一种低成本非稀土型高强镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属材料和金属材料加工领域，特别涉及一种低成本非稀土型高强镁 合金及其制备方法；该新型镁合金可作为潜在的耐热镁合金及生物医用镁合金材料。
【背景技术】
[0002] 镁密度约为1. 74g/cm3,是铝合金的2/3,钢铁的1/4。镁及镁合金具有资源丰富、 节约能源、环境友好的三大优势。与其他金属结构材料相比，镁合金是最轻的商用金属结 构材料，具有比强度比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，可回收等优 点，在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之 后发展起来的轻量化金属结构材料，同时也有被开发成生物医用材料和电池功能材料的前 景，被誉为本世纪的绿色工程材料。
[0003] 但是，绝对强度较低，耐蚀性差，室温成形能力差等原因大大限制了镁及其合金作 为新型绿色材料的应用。目前大量使用的商用AZ系镁合金和ZK系镁合金经变形后的强度 也一般不超过350MPa，难以满足高性能结构材料等的使用要求。因此，开发高强度镁合金对 拓展镁合金的应用领域具有重要意义。
[0004] 近年来，随着对交通运输工具轻量化要求的日益迫切，已有大量研究工作通过各 种方法来制备高强镁合金，包括添加大量稀土元素，采用粉末冶金或大塑形变形等特殊加 工方法。国内逐渐有一些高强镁合金被陆续开发出来，如中国专利公开号为CN103290292A 公开了一种高强镁合金，其屈服强度可以达到350~380MPa，抗拉强度为410~450MPa，延 伸率在6%以上，各组分质量百分含量为Cd 1.0~15wt%，Bi 2.0~10.0wt%，Zn 5.0~ 13wt%，Y 7. 0 ~15. Owt%，Zr 0? 4 ~1. Owt%，Nb 0? 1 ~5. Owt%，杂质元素 Si、Fe、Cu、 和Ni的总量小于0. 02wt %，因合金元素种类较多且稀土含量高，不可避免增加合金成本， 同时为保证混合均匀，需额外采用电磁搅拌连续铸造的方法制备合金锭坯料，变形后对合 金进行热处理进一步提高了合金成本。中国专利公开号CN1924054公开了一种新型高强镁 合金，该镁合金用重量百分含量为3~20 %的W14AlsjP 80~97 %的Mg粉末复合，通过半 固态流变锻压技术制备高强镁合金，其抗拉强度在305~492MPa之间，工艺比较复杂。中 国专利公开号CN101892445A公开一种高强镁合金，其合金成分为Gd 6~13wt%，Y 2~ 6wt%，Zr 0? 3~0? 8wt%，其抗拉强度大于600MPa，屈服强度大于540MPa，延伸率大于 1 %，但其需要采用非常规大塑性变形方法，且需进行20~100h的等温时效处理，制备工艺 过程对生产条件要求较高，且含有大量稀土元素，这些都直接或间接增加了合金成本。
[0005] 由此可见，为了更好地满足消费电子、汽车等行业对高强镁合金低成本、易加工、 高性能的要求，迫切需要开发出能够运用简单可连续的生产加工过程制备不含稀土的低成 本超高强度镁合金材料，这也将极大地拓展镁合金在未来进一步的推广应用，具有重大的 经济和社会意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的为针对现有高强镁合金存在的大量使用多种稀土元素或高价合金 元素导致成本过高，或是为了提高强度而采用特殊变形加工工艺以至难以实现大批量商业 化生产等问题，提供一种低成本非稀土型高强镁合金及其制备方法。该合金为一种新型的 Mg-Bi-Ca-Mn合金，在这个合金系中，用极其简单的加工手段，就可以得到超高强度的变形 镁合金，其屈服强度达到390MPa以上，具有优良的综合力学性能，同时原材料及加工成本 低廉，易实现大批量生产。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种低成本非稀土型高强镁合金，该合金为Mg-Bi-Ca-Mn镁合金，其化学成分质 量百分比为：Bi 2~10.0 wt%，Ca 0? 1~1. 5wt%，Mn 0? 1~1. Owt%，其余为镁及不可避 免的杂质。
