一种高锌变形镁合金及其制备加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高锌变形镁合金及其制备方法，属于工业用变形镁合金范畴。
【背景技术】
[0002] 镁合金由于具有较小的密度，易于回收等特点，是二十一世纪航空航天科研生产 的重要备选材料。目前开发较为成熟的镁合金体系主要有AZ、AM及ZK合金，较好的成形 性能及较低的成本是发展上述合金体系的初衷，获得了市场的认可。不过，上述合金也存在 着明显的问题，就是耐热性能较差，这大大限制了其在高温条件下服役的能力。相对来说， 纯稀土合金的耐热性能较好，主要应用于军工领域，但是其成本较高，广泛应用的可能性较 小。
[0003] 铸造合金由于其存在气孔、夹杂等缺陷，不能作为大型承力构件使用。镁合金经过 变形后会发生明显的动态再结晶，晶粒尺寸明显减小，合金的综合性能明显提高，特别是稳 定性，铸造产生的一些常见的孔洞、缩松在变形过程中闭合，降低了合金发生失效的概率， 因此镁合金变形过程是镁合金未来发展的必然趋势。
[0004] 有研究表明，含Zn镁合金具有很好的塑性，主要原因在于Zn与Mg具有相同的晶 体结构，形成的Mg-Zn相在高温下软化，易于发生塑性变形，另外，由于其最大固溶度相对 较小，总合金元素含量也相对较少，合金的室温塑性及抗冲击性能也相对较高。张丁非等 人研究的Mg-Zn-Mn-Ce合金可以在很高的速率下进行挤压后，合金仍能具有很高的室温塑 性，由此可见，Mg-Zn系合金具有很大的发展潜力。但是，由于Mg-Zn合金的形成的第二相 耐高温能力较差，150°C以上就会软化，因此不能用作高温合金来进行使用。
[0005] 稀土元素是国家的宝贵资源，是不可再生的重要战略储备资源，同时也是国家未 来发展的必备资源。目前我国稀土的开发十分混乱，虽然国家大力打击黑稀土市场，但仍 有一些不法分子利用漏洞，期望大发横财，造成稀土开发的不规范，大量伴生稀土矿藏被浪 费。研究表明，稀土可以有效提高镁合金的性能，特别是高温力学性能，含稀土的镁合金是 一类重要的镁合金。目前应用开发较多的含稀土镁合金主要有Mg-Gd-Y系，Mg-Al-RE系， 以及Mg-Zn-RE系，这些含稀土的镁合金的开发为扩大镁合金的应用做出了重要贡献。但是 含稀土镁合金存在重要的缺陷就是其塑性相对较差，这主要是因为稀土相的稳定性造成了 位错的难于运动，晶界的迁移率下降，以及晶粒间的相互协调能力下降，限制了稀土镁合金 的抗冲击能力，最终导致合金在室温服役过程中容易发生脆性断裂。
【发明内容】
[0006] 综上可知，为了克服含稀土镁合金以及Mg-Zn合金的缺点，本发明提供了一种含 高Zn的稀土镁合金Mg-(8-12) Zn-(0. 5-1. 5) Ca-(0. 5-1. 0)ΜΜ。该镁合金在具有较高强度的 同时，也具有较好的塑性。
[0007] 一种高锌变形镁合金，其质量百分比组成为：Zn为8~12%，Ca为0. 5~1. 5%，丽 为0. 5~1. 0%，余量为Mg,其中，丽代表富Ce混合稀土，其质量份组成为Ce :48份，La :30 份，Nd :18 份，Pr :3 份。
[0008] 丽中杂质的质量含量约为1%,主要是Fe, Mn等。
[0009] 上述高锌变形镁合金中，其余杂质包括Fe, Mn, Ni, Si等，总含量小于0.1 wt. %。各 个元素的收得率均按照100%计入。
[0010] 本发明还提供了以下几种高锌变形镁合金的制备和后续加工、热处理方法。
[0011] 一种高锌变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0012] (1)合金熔炼
[0013] 按所述的镁合金成分的质量百分比进行备料，各合金元素均以纯金属形式加入； 各合金元素在预热炉中预热后，在熔炼炉中进行合金熔炼，同时在预热炉和熔炼炉中通入 保护气体，预热的温度为300°c~400°C，熔炼的温度为600°C~850°C ;至各合金元素完全 熔化后，加入超声设备以及搅拌装置，对熔液进行机械搅拌及超声处理；
[0014] (2)半固态挤压
[0015] 机械搅拌及超声处理完成后，将超声设备以及搅拌装置取出，熔液倒入半固态挤 压机的腔室内，将熔液降温至580°C~620°C，保温IOmin~20min，进行半固态挤压，得到直 径大于IOOmm的挤压棒材；
[0016] (3)均匀化处理
[0017] 棒料出炉温度为300°C ±10°C，将棒料放入预先升温好的均匀化热处理炉中，进 行均匀化处理；
[0018] (4)再变形
[0019] 均匀化处理后直接进行2~5次多向锻造，变形过程中不降温，保持温度在 400°C~430°C之间，每次锻造后均回炉保温30min~lOOmin，然后进行挤压、乳制或直接锻 造成形，最后一次变形后不回炉，直接进行冷却至室温；
[0020] 其中，所述冷却的介质包括空气、水、淬火油等，温度控制在室温。
[0021] (5)时效变形热处理
