一种可高速挤压的高性能变形镁合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料
技术领域：
，尤其涉及一种可高速挤压的高强度变形镁合金及其制备方法。
背景技术：
：随着人们对环境保护和节能减排的重视，镁合金作为目前可用的最轻金属结构材料，在汽车、高铁、航空航天、3c、工程机械等领域具有广阔的应用前景。然而，镁合金是密排六方金属结构，室温下，滑移系少，变形困难，最常采用的成形方式是热挤压。目前，商用牌号变形镁合金的挤压速度一般低于15m/min，而商用铝合金的挤压速度可达到每分钟几十米甚至上百米。较低的生产效率导致镁材的成本远高于铝材，降低了变形镁合金的市场竞争力。因而急需开发适合高速挤压的镁合金成分。目前实现产业化的高强变形镁合金以mg-al系和mg-zn系为主，由于al和zn的含量高，合金组织中含有大量低熔点的mg-al和mg-zn相，高速挤压过程中的变形热会使低熔点熔化而导致型材开裂。因而开发高速挤压镁合金，必须消除组织中的低熔点相。日本的t.nakata等人通过低合金化开发了快速挤压mg-al～ca～mn合金，最大挤压速度超过30m/min，且热处理后强度可以达到6系铝合金水平。国内专利中，专利cn200810172222.6公开了一种用于高速挤压的变形镁合金，其组成成分的重量百分比分别为：al5～7％、zn2～3％、mn7～9％、li3～4％、zr1～3％，其余为镁及不可避免的杂质元素。该镁合金的挤压速度可以达到20m/min，抗拉强度为248～275mpa，屈服强度为142～178mpa，延伸率为18～23％。该合金强度偏低，并且合金中含有较多的贵金属li和zr。专利cn201010152389.3公开了用于高速挤压的变形镁合金及其制备方法，该合金的组分的重量百分比为：al2～9％、mn0.1～1％、si0.1～3％、ce0.1～2％、y0.1～1％、sr0.1～1％、sb0.1～1％，其余为mg9995。该合金可进行的挤压速度不小于15m/min，抗拉强度为280～350mpa，屈服强度为160～220mpa，延伸率为14～20％。该合金强度也不高，并且添加了较多昂贵的稀土元素ce、y等。专利cn201510675184.6公开了一种可高速挤压的变形镁合金及其制造方法，该合金的组分的重量百分比为：bi2～10％、al0.5～5％、zn0.1～2％、mn0.1～1％，其余为镁及不可避免的杂质元素。该合金可进行的挤压速度不小于20m/min，抗拉强度为321～330mpa，屈服强度为241～276mpa，延伸率为11～14％。该合金性能较高，但加入大量的bi元素，也会导致成本的上升。合金成本的上升会阻碍其市场推广。因此，针对现有技术中大部分变形镁合金难以高速挤压，并且挤压材的力学性能不高等问题，发明一种低成本的可高速挤压变形镁合金对于推动变形镁合金发展具有重要的意义。技术实现要素：针对上述问题，本发明提出一种可高速挤压(挤压速度不小于40m/min)的高强度变形mg-al-sn-ca-mn镁合金及其制备方法。该镁合金材料中不含稀土元素，在低成本的同时，既提高了镁合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率性能，同时实现了超过40m/min的高速挤压。该合金是一种综合性能良好的新型变形镁合金。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明的目的之一是提供一种可高速挤压的高性能变形镁合金材料，该合金为mg-al-sn-ca-mn镁合金，由以下质量百分比的元素组成：al0.45～0.55wt％、sn0.35～0.45wt％、ca0.25～0.45wt％、mn0.70～1.10wt％，其余为mg及不可避免的杂质元素，且al和sn的质量百分比之和为0.9wt％。优选地，上述所述镁合金，由以下质量百分比的元素组成：al0.45～0.5wt％、sn0.4～0.45wt％、ca0.25～0.4wt％、mn0.70～1.1wt％，其余为mg及不可避免的杂质元素，且al和sn的质量百分比之和为0.9wt％。优选地，上述所述镁合金，由以下质量百分比的元素组成：al0.48％、sn0.42％、ca0.25％、mn0.70％，其余为mg及不可避免的杂质元素，且al和sn的质量百分比之和为0.9wt％。目前镁合金挤压材生产成本高，难以实现工业会推广的主要原因是由于挤压速低，商业镁合金中，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第二相与基体之间的变形热可以使挤压材温度升高超过100℃，这导致低熔点的第二相过热或熔化，最终挤压材表面产生裂纹。降低合金元素含量，尤其降低合金固线相温度的元素的含量是降低材料变形热、进而提高变形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。本发明镁合金通过优化合金元素及含量实现了可高速挤压具有高性能变形的作用。