[0009] 所述的低成本非稀土型高强镁合金的制备方法，包括以下步骤：
[0010] 1)纯Mg锭、纯Bi块、Mg-Ca中间合金以及Mg-Mn中间合金为原料，经表面预处理 后，按所述的镁合金成份的质量百分比各自备料；
[0011] 2)将纯Mg锭放入熔炼炉的坩埚中，设定炉温710~760°C并保持，待其融化后，依 次将预热到200~250°C的纯Bi块、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金加入到镁熔液中；保 温5~15分钟，然后搅拌5~10分钟，再保温5~10分钟；最后采用金属模铸造或半连续 铸造，制备成合金铸徒；
[0012] 合金的熔化、搅拌、静置和铸造是在〇)2和SF 6的混合气体保护下进行的；
[0013] 3)将上步得到的合金铸锭在氩气保护下进行固溶处理，固溶处理温度为480~ 530°C，时间为4~48小时；
[0014] 4)将上步得到的固溶处理后铸锭切割成相应的坯料并去皮；
[0015] 5)将上步得到的坯料在30分钟之内加热到200~450°C后，放入模具中进行变形 处理，挤压变形速度为0. 1~30m/min，挤压比为10~50 ;变形加工后进行空冷，最后得到 所述的低成本非稀土型高强镁合金材料；
[0016] 所述的变形处理可以为挤压、乳制和锻造中的一种或多种。
[0017] 所述的0)2和SF 6的混合气体的组成为体积比为CO 2:SF 6= 50~100 :1。
[0018] 所述的模具为用于成形棒、板、管、线或型材的模具。
[0019] 所述的步骤2)中的搅拌为机械搅拌或吹氩气搅拌。
[0020] 所述的Mg-Ca中间合金优选为Mg-20Ca中间合金；Mg-Mn中间合金优选为Mg-5Mn 中间合金。
[0021] 本发明的实质性特点为：
[0022] 镁合金的强度与合金中晶粒大小，第二相的种类，尺寸，数量，分布密切相关。通过 晶粒细化，不仅能够提高强度，还可同时改善塑性，可获得更为优异的综合性能。高强度镁 合金需要控制并得到细小的晶粒组织，一般通过在热变形过程中发生动态再结晶达到。在 挤压等热加工过程中，铸造过程中形成的铸造缺陷会在很大程度上被减轻，粗大的第二相 会被破碎细化，并且弥散分布于镁合金基体当中，进一步提高合金的力学性能。动态再结晶 晶粒的长大若受到抑制，则易于获得细小晶粒。
[0023] 本发明的镁合金以Bi为主要合金化元素，Bi与合金中的Mg能原位形成高热稳定 性的Mg 3Bijg。在挤压过程中未被固溶的该第二相会被破碎成微米级颗粒后弥散分布在基 体上，与热变形过程中动态析出的纳米级弥散均匀分布的Mg3Bi2相共同作用，可有效钉扎 晶界，阻碍位错的运动，抑制再结晶晶粒长大，提高合金的综合力学性能；本发明合金熔炼 时比较均匀稳定，由于主合金化元素Bi的熔点（271. 3°C )较低，很容易使合金熔体均匀，同 时由于有Ca元素在镁合金中具有较好的阻燃作用，熔体也较稳定。同时微量Mn元素可通 过形成Fe-Mn化合物来降低合金中铁的含量，从而改善合金中杂质元素的有害作用。合金 经固溶、挤压成形后，室温（25°C )下拉伸屈服强度大于390MPa。
[0024] 该新型高强镁合金不添加任何稀土元素和高价合金元素，成本低廉。可作为交通 运输、航空航天、计算机、通讯和消费类电子产品的零部件材料使用。同时该镁合金的组成 元素中不存在对人体有害的元素，还具有作为潜在的生物医用材料的应用前景。
[0025] 与现有技术相比，本发明的显著进步与优点如下：
[0026] 1)本发明的新型镁合金以Mg-Bi二元合金系列为基础，将Bi元素作为主要合金 化元素，并通过简单的合金化手段，用Ca元素和Mn元素对该第二