一种高性能Mg-Al-Zn-Mn-Ca镁合金及其制备方法与流程

本发涉及金属材料技术领域，特别涉及一种高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金及其制备方法。

背景技术

镁(mg)合金具有密度低、来源广、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。在铸造镁合金中，镁铝系合金由于成本低、易于铸造和加工，以及良好的综合性能等优点，是目前应用最广的铸造镁合金体系之一，最具有代表性的有az31、az61、az80、az91和am60等。其中，az31是目前使用比较广的商用镁合金，因其良好的机械和成形性能在汽车及3c领域有着广泛的应用前景。目前限制镁合金的一大难题在于强度偏低，不能满足工程应用的要求。因此，开发新型高强度镁合金具有非常重要的价值。

碱土元素ca(钙)，在合金化的过程中，一部分充当溶质元素，扩散到熔体中，在凝固过程中，固/液界面前沿形成过冷区，由于ca的扩散速度较慢从而限制了晶粒生长。另一部分ca元素与基体反应生成al2ca，分散在液态基体中的al2ca充当了形核质点，在异质形核的过程中，可作为液态金属的固相质点，使表面能降低，加快形核速率，从而起到了细化晶粒的作用。但在镁合金中加入单质钙(ca)成本较高。专利文献cn107447153a公开了一种高强度的镁合金及其制备方法，通过向金属az31中加入一定量cao熔炼而成的镁合金，mg置换出cao中的ca，形成mgo和ca，虽然一部分ca元素与基体反应生成al2ca，可以达到细化晶粒的目的，但制备过程中同时也生成了疏松的mgo，mgo的产生在一定程度上限制了az31-cao镁合金力学性能的进一步提升。

因此，如何提高镁合金的强度，尤其是提高mg-al-zn-mn-ca镁合金的性能以及开发新的铸造方法，成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金，包括以下成分：2.5-3.5wt％的al，0.6-1.4wt％的zn，0.15-0.5wt％的mn，0-1wt％的ca，0～0.02wt％的杂质元素，剩余的组成为mg。

可选的，所述杂质元素包括fe、si和ni。

本发明还提供了一种高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a)熔炼步骤，包括将纯mg、纯al、mg-20ca中间合金、mg-5mn中间合金和纯zn置于密闭的熔炼炉中，然后对熔炼炉抽真空并通氩气，对熔炼炉进行预热，再用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金；

b)铸锭步骤，将步骤a)得到的熔化的液体合金静置，再将熔化后的液体合金浇铸至预热的模具中铸造成铸锭；

c)均匀化处理步骤，将步骤b)得到的铸锭进行均匀化处理，再水冷；

d)塑形变形步骤，将步骤c)得到的均匀化处理后的铸锭进行塑形变形，得到高性能的mg-al-zn-mn-ca镁合金。

可选的，步骤a)中所述熔炼炉为真空熔铸一体机。

可选的，步骤a)中，对熔炼炉抽真空并通氩气的步骤包括，先抽真空使熔炼炉内压强在-98.750kpa以下，再通入氩气至熔炼炉内压强在-5～0kpa，然后再抽真空使熔炼炉内压强在-98.750kpa以下，再通入氩气使熔炼炉内压强维持在-35～-25kpa。

可选的，步骤a)中，所述熔炼炉预热的步骤包括，设定初始功率为4～6kw，预热时间10～15min，预热结束后功率调高至10～15kw。

可选的，步骤b)中，熔化的液体合金静置时间为10～15min，铸锭步骤中，熔炼炉的功率为10～15kw。

可选的，步骤b)中所述模具为钢制模具，预热温度在180～250℃范围内。

可选的，步骤c)中，所述均匀化处理的具体步骤为在400～420℃范围内，保温6～10小时。

可选的，步骤d)中，所述塑性变形的方式为挤压、轧制和锻造中的一种。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明提供了一种高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金，具有较细的晶粒，合金中不含疏松的mgo，具有较高的力学性能。

本发明采用纯mg、纯al、mg-20ca中间合金、mg-5mn中间合金、和纯zn混合熔炼，mg-20ca中间合金是一种高温稳定相，其引入起到了强化作用；mg-20ca中间合金的引入避免了mgo的产生，进一步提高了合金的力学性能。

本发明通过将合金进行塑形变形处理，使晶粒发生再结晶，且反应生成的高温稳定相促进了再结晶的发生，从而进一步改善合金材料的力学性能。

本发明选用低成本的纯mg、纯al为合金原料，选用价格较低的mg-20ca中间合金为添加物，大大降低了材料成本。且加工工艺操作简单、方便、易于工业化生产。

附图说明

图1是本发明一实施例高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金制备方法的流程示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，制备高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金的方法有待简化，成本有待降低，且制备的高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金的力学性能有待提高。

