一种高延伸率镁合金及其生产工艺的制作方法

本技术涉及金属材料及冶金，更具体地说，它涉及一种高延伸率镁合金及其生产工艺。

背景技术：

1、镁合金是继钢、铁、铝之后的第四大工程材料，因其具有质量轻，比强度高，导热性好，屏蔽性有出色，良好的抗冲击和抗压缩性能以及其机械加工性能强，压铸成型率好，产品100％回收利用等诸多优点，被广泛应用于汽车、航天、3c电子等领域，且由于镁合金的塑性越好，其锻造性能越好，压力成形加工性能越好，结构件安全应用性能越好。但是，目前市场上的镁合金产品已无法满足越来越多的各行业各领域多元化的需求，面对新的应用领域对镁合金产品理化性能的各项需求，必须研发新的镁合金材料来满足多元化市场的需求。

2、相关技术中，镁合金断后延伸率较高的am50a镁合金的机械性能为：抗拉强度200mpa，屈服强度110mpa，断后延伸率10％，难以满足汽车应用领域某些承重件或结构件对断后延伸率的要求。

技术实现思路

1、为了提高镁合金的延伸率，本技术提供了一种高延伸率镁合金及其生产工艺。

2、第一方面，本技术提供一种高延伸率镁合金，其采用如下技术方案：

3、一种高延伸率镁合金，包括如下重量百分含量的元素：al 3.5％-4.5％、mn0.35％-0.45％、zn0.05％-0.2％、si≤0.05％、ca 0.05-0.1％、cu≤0.005％、ni≤0.0010％、fe≤0.0040％、be≤0.0005-0.0015％、镁余量。

4、本技术镁合金成分可选用al 3.5％-4.5％、mn 0.35％-0.45％、zn 0.05％-0.2％、si≤0.05％、ca 0.05-0.1％、cu≤0.005％、ni≤0.0010％、fe≤0.0040％、be≤0.0005-0.0015％、镁余量，各自范围内的任一值，且能提高镁合金的延伸率。

5、通过采用上述技术方案，控制镁合金的重量百分比成分含量，即al 3.5％-4.5％、mn0.35％-0.45％、zn 0.05％-0.2％、si≤0.05％、ca 0.05-0.1％、cu≤0.005％、ni≤0.0010％、fe≤0.0040％、be≤0.0005-0.0015％、镁余量；

6、铝(al)：al在mg中起固溶强化和时效强化作用，al作为镁合金中最主要的合金元素，与mg能形成有限固溶体(共晶温度下的饱和溶解度为12.7wt.％)。随着温度下降，过饱和固溶体中析出弥散、平衡的mg17al12相，提高mg-al合金的强度，mg17al12相随含al量增加而增多。al在提高合金强度和硬度的同时，也能拓宽凝固区，改善铸造性能。

7、锌(zn)：zn是一种镁合金的有效合金化元素，在mg中固溶度较大，且随着温度的降低而逐渐减小，因此可以使镁合金产生固溶强化和时效强化；zn能增加流体的流动性，从而改善铸件品质。

8、铍(be)：微量的铍能减少元素的氧化损失；改善镁的清洁、流动性、耐腐蚀性；改善合金的组织结构，细化晶粒，增加强度，提高镁合金的塑性，提高镁合金的延伸率。

9、硅(si)：si不固溶于mg，可形成化合物mg2si，是有效的强化相；si还可以和合金中的其他合金元素形成稳定的硅化物，改变合金的蠕变性能；si同时也是一种弱的晶粒细化剂，可以细化晶粒，提高镁合金的塑性，提高镁合金的延伸率。

10、钙(ca)：加入ca可以减轻金属熔体和铸件热处理过程中的氧化、细化合金晶粒，提高镁合金蠕变抗力及延伸率，改善镁合金的冶金质量。

11、锰(mn)：在镁合金中添加锰，能稍微提高合金屈服强度，去除铁及其它重金属元素，避免生成有害的晶间化合物来提高mg-al合金和mg-al-zn合金的抗腐蚀能力。此外，mn还可以细化晶粒，提高合金的焊接性能。

12、铜(cu)：铜是影响镁合金抗蚀性的元素，添加量不小于0.05％时，显著降低镁合金抗蚀性，但能提高合金的高温强度。

13、镍(ni)、铁(fe)影响镁合金抗蚀性元素，是有害的杂质元素。

14、作为优选：一种高延伸率镁合金，al 3.8％，mn 0.33％，zn 0.1％，si 0.03％，ca0.08％，cu 0.003％，ni 0.0008％，fe 0.001％，be 0.0008％，镁余量。