al和sn是典型的镁合金固溶强化元素，在561℃时，sn在镁合金中的最大平衡固溶度为14.5％；在200℃时，固溶度降低为0.452％，因而，在热变形过程中，本发明mg-al-sn-ca-mn合金中的sn以固溶态存在。另外，al和ca可以与mg形成熔点较高的(mg,al)2ca中间相；sn也可以与mg形成高熔点的mg2sn相；镁合金中添加ca元素具有明显的阻燃效果；mn的添加可以细化材料的晶粒组织。上述因素促使mg-al-sn-ca-mn合金可以通过高速挤压。优选地，所述镁合金材料的抗拉强度≥320mpa，屈服强度≥260mpa，延伸率≥15％。本发明的目的之二是提供一种上述可高速挤压的高性能变形镁合金材料的制备方法，包括：将纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金进行熔炼，浇注成铸锭；将铸锭进行均匀化处理，切成相应的坯料并去皮；挤压成棒、板、管、型材。优选地，所述熔炼，浇注成铸锭的具体步骤为：将纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金，在co2+sf6混合气体保护条件下，在700～720℃熔炼，保温40～60min，搅拌5～10min，并精炼20～30min，精炼后升温至740～760℃静置30～40min，在700～720℃浇注成半连续铸锭。进一步优选地，710℃熔炼，保温50min，搅拌5min，并精炼20min，精炼后升温至750℃静置35min，在710℃浇注成铸锭。优选的，所述均匀化处理的条件是在480～520℃下进行均匀化处理，保温时间1～4h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮；优选均匀化处理条件为在480℃下进行均匀化处理保温时间4h。本发明采用高的均匀化温度，一方面可以促进微量合金尽快固溶到镁合金基体中，另一方面可缩短均匀化保温时间，防止铸态组织粗化。优选的，所述挤压的具体条件为：挤压温度250～350℃、挤压比为10～60、挤压速度0.1～40m/min；优选挤压温度250℃、挤压比为50、挤压速度40m/min。本发明采用上述低的挤压温度可以形成较细小的晶粒，提高材料的强度。优选的，所述co2+sf6混合气体中co2和sf6体积比为100～200：1。进一步优选地，所述co2+sf6混合气体中co2和sf6体积比为200：1。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明mg-al-sn-ca-mn镁合金通过添加少量al、sn、ca、mn元素，主要以al、sn固溶强化，辅以少量高熔点的(mg,al)2ca、mg2sn的第二相弥散强化和mn细化晶粒后的细晶强化，提高材料强度。(2)本发明mg-al-sn-ca-mn镁合金通过ca元素的加入，弱化了镁合金的基面织构，进而提高材料的延伸率。另外ca本身具有阻燃和抗氧化效果，均匀化处理过程中不需要气氛保护。(3)本发明的低合金化方式，添加合金量较少。低合金化是为了保证可以实施高速挤压变形，进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荷载，减少对挤压设备的损耗、节省设备的维护成本。另一方面，本发明使得材料中第二相较少，且均为高熔点相，可避免挤压过程中因温度的上升而发生融化开裂，保证可以实施高速挤压，获得了优良的性能，本发明可以实现超过40m/min的高速挤压。(4)本发明的mg-al-sn-ca-mn镁合金挤压型材，主要通过固溶强化，不需要时效处理提高强度，简化了工艺流程。(5)本发明的mg-al-sn-ca-mn镁合金，仅添加了少量较贵的sn元素，对合金成本增加较少，因而材料成本低，应用前景较好。附图说明图1为在相同条件下本发明实施例1和对比例(az31)的挤压棒材实物图。图2为az31垂直于挤压方向的挤压组织形貌。图3为实施例1垂直于挤压方向的挤压组织形貌。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明涉及一种可高速挤压的高性能变形镁合金材料，由以下重量百分比的元素组成：al0.45～0.55％、sn0.35～0.45％、ca0.25～0.45％、mn0.70～1.10％，其余为mg及不可避免的杂质元素，且al和sn的质量百分比之和为0.9％。本发明的一种可高速挤压的高性能变形镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金；在co2+sf6混合气体保护条件下，在700～720℃熔炼，保温40～60min，搅拌5～10min，并精炼20～30min，精炼后升温至740～760℃静置30～40min，在700～720℃浇注成铸锭。(2)上述铸锭，在480～520℃下进行均匀化处理保温时间1～4h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。