分析存在上述问题的原因包括：

现有方法制备的mg-al-zn-mn-ca镁合强度偏低，不能满足工程应用的要求，其问题往往主要是因为制作合金过程中需要引入部分溶质元素，目前较多采用的溶质元素为碱土元素ca(钙)，但是制备过程中极易产生疏松的mgo，从而降低了合金的力学性能。

为了解决上述问题，本发明提供一种高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金及其制备方法，能够提高产物的力学性能。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，图1示出了本发明一实施例高性能mg-al-zn-mn-ca镁合金制备方法的流程示意图。具体地，包括以下基本步骤：

a)熔炼步骤，包括将纯mg、纯al、mg-20ca中间合金、mg-5mn中间合金和纯zn置于密闭的熔炼炉中，然后对熔炼炉抽真空并通氩气，对熔炼炉进行预热，再用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金；

b)铸锭步骤，将步骤a)得到的熔化的液体合金静置，再将熔化后的液体合金浇铸至预热的模具中铸造成铸锭；

c)均匀化处理步骤，将步骤b)得到的铸锭进行均匀化处理，再水冷；

d)塑形变形步骤，将步骤c)得到的均匀化处理后的铸锭进行塑形变形，得到高性能的mg-al-zn-mn-ca镁合金。

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

参考图1，执行步骤a)，将纯mg、纯al、mg-20ca中间合金、mg-5mn中间合金和纯zn置于密闭的熔炼炉中，然后对熔炼炉抽真空并通氩气，对熔炼炉进行预热，再用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金。

本发明中，采用纯mg、纯al、mg-20ca中间合金、mg-5mn中间合金、和纯zn混合熔炼，mg-20ca中间合金是一种高温稳定相，其引入起到了强化作用；mg-20ca中间合金的引入避免了mgo的产生，进一步提高了合金的力学性能。

具体地，所述熔炼炉为真空熔铸一体机。对熔炼炉抽真空并通氩气的步骤包括，先抽真空使熔炼炉内压强在-98.750kpa以下，再通入氩气至熔炼炉内压强在0kpa，然后再抽真空使熔炼炉内压强在-98.750以下，再通入氩气使熔炼炉内压强维持在-30kpa。所述熔炼炉预热的步骤包括，设定初始功率为5kw，预热时间10min，预热结束后功率调高至10～15kw。

参考图1，执行步骤b)，将步骤a)得到的熔化的液体合金静置，再将熔化后的液体合金浇铸至预热的模具中铸造成铸锭。

本发明中，所述模具为钢制模具，预热温度在180～250℃范围内。

参考图1，执行步骤c)，将步骤b)得到的铸锭进行均匀化处理，再水冷。

本发明中，所述均匀化处理的具体步骤为在400～420℃范围内，保温6小时。

参考图1，执行步骤d)，将步骤c)得到的均匀化处理后的铸锭进行塑形变形，得到高性能的mg-al-zn-mn-ca镁合金。

本发明中，所述塑性变形的方式为挤压、轧制和锻造中的一种。塑形变形处理可以使晶粒发生再结晶，且反应生成的高温稳定相促进了再结晶的发生，从而进一步改善合金材料的力学性能。

实施例1

本实施例的高性能镁合金包含下列组分：3％wt的al，1％的zn，0.2wt％的mn，0wt％的ca，余量为mg以及杂质元素fe、si和ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％(wt％是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比)。

制备方法：

熔炼步骤：整个熔炼工艺在ar环境下进行。按照配方量分别称取将纯mg、纯al、mg-5mn中间合金、纯zn按重量百分比配置，然后将配置好的原料全部置于熔炼装置中，密闭熔炼炉。封闭熔炼炉之后抽真空至-98.750kpa以下，然后通入氩气至炉内压强为0kpa左右。第二次继续抽真空至-98.750kpa以下，通入氩气至炉内压强为-30kpa左右。真空炉功率调至5kw，预热10min，然后将功率上升到10-15kw至原料全部融化。

铸锭步骤：将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kw的功率下将熔体浇铸成合金锭。浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。

均匀化处理步骤：将通过熔炼工艺得到的合金锭在400℃条件下进行均匀化处理6小时，水冷。

塑性变形步骤：将完成均匀化处理的合金在300℃、挤压比为9的条件下进行挤压变形。得到高性能的mg-al-zn-mn镁合金。

经测试，该种高性能mg-al-zn-mn镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为258mpa，延伸率为16.21％。