15、本技术的高延伸率镁合金，包括如下重量百分比成分al 3.8％，mn 0.33％，zn0.1％，si 0.03％，ca 0.08％，cu 0.003％，ni 0.0008％，fe 0.001％，be 0.0008％，镁余量时，效果最佳。

16、第二方面，本技术提供一种上述任一项高延伸率镁合金的的生产工艺。

17、一种高延伸率镁合金的生产工艺，包括如下步骤：

18、s1：将各成分原料按成分配比配料，预热120-150℃；

19、s2：先加入镁和铝原料开始第一次精炼，然后再加入250-300kg精炼剂熔化并助融；

20、s3：加热温度在700-750℃时，加入锰和锌原料，进行第二次精炼；

21、s4：静置15-25分钟后转炉浇铸生产；

22、s5：对镁合金锭进行成品取样复检，质量检验合格后入库。

23、本技术步骤s2中的精炼剂包括如下重量百分含量的原料：氯化镁38％，氯化钠25％，氯化钾15％，氟化钙4％，轻质碳酸镁5.8％，氯化钙增稠剂6.2％，稀土溴化物3％、纳米氧化锆1.5％和纳米二氧化钛1.5％。

24、其中，加入氯化镁(mgcl2)，能在高温下与o2、h2o等反应，生成hcl、h2气体，气体在镁液表面形成保护层，阻缓了镁液的氧化，具有较佳的覆盖作用。高温下液态mgcl2对mgo、mg3n2等夹杂物具有较好的润湿能力，并且能与mgo形成mgcl2·5mgo复合化合物，因此有较强的去除氧化夹杂的能力。

25、加入氯化钾(kcl)，kcl是精炼剂的基本组元，可以提高精炼剂的稳定性。同时kcl能够明显降低mgcl2的粘度、熔点和表面张力，使精炼剂易于延展扩散，有利于在镁液表面生成保护壳，保护镁液不受高温氧化和燃烧，保障了镁液的纯净度。

26、加入氯化钠(nacl)，nacl与mgcl2、kcl构成mgcl2-kcl-nacl三元系，nacl可以提高精炼剂的密度，并用来调整精炼剂的熔点，有利于精炼剂的稳定。

27、加入轻质碳酸镁，可在高温下热分解形成的方解石溶解mgo而形成一种固溶体；而产生的co2向外扩散夹杂着分解反应产生的新相mgo包裹着尚未分解的各物相形成球形界面发泡，极大地增大了其表面积，从而提高了精炼剂吸附氧化夹杂的能力。另外，它所释放出的气体，又对镁液进行物理除气，因而强化了精炼剂的精炼能力。

28、加入稀土溴化物，稀土元素与氧、硫等杂质元素有较强的结合力，还能与水气和镁液中的氢反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物以除去氢气；同时，溴离子半径大于氯离子，相同电荷下对阳离子的吸引能力下降，从而减弱离子化合物间的极性，减小了精炼剂与夹杂界面间的表面张力和粘度，提升了精炼剂在熔体中的铺展性与对夹杂物的吸附能力，从而提高镁合金的纯净度。

29、加入纳米氧化锆可以起到去氧、除氢、除杂的净化作用，不仅可以去除镁合金中的非金属夹杂，也可与精炼剂中的氢反应生成氢化物，从而达到除氢的目的。添加纳米二氧化钛(tio2)后使tio2吸附铁形成ti2fe化合物而沉淀除铁，提高精炼剂的精炼能力，从而提高镁合金的纯净度。

30、综上，加入精炼剂不仅可以去除镁合金液中的fe、以sio2形式存在的硅等杂质，还可以进行物理除气，提高了精炼剂吸附造渣能力和氧化夹杂的能力，同时，精炼剂易于延展扩散，在镁液表面生成保护壳，保护镁液不受高温氧化和燃烧，提高了镁合金液的纯净度，使镁合金的夹杂物体积分数降低到0.356％，有害物质fe含量降低到0.0023％，改善了镁合金的质量，提高了镁合金的延伸率。当精炼剂选用常规的镁合金精炼熔剂，即氯化镁45％，氯化钠25％，氯化钾20％时，其除渣效果不太理想，夹杂物体积分数在0.621％，而且需要使用过量精炼剂，会造成回收渣中含镁量太高需要重新熔炼，造成生产成本太高的问题。

