阅读说明：本技术 一种高塑性变形稀土镁合金及其制备方法 (High-plastic-deformation rare earth magnesium alloy and preparation method thereof ) 是由 房大庆 张晓茹 孙贵训 江中浩 丁向东 孙军 付伟 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高塑性变形稀土镁合金及其制备方法,该镁合金的重量百分比含量为：稀土元素：2.7～3.8％,Zn：0.2～3％,Mn：0.5～1.0％,余量为Mg,镁合金晶粒尺寸在7.5-8.5μm范围内,并且这些晶粒具有自由的晶粒取向,合金呈现弱织构,在塑性变形过程中可以高效发挥合金的应变协调作用,达到高塑性的特性；该镁合金的制备方法采用合理的加热熔化、半连续铸造、均匀化处理、挤压加工,在变形过程中发生完全动态再结晶,获得均匀细小的等轴晶组织,获得延伸率为31％～34％的高塑性变形稀土镁合金,该镁合金的成品率高,加工成型性好,易于实现产业化,本发明的高塑性变形稀土镁合金可以广泛应用在山地车、汽车、飞机及高铁等交通工具中的非承重件上。(The invention discloses a high plastic deformation rare earth magnesium alloy and a preparation method thereof, wherein the magnesium alloy comprises the following components in percentage by weight: rare earth elements: 2.7-3.8%, Zn: 0.2-3%, Mn: 0.5-1.0 percent of Mg, the balance being Mg, the grain size of the magnesium alloy is within the range of 7.5-8.5 mu m, the grains have free grain orientation, the alloy presents weak texture, the strain coordination effect of the alloy can be effectively exerted in the plastic deformation process, and the characteristic of high plasticity is achieved; the preparation method of the magnesium alloy adopts reasonable heating melting, semi-continuous casting, homogenization treatment and extrusion processing, complete dynamic recrystallization is generated in the deformation process, uniform and fine isometric crystal tissues are obtained, and the high-plasticity deformation rare earth magnesium alloy with the elongation of 31-34% is obtained.)

一种高塑性变形稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种高塑性变形稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

随着绿色环保越来越受到重视以及人们对舒适度需求的提升，镁合金作为一种新型轻质结构环保材料越来越引起专家学者及各大企业的广泛关注。镁合金具有密度低、比强度及比刚度高、以及优异的功能特性(比如导热性及减震性)，高塑性镁合金结构件用于山地车、汽车、飞机及高铁上，可以延缓塑性失稳，避免零部件的瞬间断裂造成人员伤亡或突发事故，可大幅度提升人员的舒适度和安全性。但是目前市场上的镁合金普遍存在滑移系少、塑性低的问题，往往限制其广泛使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高塑性变形稀土镁合金及其制备方法，该镁合金在塑性变形过程中可以高效发挥合金的应变协调作用，达到高塑性的特点；通过该镁合金的制备方法获得的镁合金的成品率高，加工成型性好，易于实现产业化，可以广泛应用在山地车、汽车、飞机及高铁等交通工具中的非承重结构件上。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种高塑性变形稀土镁合金，所述镁合金原料组成及其重量百分比含量为：

稀土元素：2.7～3.8％，Zn：0.2～3％，Mn：0.5～1.0％，余量为Mg。

优选地，所述稀土元素包括：

Y、Ce中的一种或两者的组合，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.2～2.8％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为0.5～1.0％。

本发明公开了一种制备上述高塑性变形稀土镁合金的方法，包括以下步骤：

步骤一：以镁锭、Zn锭、镁稀土中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按质量百分比进行称量备料；

步骤二：将步骤一中的镁锭先预热干燥，然后将镁锭加热熔化形成镁液，将预热的Zn锭、镁稀土中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮，400℃、10h条件下均匀化处理后进行挤压，得到高塑性变形稀土镁合金。