(3)将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度250～350℃、挤压比为10～60、挤压速度0.1～40m/min条件下，挤压成棒、板、管、型材。实施例1mg-al-sn-ca-mn合金元素的质量百分比为：al0.45％、sn0.45％、ca0.45％、mn1.10％，其余为mg及不可避免的杂质元素。原料为：纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金；在co2+sf6混合气体(体积比为100:1)保护条件下，在720℃熔炼，保温60min，搅拌10min，并精炼30min，精炼后升温至740℃静置30min，在700℃浇注成铸锭。上述铸锭，在520℃下进行均匀化处理保温时间1h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度350℃、挤压比为30、挤压速度40m/min条件下，挤压成棒材。实施例2mg-al-sn-ca-mn合金元素的质量百分比为：al0.55％、sn0.35％、ca0.40％、mn0.90％，其余为mg及不可避免的杂质元素。原料为：纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金；在co2+sf6混合气体(体积比为100:1)保护条件下，在700℃熔炼，保温50min，搅拌10min，并精炼25min，精炼后升温至760℃静置30min，在720℃浇注成铸锭。上述铸锭，在500℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度300℃、挤压比为40、挤压速度40m/min条件下，挤压成板材。实施例3mg-al-sn-ca-mn合金元素的质量百分比为：al0.48％、sn0.42％、ca0.25％、mn0.70％，其余为mg及不可避免的杂质元素。原料为：纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、mg-25％ca中间合金、mg-10％mn中间合金；在co2+sf6混合气体(体积比为200:1)保护条件下，在710℃熔炼，保温50min，搅拌5min，并精炼20min，精炼后升温至750℃静置35min，在710℃浇注成铸锭。上述铸锭，在480℃下进行均匀化处理保温时间4h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度250℃、挤压比为50、挤压速度40m/min条件下，挤压成棒材。对比例1：选用目前商用镁合金az31，合金铸锭经400℃，12h的均匀化处理，在挤压温度350℃、挤压比为30、挤压速度40m/min条件下，挤压成棒材。对比例2：与实施例3的区别在于，mg-al-sn-ca-mn合金元素的质量百分比为：al0.48％、sn0.30％、ca0.25％、mn0.70％，其余为mg及不可避免的杂质元素。对比例3：与实施例3的区别在于合金元素的质量百分比为：al0.48％、ca0.25％、mn0.70％，其余为mg及不可避免的杂质元素。对比例4与实施例3的区别在于，制备工艺为：挤压温度400℃，挤压比为50，挤压速度40m/min条件下，挤压成棒材。上述实施例1～3和对比例1～3得到的镁合金挤压材的力学性能参数和表面状态如下：实施例屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)延伸率(％)表面状态126532218％无裂纹226832816％无裂纹327033320％无裂纹对比例119526015％开裂对比例225529021％无裂纹对比例315622017％无裂纹对比例424028014％无裂纹实施例1-3与对比例1az31合金。(1)挤压材的外观形貌图1为相同挤压条件下的实施例1和对比例az31的外观形貌。可以看，在同样变形条件下，实施例1表面质量完好，而对比例az31表面已经发生开裂现象。可见本发明的镁合金具有较好的高速挤压性能。(2)微观组织对比例1az31和实施例1的微观组织分别如图2和图3所示。可以看出在高速挤压条件下，az31棒材组织发生了明显的晶粒长大现象，而实施例1的组织为明显的动态再结晶组织——晶粒细小均匀。根据hall-petch关系，细小晶粒尺寸的材料具有更高的屈服强度。(3)力学性能从表1中对比例1az31和实施例1-3的力学性能可以看出：实施例1-3中合金的服强度、抗拉强度和延伸率均高于对比例az31，并且优于对比例2、3、4镁合金，这与合金的晶粒细小以及al、sn元素的固溶强化密切相关。综合以上三方面，本发明镁合金可在高速挤压条件下仍具有高的屈服强度和抗拉强度，是一种良好的综合力学性能材料。最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12