本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种无稀土的含铜的高强度变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度小、比刚度和比强度高、优越的减震性能、良好的机械性能、等一系列优点，是很有前景的轻质结构材料之一。目前得到广泛应用的镁合金合金化元素包括有铝，锌，稀土等。这些合金的综合性能提高的同时，也有一定的局限行。其中mg-al合金的高温应用受到限制，mg-zn-re合金具有优异的力学性能和较好的高温服役能力，但是稀土元素高昂的价格和日渐稀缺的储量限制其在民用领域的大规模应用和推广。因此，为推广镁合金材料的应用，研发新型不含稀土的轻质高强镁合金的需求日益增加。在这样的背景下，mg-sn合金愈发受到了研究者们的关注。此外，针对目前应用广泛的mg-al系挤压合金无法采用快速挤压工艺的缺点，mg-sn系变形镁合金中的mg2sn相具有较高的熔点，在高速挤压的过程中并不会发生第二相溶解而导致合金型材变形开裂。
技术实现要素：
针对上述的不足，本发明提供了快速挤压高强度变形镁合金及其制备方法，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种快速挤压高强度变形镁合金，该合金为mg-sn-al-cu变形镁合金，原料组分及质量百分含量如下：
工业纯锡：5%~7%；工业纯铝：1%~2%；铜（以铜的质量分数计量）：0.1%~3%；余量为工业纯镁和微量杂质元素；制备所用的工业纯镁、工业纯铝以及工业纯锡纯度都在99%以上。
优选地，铜是以铜的质量分数计量，添加时以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加。
上述所述的一种快速挤压高强度变形镁合金的制备方法，按照下述步骤进行：
（1）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，通入保护气体，将工业纯镁和工业纯锡投入合金化坩埚在710℃-730℃的温度范围内融化成合金液体；
（2）按原料配比，在步骤（1）中得到的合金液体中加入工业纯铝和镁铜中间合金，在710℃-730℃的温度范围内融化成合金液体；
（3）将在步骤（2）中得到的合金液体，在700℃-720℃静置30-40分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮，得到合金液体；
（4）随后取出合金液体冷却至700℃，在气体保护的条件下将步骤（3）中得到的合金液体，浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭；
（5）均匀化处理：将步骤（4）所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，在300℃-330℃的条件下保温8-10小时，经1小时升温到450℃-500℃，保温12-14小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（6）挤压：将步骤（5）所均匀化处理后得到的镁合金铸锭，车皮之后放入电阻炉中在300℃~350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上润滑剂，在300~400℃下放入挤压机进行挤压成型，即可得到高强度变形镁合金。
优选地，在熔炼过程中通入的保护气为sf6和co2混合气体，体积比例为1:100。
优选地，铸锭表面喷涂的涂料为氧化镁和氧化铝混合粉末，质量比例为3:1，采用无水乙醇混合，每10g混合粉末配用45-50ml无水乙醇。
优选地，模具型腔和顶杆所涂覆的润滑剂为聚乙烯蜡。
优选地，采用直接加热快速挤压工艺，挤压比为30:1，挤压速度为6~10m/min。
附图说明
图1：实施例2制备的挤压合金金相图。
图2：对比例1制备的挤压合金金相图。
图3：对比例3制备的预挤压铸锭车皮后的表面宏观形貌图片。
有益效果
1.本发明所提出的mg-sn-al-cu合金是一种新型无稀土的含铜镁合金，采用的合金化元素都是价格低廉的金属。在mg-sn-al三元体系中，只有mg17al12，mg2sn和α-mg三相，添加cu后还形成了mg-cu相和al-cu相，因此合金化元素的添加对合金起到固溶强化和第二相强化的双重结果。经过热挤压后制备出具有较高强度的镁合金型材。
2.本发明采用较为简单的快速挤压的加工工艺，通过合理调控预热温度和挤压温度，实现快速、大挤压比挤压加工，挤压速度最高可达10m/min，平均挤压比30:1，挤压型材表面平整光洁，没有明显的缺陷和裂纹，致密度高。所获得的挤压合金强度超过大部分的az系列变形镁合金，与商用的稀土变形镁合金we54相当。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：6%；al：1%；cu：0.5%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg。
（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在710℃-730℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯铝和镁铜中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭。
（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂上采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到450℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡，在400℃下进行挤压；挤压比为30:1，挤压速度为6m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为300.1mpa，延伸率为7.42%。
实施例2
（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：6%；al：1%；cu：1%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg。
（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在710℃-730℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯铝和镁铜中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭。
（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到450℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡，在400℃下进行挤压；挤压比为30:1，挤压速度为8m/min，制备出挤压型材。该合金抗拉强度为310mpa，延伸率为6.60%。
实施例3
（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：6%；al：1%；cu：2%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg。
（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在710℃-730℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯铝和镁铜中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭。
（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡，在400℃下进行挤压；挤压比为30:1，挤压速度为8m/min，制备出挤压型材。该合金抗拉强度为282.6mpa，延伸率为7.20%。
实施例4
（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：6%；al：1.5%；cu：1%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg。
（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在710℃-730℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯铝和镁铜中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭。
（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡，在400℃下进行挤压；挤压比为30:1，挤压速度为10m/min，制备出挤压型材。该合金抗拉强度为298.5mpa，延伸率为7.18%。
实施例5
（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：7%；al：2%；cu：1%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg。
（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在710℃-730℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯铝和镁铜中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭。
（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；
（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在350℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡，在400℃下进行挤压；挤压比为30:1，挤压速度为10m/min，制备出挤压型材。该合金抗拉强度为283.0mpa，延伸率为6.88%。
对比例1
按照质量百分比称取合金原料：sn：6%；al：1%；cu：1%（以纯铜的形式添加）；余量为mg。
制备方法同实施例2。
制备出的合金的抗拉强度为255.3mpa，延伸率为5.30%。
对比例2
按照质量百分比取：sn：2.7%，al：30.8%，cu：1.9%（以纯铜的质量分数计量，以mg-30wt.%cu中间合金的形式添加）；余量为mg；
制备方法同实施例2。
制备出的合金的抗拉强度为193.7mpa，延伸率为3.50%。
对比例3
将实施例2中“步骤（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂采用无水乙醇混合的质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末”此步骤去除，其他按照实施例2所述的原料配比及其制备方法制备合金，所制备的合金的缺点为：预挤压铸锭表面出现黑色的氧化层以及较深的氧化烧损的蚀坑，车皮至相应尺寸仍有部分保留，挤压后的型材内部出现夹渣和气孔。其抗拉强度为268.5mpa，延伸率为4.36%。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。