CN108559898B - 一种低成本高强韧变形镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低成本高强韧变形镁合金，由Zn、Y、Nd、La、Mn、Mg和不可避免的杂质组成，其中Y、Nd和La质量百分比总和不大于总质量分数的2.5%。本发明使用Y、Nd和La三种特定的稀土元素，且控制稀土元素总量的质量百分比总和不大于镁合金总质量分数的2.5%，再结合Zn、Mn和Mg，通过多元合金化，以元素间的相互影响降低彼此在基体中的固溶度，提高了稀土元素的收得率和利用效率，在较少稀土添加量下明显提高合金的强化效果，使合金具有高强度和高韧性，室温抗拉强度≥420MPa，断后伸长率≥7%。本发明制备方法简单，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种低成本高强韧变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有低密度、高比强度、较低的刚性、较大的冲击功吸收、容易切削加工以及易回收利用等优点，目前在汽车、航空航天、电子等领域得到日益广泛的应用，被认为是一种有效减轻质量、节约能源、环境友好、有利于可持续发展的理想材料。随着镁合金应用范围的扩大，相关行业对镁合金的需求日益增大。尽管镁合金具有明显的轻量化优势，但是其低强度的特性严重制约了应用范围。为了提高镁合金的强度，在合金元素的选择上行业内普遍通过添加大量的稀土元素来获得高强镁合金。中国专利CN101463441A（含稀土高强度耐热镁合金及其制备方法）的高强镁合金的成分为：3%≤Y≤16%、0%≤GD≤10%、0.3%≤CA≤5%、0.1≤ZR≤1.5%，其余为MG和杂质；经热处理后，其300℃时的瞬时极限抗拉伸强度为262MPa。中国专利CN102732763A（一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金），其制备的高强镁合金的成分为：8.2≤Gd≤10.2，5≤Y≤6，0.5≤Zn≤4，0.5≤Mn≤0.8，余量为镁和不可避免的杂质；经变形和热处理后，合金的室温强度达到496MPa以上。中国专利CN105525179A（一种稀土镁合金大尺寸锻件的制备方法），其所述的高强镁合金的成分为：7.5≤Gd≤9.5，3.5≤Y≤5.0，1.0≤Zn≤1.5，0.3≤Mn≤0.6，杂质≤0.13%余量为镁；经变形和热处理后，锻件的室温强度达到430MPa。张磊等人的文章《Mg-15Gd-3Y挤压合金的时效强化》（中国有色金属学报，2010,20（4）：600-605）通过对Mg-15Gd-3Y合金挤压时效后其室温抗拉伸强度达到446.67 MPa。肖阳等人的文章《高强耐热Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的性能》（中南大学学报，2006,37（5）：851-855）所制备的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金室温抗拉伸强度为370 MPa。上述所述的的高强镁合金都采用较高含量的稀土元素，稀土元素不仅成本高，将导致镁合金的成本大幅提高，而且比重也大，不能充分发挥镁合金的轻量化优势，不能满足大规模工业化生产的要求。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，拓宽镁合金的应用范围，本发明的第一目的在于提供一种镁合金，该镁合金稀土含量低，塑性成形性能好，成本低，性能优良。
本发明是通过以下方式实现：
一种镁合金，由Zn、Y、Nd、La、Mn、Mg和不可避免的杂质组成，其特征在于：所述Y、Nd和La质量百分比总和不大于总质量分数的2.5%。
在一个实施方案中，本发明镁合金中所述Zn元素质量百分比为总质量分数的5.5-6.5%。
在一个实施方案中，本发明镁合金中所述Mn元素质量百分比为总质量分数的0.5-0.8%。
在一个实施方案中，本发明镁合金中所述Y元素质量百分比为总质量分数的0.7-1.4%；所述Nd元素质量百分比为总质量分数的0.2-1.0%；所述La元素质量百分比为总质量分数的0.2-1.0%。