优选地，所述步骤一中质量百分比为：

稀土元素：2.7～3.8％，Zn：0.2～3％，Mn：0.5～1.0％，余量为Mg。

优选地，步骤一中所述镁稀土中间合金为Mg-25Y中间合金和Mg-20Ce中间合金中的组合。

优选地，所述镁稀土中间合金中Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.2～2.8％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为0.5～1.0％。

优选地，步骤二中所述熔炼工艺的温度控制在650～720℃，保温20～30min。

优选地，步骤三中所述挤压工艺的挤压温度控制在350～370℃，挤压速度为15～20mm/s，挤压比为10～12。

优选地，所述镁锭中镁的含量大于99.5wt％，所述Zn锭中Zn的含量大于99.5wt％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高塑性变形稀土镁合金，该镁合金采用Mg-RE-Zn系合金配方，通过混合价格相对低廉的重稀土元素Y和轻稀土元素Ce，调整稀土元素Y和Zn元素的比例，获得了具有高强度、高塑性的变形稀土镁合金；微量Mn元素的添加一方面可以去除有害杂质元素Fe，另一方面可以细化晶粒。

进一步地，通过组合轻重稀土元素，发挥轻重稀土元素在镁中的不同作用机理，Y作为重稀土元素的一种，具有较小的原子半径，在Mg中的固溶度较大，它可以固溶于Mg基体中减小镁晶体结构中的c/a轴比，从而减小其他滑移系的临界剪切应力，促进密排六方结构中更多滑移系的开动，提高塑性；Ce元素的加入可以改善合金的晶粒取向，弱化合金织构，使合金获得较大的塑性，Ce元素在Mg基体中的固溶度较小，它和未溶解的Y可以与Mg和Zn形成MgRE相或Mg-Zn-RE相，在变形过程中通过粒子激发形核机制促进动态再结晶的发生，有益于获得完全动态再结晶组织。通过高效发挥不同稀土元素的协同作用，得到镁合金晶粒尺寸在7.5-8.5μm范围内，并且这些晶粒具有自由的晶粒取向，在塑性变形过程中可以高效发挥合金的应变协调作用，达到高塑性的特性。

本发明还公开了一种高塑性变形稀土镁合金的制备方法，该方法通过合理的加热熔化、半连续铸造、均匀化处理和挤压加工工艺，在变形过程中发生完全动态再结晶，获得均匀细小的等轴晶组织，挤压温度设定为350℃-370℃，可以为动态再结晶过程提供较高的激活能，适当的挤压比和挤压速度有助于晶粒的碎化和再结晶的发生，获得一系列高塑性变形稀土镁合金，伸长率可达30％以上。

附图说明

图1a为实施例一镁合金的金相图；

图1b为实施例二镁合金的金相图；

图1c为实施例三镁合金的金相图；

图1d为对比例一镁合金的金相图；

图1e为对比例二镁合金的金相图；

图2a为实施例一镁合金的反极图；

图2b为实施例二镁合金的反极图；

图2c为实施例三镁合金的反极图；

图2d为对比例一镁合金的反极图；

图2e为对比例二镁合金的反极图；

图3为实施例和对比例镁合金的拉伸性能测试曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例中所述精炼剂原料组成及其重量百分比含量为：55％～60％的KCl、2％～5％的CaF₂，其余为BaCl₂，精炼剂的添加量为每1kg原料中添加75-125g。

实施例一

本实施例提供了一种高塑性变形稀土镁合金，原料组成及其重量百分比含量为：稀土元素：2.7％，Zn：0.2％，Mn：0.5％，余量为Mg。稀土元素包括Y和Ce，其中，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.2％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为0.5％。

该高塑性变形稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以纯镁锭(99.5wt％以上)、纯Zn锭(99.5wt％以上)、Mg-25Y中间合金(即该中间合金的成分含量为：25wt％Y，余量为Mg)和Mg-20Ce中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按Y2.2wt％、Ce 0.5wt％、Zn 0.2wt％、Mn 0.5wt％、余量为Mg的质量百分比进行称量备料；

