CN103290285A

CN103290285A - 一种镁-锌-锰-锡-钇合金及其制备方法

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Publication number: CN103290285A
Application number: CN2013101951194A
Authority: CN
Inventors: 张丁非; 潘复生; 胡光山; 谌夏; 董井忍; 柴森森; 余大亮; 郭非; 蒋璐瑶
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103290285B

Abstract

本发明公开了一种镁-锌-锰-锡-钇合金及其制备方法，所述镁-锌-锰-锡-钇合金各组分质量百分含量为：Zn：2-8%，Mn：0.1-3%，Sn：1-6%，Y：0.1-4%，不可避免杂质≤0.15%，其余为镁；所述制备方法包括以下步骤：首先将选取的原材料置于真空感应炉内熔炼并用水冷方式冷却，然后车皮机加工熔炼合金到适合尺寸，接着退火处理加工后的合金，最后将上述退火合金挤压成棒材。本发明合金中含有少量的稀土钇，熔炼及热加工时可以细化晶粒，从而提高合金的综合力学性能；加入钇后可以提高合金的热机械加工温度，减少热机械加工变形抗力，提高加工效率。本发明镁合金制备工艺简单，对生产设备要求低。

Description

一种镁-锌-锰-锡-钇合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强度镁-锌-锰-锡-钇合金系镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的商用金属结构材料，常用镁合金的密度约为铝合金的2/3，钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比，镁合金具有比强度、比刚度高了，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等优点，在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称为21世纪的绿色工程材料。特别是结构轻量化技术以及环保问题的需求更加刺激了镁合金工业的发展。因此，镁及镁合金材料的研究愈来愈受到关注。

根据镁合金的成型工艺，镁合金可以分为铸造镁合金，变形镁合金以及其他镁合金。变形镁合金材料通过挤压、锻造、轧制等变形工艺加工后，具有更高的强度、更好的延展性，更能满足多样化的需求。常用变形镁合金有Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-RE系。Mg-Al-Zn系镁合金具有中等强度，但塑性和高温性能较差。Mg-Zn-RE系镁合金具有良好的强度以及塑性，并且具有优良高温性能，RE元素价格昂贵，大幅度提高了Mg-Zn-RE系镁合金的生产成本。因此，发展新的成本较低，综合力学性能优良的变形镁合金材料，对镁合金在未来广泛应用具有重大的意义。

齐福刚等研发的镁-锌-锰-锡系(专利申请号201110186910.X)和镁-锌-锰-钇系(专利申请号201110150964.0)镁合金挤压态强度高，但是其断后伸长率较低，低于11%，限制了使用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有优良的综合力学性能，并且生产成本低的镁合金。

本发明公开了一种镁-锌-锰-锡-钇合金，该合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：2-8%；

Mn：0.1-3%；

Sn:1-6%；

Y：0.1-4.0%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步，所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：5.0-6.3%；

Mn：0.6-1.1%；

Sn:2-4.4%；

Y：0.1-1.3%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步，所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：5.7%；

Mn：0.9%；

Sn:4.4%；

Y：0.5%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

一种制备上述镁-锌-锰-锡-钇合金的方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照上述配方选取原材料，然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀，最后用水冷方式冷却所得熔液；

2)机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层；

3)均匀化处理：加热步骤2）所得合金至410-430℃，并在此温度保温10-14小时，其中加热时间为380-400分钟；

4)挤压加工：在挤压机上挤压步骤3）所得合金并快速冷却，其中加工时合金坯料温度为350-370℃。

本发明的有益效果在于：1）本发明的镁合金添加了稀土元素钇，钇与合金中的锌、锡、镁形成高热稳定性的Mg-Zn-Y及Mg-Sn-Y相；该相弥散分布在基体上，在变形过程中可以钉扎晶界的移动，阻碍位错的滑移和攀移，抑制再结晶晶粒长大，从而显著的细化晶粒，提高合金的综合力学性能。2）本发明镁合金中存在高熔点、高热稳定性的Mg2Sn、Mg-Zn-Y和Mg-Sn-Y相，该相能够提高合金的局部熔化温度，使合金可以在更高的温度下进行热机械加工，从而减少热机械加工变形抗力，提高加工效率。3）本发明镁合金制备工艺简单，对生产设备要求低，生产成本低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为实施例3、4、5镁合金的X-射线衍射谱。