31、通过采用上述技术方案，本技术高延伸率镁合金的生产工艺，通过将各成分原料按成分配比配料，预热、第一次精炼，然后加入精炼剂、第二次精炼和浇铸生产质量检验合格后入库得到镁合金成品。

32、作为优选：所述第一次精炼的温度为700-720℃。

33、通过采用上述技术方案，随着温度的提高到700-720℃镁合金非基面滑移系开动变形协调能力增强；同时晶界处原子的扩散能力增强使得塞积的位错通过攀移来缓解，使得镁合金在高温下发生软化伸长率得到提高。

34、作为优选：所述第二次精炼的温度为750-800℃。

35、通过采用上述技术方案，随着温度的提高到750-800℃，晶粒尺寸的不断减小，材料在塑性变形中应变硬化逐渐减少，取而代之的是晶界滑动和孪生逐渐增多，进一步促进滑移的发生。此外，孪生对应力集中比较敏感，所以在较低的温度下容易沿孪晶形成裂纹，但随着温度的升高，裂纹产生的倾向降低，镁合金的伸长率进一步得到提高。

36、作为优选：所述步骤s2还包括在第一次精炼时加入稀土元素细化剂，在合金液中熔解后，搅拌保温5-25min。

37、镁合金将晶粒组织细化后可以提高力学性能，如强度、塑性、韧性等，还可以提高轧制、拉伸的可成形性。

38、通过采用上述技术方案，在第一次精炼时加入稀土元素细化剂，能与氧、硫等杂质元素有较强的结合力，抑制了这些杂质元素引起的组织疏松。在熔炼过程中，稀土元素能与水气和镁液中的氢反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物以除去氢气，减少气孔、针孔及缩松等铸造缺陷，提高了铸件质量，减少了在摩擦过程中裂纹源的产生，提高了镁合金的质量，进一步提高了镁合金的延伸率。

39、作为优选：所述步骤s3第二次精炼时还加入含碳化合物变质剂进行变质处理，在合金液中熔解后，搅拌保温5-25min；

40、所述含碳化合物变质剂为六氯乙烷。

41、通过采用上述技术方案，向金属液内添加变质剂，可以促进金属液生核或改变晶体生长过程。在第二次精炼时加入含碳化合物变质剂六氯乙烷(c2cl6)，在镁合金铸件中形成了al-c-o化合物质点来充当晶核的核心，反应较快，使熔炼时间缩短，生长的晶粒小；而且在c2cl6遇镁合金后分解，产生c2cl4和cl2以气泡上浮时，c2cl6作为含碳变质剂在镁合金熔炼中，可以同时达到除气和细化晶粒的双重效果。减少了熔体中的氢含量，使熔体补缩疏松时的阻力减少，减少了疏松的出现，细化晶粒，提高镁合金的延伸率。

42、作为优选：所述镁元素来源于镁锭；所述变质剂与用量为镁锭重量的0.03-0.1％。

43、通过采用上述技术方案，控制含碳化合物变质剂与用量为镁锭重量的0.03-0.1％，可以进一步提高镁合金的延伸率。

44、作为优选：所述稀土元素细化剂的用量为镁锭重量的0.3-1％。

45、通过采用上述技术方案，控制稀土元素细化剂的用量为镁锭重量的0.3-1％，可以进一步提高镁合金的延伸率。

46、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

47、(1)本技术通过调节各原料的种类和用量，使制备得到的镁合金具有较高的力学性能，提高了镁合金的延伸率，得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率最高分别为236.76mpa、137.76mpa和12.87％。

48、(2)本技术通过对合金元素的调整，进一步提高了镁合金的延伸率，使得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为225.63mpa、126.60mpa和11.71％。

49、(3)本技术通过控制第一次精炼的温度，提高了镁合金的延伸率，使得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为226.87mpa、127.84mpa和11.84％。

50、(4)本技术通过控制第二次精炼的温度，提高了镁合金的延伸率，使得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为229.34mpa、130.32mpa和12.10％。

51、(5)本技术通过在在第一次精炼时加入稀土元素细化剂并调节其用量，进一步提高了镁合金的延伸率，使得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为233.05mpa、134.04mpa和12.48％。

52、(6)本技术通过在在第二次精炼时含碳化合物变质剂六氯乙烷并调节其用量，进一步提高了镁合金的延伸率，使得到的镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为236.76mpa、137.76mpa和12.87％。