步骤二：将步骤一中的纯镁锭先在180℃下预热干燥，然后将纯镁锭置于电阻炉内的坩埚中加热到650℃逐渐熔化，待镁锭完全熔化后形成镁液，将180℃预热的纯Zn锭、Mg-25Y中间合金、Mg-20Ce中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中熔炼，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，将熔炼温度控制在720℃，保温30min，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮，400℃、10h条件下均匀化处理后在350T挤压机上进行挤压，挤压温度为350℃，挤压速度为15mm/s，挤压比为10，得到高塑性变形稀土镁合金。

本实施例获得的高塑性变形稀土镁合金的金相图如图1a所示，晶粒尺寸为8.1μm，通过EBSD表征得到镁合金的反极图如图2a所示，织构基面密度为2.6，采用MTS810力学测试系统进行拉伸性能测试，镁合金的伸长率为34％，如图2所示。

实施例二

本实施例提供了一种高塑性变形稀土镁合金，原料组成及其重量百分比含量为：稀土元素：3.2％，Zn：1.5％，Mn：0.6％，余量为Mg。稀土元素包括Y和Ce，其中，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.5％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为0.8％。

该高塑性变形稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以纯镁锭(99.5wt％以上)、纯Zn锭(99.5wt％以上)、Mg-25Y中间合金和Mg-20Ce中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按Y 2.5wt％、Ce 0.8wt％、Zn 1.5wt％、Mn0.6wt％、余量为Mg的重量百分比进行称量备料；

步骤二：将步骤一中的纯镁锭先在230℃下预热干燥，然后将纯镁锭置于电阻炉内的坩埚中加热到680℃逐渐熔化，待镁锭完全熔化后形成镁液，将230℃预热的纯Zn锭、Mg-25Y中间合金、Mg-20Ce中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中熔炼，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，熔炼温度为700℃，保温25min，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮，400℃、10h条件下均匀化处理后在350T挤压机上进行挤压，挤压温度控制在350℃，挤压速度为18mm/s，挤压比为11，得到高塑性变形稀土镁合金。

本实施例获得的高塑性变形稀土镁合金的金相图如图1b所示，晶粒尺寸为7.6μm，通过EBSD表征得到镁合金的反极图如图2b所示，织构基面密度为3.4，采用MTS810力学测试系统进行拉伸性能测试，镁合金的伸长率为32.5％，如图2所示。

实施例三

本实施例提供了一种高塑性变形稀土镁合金，原料组成及其重量百分比含量为：稀土元素：3.8％，Zn：3％，Mn：1.0％，余量为Mg。稀土元素包括Y和Ce，其中，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.8％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为1.0％。

该高塑性变形稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以纯镁锭(99.5wt％以上)、纯Zn锭(99.5wt％以上)、Mg-25Y中间合金和Mg-20Ce中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按Y 2.8wt％、Ce 1.0wt％、Zn 3.0wt％、Mn1.0wt％、余量为Mg的重量百分比进行称量备料。

步骤二：将步骤一中的纯镁锭先在230℃下预热干燥，然后将纯镁锭置于电阻炉内的坩埚中加热到680℃逐渐熔化，待镁锭完全熔化后形成镁液，将230℃预热的纯Zn锭、Mg-25Y中间合金、Mg-20Ce中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中熔炼，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，熔炼温度为650℃，保温20min，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮，400℃、10h条件下均匀化处理后在350T挤压机上进行挤压，挤压温度控制在350℃，挤压速度为20mm/s，挤压比为12，得到高塑性变形稀土镁合金。

本实施例获得的高塑性变形稀土镁合金的金相图如图1c所示，晶粒尺寸为8.0μm，通过EBSD表征得到镁合金的反极图如图2c所示，织构基面密度为2.9，采用MTS810力学测试系统进行拉伸性能测试，镁合金的伸长率为31％，如图2所示。

对比例一

对比例一提供了一种高塑性变形稀土镁合金，原料组成及其重量百分比含量为：稀土元素：2.5％，Zn：4.6％，Mn：0.6％，余量为Mg。稀土元素包括Y和Ce，其中，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.5％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为1.0％。