图2为实施例3的镁合金铸态组织金相照片；

图3为实施例4的镁合金铸态组织金相照片；

图4为实施例5的镁合金铸态组织金相照片；

图5为实施例3的挤压态镁合金扫描电子显微镜照片；

图6为实施例4的挤压态镁合金扫描电子显微镜照片；

图7为实施例3的挤压态镁合金拉伸断口形貌及扫描电镜背散射电子像；

图8为实施例4的挤压态镁合金拉伸断口形貌及扫描电镜背散射电子像；

图9为实施例5的挤压态镁合金拉伸断口形貌及扫描电镜背散射电子像。

具体实施方式

下面用具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例中的百分比均为质量百分比。

实施例1

本实施例中制备镁-锌-锰-锡-钇合金的方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照表1实施例1的配方选取原材料，其中原材料为工业纯镁、工业纯锌、工业纯锡、Mg-30%Y中间合金和Mg-5%Mn中间合金；然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼，当全部溶化后搅拌2-5分钟，使成分均匀；最后关闭感应炉，取出坩埚并用水冷方式冷却。

2)机加工：车削加工去除步骤1）所得合金表面的氧化层，并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工；

3)均匀化处理：随炉加热步骤2）所得合金至420℃，并在此温度保温12小时进行均匀化化退火，其中升温时间为390分钟；

4)挤压加工：在挤压机将步骤3）所得合金挤压成棒材并快速冷却，其中挤压加工时主要工艺参数见表2。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例2的配方相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例3的配方相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例4的配方相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例5的配方相同。

表1本发明实施例中镁合金的化学组成

实施例	Mg（%）	Zn（%）	Mn（%）	Sn（%）	Y（%）	杂质总量（%）
							实施例1	91.05	5.12	0.62	3.07	0.11	≤0.15
实施例2	90.99	5.02	0.61	2.90	0.45	≤0.15
							实施例3	88.52	5.67	0.90	4.38	0.50	≤0.15
实施例4	88.39	6.21	0.97	3.45	0.97	≤0.15
							实施例5	90.11	5.50	1.03	2.09	1.26	≤0.15

表2本发明镁合金挤压加工参数

下面结合实验数据对实施例1-5的制备方法相同、配比不同的镁-锌-锰-锡-钇合金的性能进行分析。

1、微观组织表征

（1）、取实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钇合金样品用X-射线衍射进行物相分析。

图1为实施例3、4、5的镁-锌-锰-锡-钇铸态合金的X-射线衍射图谱，从图中可以看到，合金中相组成主要为α-Mg、MgZn₂、Mg₂Sn、Mg-Sn-Y和Mg₁₂ZnY相。

（2）、取实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钇合金样品，用金相显微镜进行金相分析。

图2～4分别是实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钇合金的金相照片，从中可以看出：在铸造过程中，由于非平衡凝固形成枝晶偏析，使得铸锭的化学成分和组织不均匀；因此，有必要对铸态合金进行均匀化退火处理，改善其的化学成分和组织的不均匀性。添加钇元素后，合金的铸态枝晶得到细化，随着钇元素添加量的增加，铸态枝晶间进一步偏析，从图4中可以看出，枝晶间出现了块状析出物，可进一步提高合金的强度。

（3）、取实施例3、4的挤压态镁-锌-锰-锡-钇合金样品，用扫描电子显微镜（型号为TESCANVEGAⅡ）进行微观组织形貌分析。

图5～6分别是编号为实施例3、4的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钇合金样品的扫描电子显微镜照片，从中可以看出：随着钇元素添加量的增加，挤压态合金析出相含量也增加，析出相主要为MgZn₂、Mg₂Sn、Mg₁₂ZnYh和Mg-Sn-Y三元相。Mg₂Sn、Mg₁₂ZnYh和Mg-Sn-Y相熔点高，热稳定性好，弥散的分布在在晶界和晶内，对晶界和位错的滑移产生钉扎作用，细化动态再结晶晶粒，提高材料的综合力学性能。