实施例2

本实施例的高性能镁合金包含下列组分：3％wt的al，1％的zn，0.2wt％的mn，0.5wt％的ca，余量为mg以及杂质元素fe、si和ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％(wt％是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比)。

制备方法：

熔炼步骤：整个熔炼工艺在ar环境下进行。按照配方量分别称取将纯mg、纯al、纯zn、mg-5mn中间合金、mg-20ca中间合金，按重量百分比配置。然后将配置好的原料全部置于熔炼装置中，密闭熔炼炉。封闭熔炼炉之后抽真空至-98.750kpa以下，然后通入氩气至炉内压强为0kpa左右。第二次继续抽真空至-98.750kpa以下，通入氩气至炉内压强为-30kpa左右。真空炉功率调至5kw，预热10min，然后将功率上升到10～15kw至原料全部融化。

铸锭步骤：将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kw的功率下将熔体浇铸成合金锭。浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。

均匀化处理步骤：将通过熔炼工艺得到的合金锭在400℃条件下进行均匀化处理6小时，水冷。

塑性变形步骤：将均匀化处理的合金在300℃、挤压比为9的条件下进行挤压变形。得到高性能mg-al-zn-mn-0.5ca(0.5代表0.5wt％的ca)镁合金。

经测试，该种高性能mg-al-zn-mn-0.5ca(0.5代表0.5wt％的ca)镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为300.57mpa，延伸率为18.02％。

实施例3

本实施例的高性能镁合金包含下列组分：3％wt的al，1％的zn，0.2wt％的mn，1wt％的ca，余量为mg以及杂质元素fe、si和ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％(wt％是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比)。

制备方法：

熔炼步骤：整个熔炼工艺在ar环境下进行。按照配方量分别称取将纯mg、纯al、纯zn、mg-5mn中间合金、mg-20ca中间合金，按重量百分比配置。然后将配置好的原料全部置于熔炼装置中，密闭熔炼炉。封闭熔炼炉之后抽真空至-98.750kpa以下，然后通入氩气至炉内压强为0kpa左右。第二次继续抽真空至-98.750kpa以下，通入氩气至炉内压强为-30kpa左右。真空炉功率调至5kw，预热10min，然后将功率上升到10～15kw至原料全部融化。

铸锭步骤：将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kw的功率下将熔体浇铸成合金锭。浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。

均匀化处理步骤：将通过熔炼工艺得到的合金锭在400℃条件下进行均匀化处理6小时，水冷。

塑性变形步骤：将均匀化处理的合金在300℃、挤压比为9的条件下进行挤压变形。得到本高性能mg-al-zn-mn-1ca(1代表1wt％的ca)镁合金。

经测试，该种高性能mg-al-zn-mn-1ca(1代表1wt％的ca)镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为356.5mpa，延伸率为18.36％。

实施例4

本实施例的高性能镁合金包含下列组分：3％wt的al，1％的zn，0.2wt％的mn，1wt％的cao，余量为mg以及杂质元素fe、si和ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％(wt％是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比)。

制备方法：

熔炼步骤：整个熔炼工艺在ar环境下进行。按照配方量分别称取纯mg、纯al、纯zn、mg-5mn中间合金和cao，按重量百分比配置。然后将配置好的原料全部置于熔炼装置中，密闭熔炼炉。封闭熔炼炉之后抽真空至-98.750kpa以下，然后通入氩气至炉内压强为0kpa左右。第二次继续抽真空至-98.750kpa以下，通入氩气至炉内压强为-30kpa左右。真空炉功率调至5kw，预热10min，然后将功率上升到10～15kw至原料全部融化。

铸锭步骤：将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kw的功率下将熔体浇铸成合金锭。浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。

均匀化处理步骤：将通过熔炼工艺得到的合金锭在400℃条件下进行均匀化处理6小时，水冷。

塑性变形步骤：将均匀化处理的合金在300℃、挤压比为9的条件下进行挤压变形。即可得到本实施例中高性能mg-al-zn-mn-cao镁合金。

经测试，该种高性能mg-al-zn-mn-cao镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为311mpa，延伸率为16.13％。

综合实施例1、2、3、4可以看出，采用本发明所得的mg-al-zn-mn-ca镁合金，相较于mg-al-zn-mn-cao镁合金以及不含ca的mg-al-zn-mn镁合金，具有更好的延展性和抗拉强度；特别是，mg-al-zn-mn-1ca镁合金，其力学性能最优。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。