该高塑性变形稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以纯镁锭(99.5wt％以上)、纯Zn锭(99.5wt％以上)、Mg-25Y中间合金和Mg-20Ce中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按Y 2.5wt％、Ce 1.0wt％、Zn 4.6wt％、Mn0.6wt％、余量为Mg的重量百分比进行称量备料；

步骤二：将步骤一中的纯镁锭先在180℃下预热干燥，然后将纯镁锭置于电阻炉内的坩埚中加热到650℃逐渐熔化，待镁锭完全熔化后形成镁液，将180℃预热的纯Zn锭、Mg-25Y中间合金、Mg-20Ce中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中熔炼，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，熔炼温度为700℃，保温25min，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮、均匀化处理后在350T挤压机上进行挤压，挤压温度控制在350℃，挤压速度为18mm/s，挤压比为11，得到镁合金。

本对比例获得的镁合金的金相图如图1d所示，晶粒尺寸为5.6μm，通过EBSD表征得到镁合金的反极图如图2d所示，织构基面密度为5.8，采用MTS810力学测试系统进行拉伸性能测试，镁合金的伸长率为24.2％，如图2所示。

对比例二

对比例二提供了一种高塑性变形稀土镁合金，原料组成及其重量百分比含量为：稀土元素：3.8％，Zn：3.0％，Mn：1.0％，余量为Mg。稀土元素包括Y和Ce，其中，Y在所述镁合金中的重量百分比含量为2.8％，Ce在所述镁合金中的重量百分比含量为1.0％。

该高塑性变形稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以纯镁锭(99.5wt％以上)、纯Zn锭(99.5wt％以上)、Mg-25Y中间合金和Mg-20Ce中间合金及MnCl₂颗粒为原料，按Y 2.8wt％、Ce 1.0wt％、Zn 3.0wt％、Mn1.0wt％、余量为Mg的重量百分比进行称量备料。

步骤二：将步骤一中的纯镁锭先在230℃下预热干燥，然后将纯镁锭置于电阻炉内的坩埚中加热到680℃逐渐熔化，待镁锭完全熔化后形成镁液，将230℃预热的纯Zn锭、Mg-25Y中间合金、Mg-20Ce中间合金和MnCl₂颗粒依次加入镁液中熔炼，搅拌的同时添加精炼剂熔炼，熔炼温度为650℃，保温20min，除渣后采用半连续铸造工艺浇铸得到铸锭；

步骤三：对步骤二得到的铸锭表面去皮、均匀化处理后在350T挤压机上进行挤压，挤压温度控制在350℃，挤压速度为15mm/s，挤压比为16，得到镁合金。

本对比例获得的镁合金的金相图如图1e所示，晶粒尺寸为5.9μm，通过EBSD表征得到镁合金的反极图如图2e所示，织构基面密度为7.6，采用MTS810力学测试系统进行拉伸性能测试，镁合金的伸长率为21.5％，如图2所示。

所有实施例的主要化学组分及制备参数如表1：

表1实施例镁合金主要化学组分及制备参数

综上所述，实施例二得到的镁合金织构基面密度较小，说明晶粒的取向更自由，有益于提升塑性变形能力，伸长率也越高，达到了32.5％。对比例一与实施例二相比，挤压比相同，成分配比范围不同，当加入高含量的Zn元素时，更多的Zn会与稀土元素Y和Ce结合形成化合物，降低重稀土Y在Mg中的固溶度，同时弱化Ce元素对织构的优化作用，塑性低。而当Zn含量在发明范围内时，在Zn元素起到强化作用的同时，较多含量的稀土元素Y和Ce可以很好的发挥各自改善塑性的效果。比较实施例三和对比例二，当挤压工艺发生改变时，实施例三得到的镁合金织构基面密度较小，晶粒的取向更自由，更有益于提升变形过程中的晶粒间的塑性协调能力，提升塑性伸长率达到了31％。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。