[0022] 将获得的材料进行二级时效热处理。
[0023] 另一种高锌变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0024] ( 1)合金熔炼
[0025] 按所述的镁合金成分的质量百分比进行备料，各合金元素均以纯金属形式加入； 各合金元素在预热炉中预热后，在熔炼炉中进行合金熔炼，同时在预热炉和熔炼炉中通入 保护气体，预热的温度为300°C~400°C，熔炼的温度为600°C~850°C ;至各合金元素完全 熔化后，加入超声设备以及搅拌装置，对熔液进行机械搅拌及超声处理；
[0026] (2)半固态挤压
[0027] 机械搅拌及超声处理完成后，将超声设备以及搅拌装置取出，熔液倒入半固态挤 压机的腔室内，将熔液降温至580°C~620°C，保温IOmin~20min，进行半固态挤压，得到直 径为50mm~IOOmm的挤压棒材；
[0028] (3)均匀化处理
[0029] 棒料出炉温度为300°C ±10°C，将棒料放入预先升温好的均匀化热处理炉中，进 行均匀化处理；
[0030] (4)再变形
[0031] 均匀化处理后直接挤压成形，挤压速度为6mm~10mm/min，挤压速度与挤压比呈 反比，挤压比控制量在4~25,挤压温度为均匀化温度，然后淬火冷却到室温；
[0032] (5)时效变形热处理
[0033] 将获得的材料进行三级时效热处理。
[0034] 再一种高锌变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0035] ( i )合金熔炼
[0036] 按所述的镁合金成分的质量百分比进行备料，各合金元素均以纯金属形式加入； 各合金元素在预热炉中预热后，在熔炼炉中进行合金熔炼，同时在预热炉和熔炼炉中通入 保护气体，预热的温度为300°C~400°C，熔炼的温度为600°C~850°C ;至各合金元素完全 熔化后，加入超声设备以及搅拌装置，对熔液进行机械搅拌及超声处理；
[0037] (ii)半固态挤压
[0038] 机械搅拌及超声处理完成后，将超声设备以及搅拌装置取出，熔液倒入半固态挤 压机的腔室内，将熔液降温至580°C~620°C，保温IOmin~20min，进行半固态挤压，得到直 径小于50mm的挤压棒材；
[0039] (iii)均匀化处理
[0040] 棒料出炉温度为300°C ±10°C，将棒料放入预先升温好的均匀化热处理炉中，进 行均匀化处理；
[0041] (iv)时效变形热处理
[0042] 将获得的材料进行二级时效热处理。
[0043] 在上述三种方法中，步骤（1)和步骤（i)，所述的预热炉为电阻炉，熔化炉为可控 温的中频电磁感应加热炉。所述的保护气体为氩气和134a (四氟乙烷，替代R-12制冷系 统）混合气体，二者体积比例约为20:1。
[0044] 各合金元素熔炼的具体步骤包括：首先将约占总量50%经预热后的纯镁锭放入 熔炼炉中，使其在保护气体的保护下完全熔化，然后加入剩余镁锭，整个过程将温度控制在 660°C~720°C，此状态下保持5min~lOmin，搅拌并撇除浮渣；再将预热过的Zn、Ca及丽 连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，直到完全溶解，保持熔炼温度在750~800°C。
[0045] 缓慢加入超声设备以及搅拌装置，让机械搅拌及超声处理同时作用于熔体。所述 的机械揽拌转速为10~60rad/min，超声功率为3kW~IOkW,作用时间为20min~50min， 期间熔体温度保持在750°C~800°C之间。
[0046] 步骤（2)和步骤（ii)中，挤压棒材的直径一般在IOmm~200mm之间，挤压机出口 速度在5mm~20mm/s，与直径呈正比。
[0047] 步骤（3)和步骤（iii)中，均匀化处理温度制度为：首先在320~350°C下处理 20~24h，然后升温至400°C~430°C之间，保温时间为8h~48h。
[0048] 步骤（5)和步骤（iv)中，所述的三级时效热处理为：首先在60~80°C下保温4h~ 6h，进行预拉伸处理，预拉伸量为1~5%，然后在90°C~120°C下进行12h~48h热处理，最 后升温至160°C~200°C，保温8h~12h，再空冷至室温。
[0049] 本发明的优点：
[0050] 经过上述处理后的Mg-Zn-Ca-MM系合金，具有较好的室温力学性能，经过固溶及 时效后的合金力学性能达到400~460MPa，同时合金的延伸率能达到7%~10%。另外合金 具有一定的耐高温性能，200°C短时断裂强度能达到200MPa以上。
【附图说明】
[0051] 图1-1和图1-2为本发明的物理场搅拌示意图，其中，图1-1为超声设备以及搅拌 装置，图1-2为俯视图。
[0052] 图2为多向锻造一道次变形方式示意图。
[0053] 主要附图标记：
[0054] 1 搅拌电机2超声电机