2、力学性能测试

根据国标GB228-2002的标准，将本发明实施例1-5的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钇合金样品加工成标准拉伸试样进行拉伸试样，拉伸样品为圆棒状，试样圆棒的轴线方向与材料的挤压流线方向相同，得出本发明所述镁合金的力学性能数据（见表3）。

表3本发明所述镁合金挤压棒材力学性能

实施例	屈服强度（MPa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）
				实施例1	258	342	12.2
实施例2	246	325	10.4
				实施例3	260	350	18.3
实施例4	252	335	17.3
				实施例5	251	335	13.7

从表三可以看到，本发明实施例1-5的镁合金屈服强度和抗拉强度值较高，并且延伸率也较高，具有优良的综合力学性能。

取AZ31、ZM61-2.0Y、ZK60和ZMT614型镁合金作为本发明对比组，AZ31、ZM61-2.0Y、ZK60和ZMT614型镁合金力学性能数据（见表4），表中ZMT614-0.5Y镁合金即为实施例3的镁合金。

表4对比组镁合金挤压棒材的室温力学性能

合金	屈服强度（MPa）	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
				AZ31	200	270	12.0
ZM61-2.0Y	267	327	8.20
				ZK60	230	320	11.0
ZMT614	255	324	10.7
				ZMT614-0.5Y	260	350	18.3

从表4中可以得出，本发明实施例3的ZMT614-0.5Y合金与ZMT614合金相比，抗拉强度提高了11.0%；与AZ31合金相比抗拉强度提高了29.6%，屈服强度提高30.0%。与ZK60镁合金相比，屈服强度提高了13.0%；与ZM61-2.0Y合金相比，延伸率提高了123%。因此，本合金材料综合力学性能好，可替代ZK60应用于对材料性能要求较高的领域，具有较高的商用价值。

图7～9分别是实施例3、4、5的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钇合金样品断口形貌及背散射电子图，由断口形貌图可以看出：本发明的镁合金材料断口主要有解离面、韧窝、和凸起颗粒组成，说明合金断裂的方式为韧性断裂；随着Y元素添加量的增加，合金断口的韧窝减少，凸起颗粒增多，合金的抗拉强度和屈服强度得到了提高。从背散射电子图可以看到主要分布在挤压流线上的MgZn₂、Mg₂Sn和Mg-Sn-Y化合物相，该相能够提高合金的局部熔化温度，使合金可以在更高的温度下进行热机械加工，从而减少热机械加工变形抗力，提高加工效率。

本发明的镁合金添加了稀土元素钇，钇与合金中的锌、锡、镁形成高热稳定性的Mg-Zn-Y及Mg-Sn-Y相；该相弥散分布在基体上，在变形过程中可以钉扎晶界的移动，阻碍位错的滑移和攀移，抑制再结晶晶粒长大，从而显著的细化晶粒，提高合金的综合力学性能。另外，本发明镁合金中存在高熔点、高热稳定性的Mg₂Sn、Mg-Zn-Y和Mg-Sn-Y相，该相能够提高合金的局部熔化温度，使合金可以在更高的温度下进行热机械加工，从而减少热机械加工变形抗力，提高加工效率。本发明镁合金制备工艺简单，对生产设备要求低，具有较高的工业使用价值。

最后，需要指出的是，本实施例只是用于说明本发明而非限制，事实上，当镁-锌-锰-锡-钇合金各组分质量百分含量分别为：Zn：2-8%；Mn：0.1-3%；Sn:1-6%；Y：0.1-4.0%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁时，合金都具有较好的综合力学性能，仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种镁-锌-锰-锡-钇合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：2-8%；

Mn：0.1-3%；

Sn：1-6%；

Y：0.1-4.0%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

2.一种如权利要求1所述镁-锌-锰-锡-钇合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：5.0-6.3%；

Mn：0.6-1.1%；

Sn：2-4.4%；

Y：0.1-1.3%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

3.一种如权利要求1所述镁-锌-锰-锡-钇合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Zn：5.7%；

Mn：0.9%；

Sn：4.4%；

Y：0.5%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

4.一种制备如权利要求1所述镁-锌-锰-锡-钇合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2)机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层；

4)挤压加工：挤压加工步骤3）所得合金并快速冷却，加工时合金温度为350-370℃。