在一个实施方案中，本发明镁合金，按照质量百分比，由以下各组分组成：Zn：5.5-6.5%，Y：0.7-1.4%，Nd：0.2-1.0%，La：0.2-1.0%，Mn：0.5-0.8%，余量为Mg和不可避免的杂质，且组分组成中稀土元素Y、Nd和La质量百分比总和不大于总质量分数的2.5%。
本发明的另一目的在于提供一种上述镁合金的制备方法。本发明镁合金的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）将Mg与Zn加入坩埚中，用RJ-2溶剂保护，待Mg与Zn完全熔化后，在溶体温度750℃~760℃之间加入氯化锰，待温度升高到780℃~800℃时加入Mg-30La、Mg-30Nd和Mg-30Y中间合金，待完全熔化后，吹Ar气15~30min纯净化处理，在此过程中加入RJ-6溶剂搅拌，然后静置10min~20min后进行炉前成分取样，成分合格后，封闭坩埚静置，并设定溶体在670℃~680℃保温，待温度降到670℃~680℃时，进行半连续浇铸，得到镁合金铸锭；
（2）将半连续铸坯车去外皮，在380℃~410℃保温8h~14h进行均匀化处理，均匀化处理完成后空冷；
（3）将均匀化完后的铸锭在350℃~410℃下保温3h~6h后进行挤压，挤压比大于4，挤压完成后强风冷却；
（4）根据零件形状，在挤压棒上切取坯料，将坯料在300℃~410℃下加热保温3h~6h后，使用锻造工艺制得成形件；
（5）将镁合金成形件在140℃~180℃下保温16h~28h进行时效处理。
有益效果：
不意图为任何理论所束缚，尽管通过添加大量的稀土元素可以获得高强镁合金，但是稀土元素不仅成本高，而且比重大，在增加镁合金成本的基础上还降低了镁合金的轻量化优势，从而不能满足大规模工业化生产的要求。本发明人进行了大量实验，并且出人意料地发现，使用Y、Nd和La三种特定的稀土元素，且控制稀土元素总量的质量百分比总和不大于镁合金总质量分数的2.5%，再结合Zn、Mn和Mg，通过多元合金化，以元素间的相互影响降低彼此在基体中的固溶度，提高了稀土元素的收得率和利用效率，在较少稀土添加量下明显提高合金的强化效果，使合金具有高强度和高韧性，室温抗拉强度≥420MPa，断后伸长率≥7%；从而制得可替代目前使用广泛的2A12等铝合金的镁合金，极大的扩大镁合金的应用范围。本发明的镁合金稀土总含量少，添加稀土总含量＜2.5%，制备成本低，同时压力加工成形性能好，可以生产的产品类型多，应用范围广，可大规模工业生产。本发明制备方法简单，适合工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。本发明中，所述不可避免的杂质为原料中的杂质或制备过程中引入的杂质，如Si、Fe、Cu、Ni等，其中Si≤0.05，Fe≤0.05，Cu≤0.05，Ni≤0.005；相应杂质可参考标准 GB/T 5153-2003 变形镁及镁合金牌号和化学成分。本发明所有原料及试剂均为市售产品。
实施例1
镁合金组分质量百分比为：Zn：6.1%，Y：1.0%，Nd：0.5%，La：0.4%，Mn：0.5%，余量为Mg，且组分组成中Y、Nd和La质量百分比总和为总质量分数的1.9%。
制备过程：
（1）将预热的纯Mg与纯Zn加入低碳钢质坩埚中，并用2#溶剂进行保护，待纯Mg与纯Zn完全熔化后，在溶体温度757℃加入氯化锰，待温度升高到792℃时分别加入Mg-30La、Mg-30Nd和Mg-30Y中间合金，待完全熔化后，吹Ar气16min进行纯净化处理，在此过程中加入6#溶剂进行搅拌，然后静置10min后进行炉前成分取样，成分合格，封闭坩埚静置，并设定溶体在676℃保温，待温度降到上述温度时，进行半连续浇铸，得到镁合金铸锭；
（2）将半连续铸坯车去外皮，在400℃保温12h进行均匀化处理，均匀化处理完成后空冷；
（3）将均匀化完后的铸锭在360℃下保温5h后进行挤压，挤压比为23，挤压完成后强风冷却；
（4）在挤压棒上切取坯料，将坯料在350℃下加热保温3h后，使用锻造工艺制得成形件；
（5）将镁合金成形件在170℃下保温18h进行时效处理。
使用GBT228.1-2010 金属材料 拉伸试验第1部分 室温试验方法测定本实施例所得的高强镁合金的性能，实施例1制备的高强镁合金室温抗拉强度为436MPa，断后伸长率9.0%。
实施例2
镁合金组分质量百分比为：Zn：6.4%，Y：0.9%，Nd：0.6%，La：0.6%，Mn：0.6%，余量为Mg，组分组成中Y、Nd和La质量百分比总和为总质量分数的2.1%。
