。

上述各变形状态的合金可以采用以下制备工艺来获取：1）挤压棒材：挤压前将均匀化热处理的铸锭机加工成直径为80mm的圆柱状坯料，在350℃保温1h，然后挤压成直径为16mm的棒材，挤压温度为350℃，挤压比为1:25，挤压后空冷至室温。2）挤压板坯：挤压前将均匀化热处理的铸锭机加工成直径为80mm的圆柱状坯料，在350℃保温1h，然后挤压成60mm×3mm的板坯，挤压温度为350℃，挤压后空冷至室温。3）轧制板材：将步骤2获得的挤压板坯，轧制前在315℃保温1h，然后进行多道次轧制，直到板材出现裂纹为止。

挤压棒材的显微组织形貌显示，本发明合金中存在适量尺寸在1~2μm的mg-zn-cu第二相粒子，这些粒子可以有效促进热变形过程中的动态再结晶、抑制晶粒长大，从而显著细化动态再结晶晶粒，图1（a）（b）分别是本发明合金和zm21合金挤压态棒材的金相显微组织照片，照片显示本发明合金的晶粒显著细化。晶粒细化既可以明显提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时又能有效改善材料的塑性。

挤压棒材（0002）基面织构测试结果表明，zm21合金的基面织构强度为6.8，本发明合金不高于4.7；本发明合金基面织构强度降低，有益于合金成型性能的提高。室温下力学性能测试结果表明，与zm21合金相比，本发明合金的屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率分别由85mpa、211mpa和16.5%提高到了118mpa、236mpa和19.3%；而加工硬化指数仅比zm21的0.31略有降低，为0.26；而同样状态mg-zn-mn-re四元合金ze20的加工硬化指数仅为0.16，本发明合金比其高62.5%。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金具有良好的综合力学性能和成型性能。

测定各合金挤压板坯在挤压方向（ed）、垂直挤压方向（td）和45°方向（45°）上的屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率，并通过公式（1）计算平面各向指数ipa：

ipa=(2xmax-xmid-xmin)/（2xmax）×100%（1）

式中，x代表屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率等力学性能指标，max代表某个方向的最高值，min代表某个方向的最低值，mid代表某个方向的中间值。

结果绘制在图2中。ipa值可以用来评价板坯在各个方向的力学性能差异，从而表征合金板材的各向异性。由图2可以看出，zm21合金屈服强度和抗拉强度的ipa值最高，分别为26%、14.1%；含稀土的ze20合金的屈服强度ipa值降低了9%，抗拉强度ipa值降低了5.2%；而本发明合金ipa值明显降低，其屈服强度ipa值为11.8%，降低了14.2%，抗拉强度ipa值仅为1.9%，降低了12.2%。比较三种合金延伸率的ipa值，可以看出，ze20合金延伸率的各向异性最严重，ipa值为22.4%，本发明合金ipa值最低，为14.8%。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金降低了变形材的各向异性，有利于合金的成型性能。

将挤压板坯进行多道次低温轧制，一直轧制到板材开裂为止，统计各合金板材中裂纹的数量和总长度，结果示于图3中。图4是多道次低温轧制后各合金板材的表面形貌。从板材表面形貌上看，含稀土的ze20合金板材中，裂纹已扩展至中心、裂纹呈波浪形且扩展严重；而本发明合金和zm21合金中，仅在板材边部出现裂纹。从各合金板材中裂纹的数量和总长度看，ze20合金中的裂纹数量为46，远大于zm21合金中裂纹数量28，本发明合金中的裂纹数量最少，仅为10；ze20合金中的裂纹总长度为132mm，几乎为zm21合金裂纹总长度（56mm）的2.5倍，本发明合金中的裂纹总长度最少，为22mm。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金的低温成型性能得到了明显提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。