制备过程：
（1）将预热的纯Mg与纯Zn加入低碳钢质坩埚中，并用2#溶剂进行保护，待纯Mg与纯Zn完全熔化后，在溶体温度750℃加入氯化锰，待温度升高到780℃时分别加入Mg-30La、Mg-30Nd和Mg-30Y中间合金，待完全熔化后，吹Ar气25min进行纯净化处理，在此过程中加入6#溶剂进行搅拌，然后静置20min后进行炉前成分取样，成分合格，封闭坩埚静置，并设定溶体在670℃保温，待温度降到上述温度区间时，进行半连续浇铸，得到镁合金铸锭；
（2）将半连续铸坯车去外皮，在410℃保温9h进行均匀化处理，均匀化处理完成后空冷；
（3）将均匀化完后的铸锭在390℃下保温4h后进行挤压，挤压比15，挤压完成后强风冷却；
（4）根据零件形状，在挤压棒上切取坯料，将坯料在330℃下加热保温4h后，使用锻造工艺制得成形件；
（5）将镁合金成形件在180℃下保温16h进行时效处理。
使用GBT228.1-2010 金属材料 拉伸试验第1部分 室温试验方法测定本实施例所得的高强镁合金的性能，实施例2制备的高强镁合金室温抗拉强度为427MPa，断后伸长率8.0%。
实施例3
镁合金组分质量百分比为：Zn：6.1%，Y：0.8%，Nd：0.7%，La：0.6%，Mn：0.5%，余量为Mg，且组分组成中Y、Nd和La质量百分比总和为总质量分数的2.1%。
制备过程：
（1）将预热的纯Mg与纯Zn加入低碳钢质坩埚中，并用2#溶剂进行保护，待纯Mg与纯Zn完全熔化后，在溶体温度750℃加入氯化锰，待温度升高到800℃时分别加入Mg-30La、Mg-30Nd和Mg-30Y中间合金，待完全熔化后，吹Ar气20min进行纯净化处理，在此过程中加入6#溶剂进行搅拌，然后静置18min后进行炉前成分取样，成分合格，封闭坩埚静置，并设定溶体在680℃保温，待温度降到上述温度时，进行半连续浇铸，得到镁合金铸锭；
（2）将半连续铸坯车去外皮，在380℃保温14h进行均匀化处理，均匀化处理完成后空冷；
（3）将均匀化完后的铸锭在390℃下保温3h后进行挤压，挤压比为19，挤压完成后强风冷却；
（4）在挤压棒上切取坯料，将坯料在330℃下加热保温3h后，使用锻造工艺制得成形件；
（5）将镁合金成形件在150℃下保温28h进行时效处理。
使用GBT228.1-2010 金属材料 拉伸试验第1部分 室温试验方法测定本实施例所得的高强镁合金的性能，实施例3制备的高强镁合金室温抗拉强度为439MPa，断后伸长率10%。
Claims (2)
1.一种镁合金，由Zn、Y、Nd、La、Mn、Mg和不可避免的杂质组成，其特征在于：所述镁合金按照质量百分比，由以下各组分组成：Zn：5.5-6.5%，Y：0.7-1.4%，Nd：0.2-1.0%，La：0.2-1.0%，Mn：0.5-0.8%，余量为Mg和不可避免的杂质，且组分组成中稀土元素Y、Nd和La质量百分比总和为总质量分数的1.9-2.1%。
2.如权利要求1所述镁合金的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）将Mg与Zn加入坩埚中，用RJ-2溶剂保护，待Mg与Zn完全熔化后，在溶体温度750℃ ~760℃之间加入氯化锰，待温度升高到780℃ ~ 800℃时加入Mg-30La、Mg-30Nd和Mg-30Y中间合金，待完全熔化后，吹Ar气15 ~ 30min纯净化处理，在此过程中加入RJ-6溶剂搅拌，然后静置10min ~ 20min后进行炉前成分取样，成分合格后，封闭坩埚静置，并设定溶体在670℃ ~ 680℃保温，待温度降到670℃ ~ 680℃时，进行半连续浇铸，得到镁合金铸锭；
（2）将半连续铸坯车去外皮，在380℃ ~ 410℃保温8h ~ 14h进行均匀化处理，均匀化处理完成后空冷；
（3）将均匀化完后的铸锭在350℃ ~ 410℃下保温3h ~ 6h后进行挤压，挤压比大于4，挤压完成后强风冷却；
（4）根据零件形状，在挤压棒上切取坯料，将坯料在300℃ ~ 410℃下加热保温3h ~ 6h后，使用锻造工艺制得成形件；
（5）将镁合金成形件在140℃ ~ 180℃下保温16h ~ 28h进行时效处理。
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