一种高强中塑镁合金配方及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高强中塑镁合金配方及其制备方法 (Formula and preparation method of high-strength medium-plasticity magnesium alloy ) 是由 刘勇 段蒙 陈杰 罗岚 京玉海 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强中塑镁合金配方及其制备方法,涉及金属材料技术领域,其技术方案要点是：该配方包括以下质量百分数的组分：Al2.5～9.5wt.％,Zn0.5～1.5wt.％,Mn0.1～1wt.％,La0.1～1wt.％,Ce0.1～1.0wt.％,Y0.01～0.5wt.％,Ag0～0.5wt.％,余量为Mg,其中,Y、La和Ce作为稀土元素,总量不超过1wt.％。该配方能够优化制备的镁合金组织,可使镁合金中形成均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织,使镁合金保持良好塑性的前提下具有高强度。该制备方法简单可靠,易于推广,能适应不同场合的制备要求,利于产业化应用简化合金种类,减低技术难度与生产成本。(The invention discloses a high-strength medium-plastic magnesium alloy formula and a preparation method thereof, relating to the technical field of metal materials, and the technical scheme is as follows: the formula comprises the following components in percentage by mass: 2.5-9.5 wt.% of Al, 0.5-1.5 wt.% of Zn0.1-1 wt.% of Mn0.1-1 wt.%, 0.1-1.0 wt.% of La0, 0.01-0.5 wt.% of Y, 0-0.5 wt.% of Ag and the balance of Mg, wherein Y, La and Ce are rare earth elements, and the total amount is not more than 1 wt.%. The formula can optimize the structure of the prepared magnesium alloy, and can form a uniformly distributed second phase and a uniform and fine microstructure in the magnesium alloy, so that the magnesium alloy has high strength on the premise of keeping good plasticity. The preparation method is simple and reliable, is easy to popularize, can meet the preparation requirements of different occasions, is beneficial to industrialized application, simplifies the alloy types and reduces the technical difficulty and the production cost.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高强中塑镁合金配方及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有比强度高、比刚度高、电磁屏蔽能力强、阻尼减震性好、导电导热性好及良好的再回收性等优点，具有广阔的应用前景。随着汽车、电子、航空工业的发展，目前镁合金的应用已扩展到大型部件和动力系统，这就对镁合金的强度、塑性、耐腐蚀性能提出了更高要求。添加稀土元素是提高镁合金强度的有效手段。
稀土元素的添加可使镁合金铸造组织晶粒得到明显细化，而且少量稀土元素的添加可以促进热变形过程中的动态再结晶、激活非基面滑移，进而细化晶粒尺寸、弱化基面织构，使镁合金塑性得到提高。目前的稀土镁合金大多采用添加高含量的资源稀缺、价格高昂的重稀土元素，制造成本高，可替代性差。添加少量的存量大、价格低廉的轻稀土制备高性能镁合金的技术工艺并不多见。
现有技术中，公开号为CN104975214A的中国发明专利公开了一种高塑性镁合金及其制备方法，其运用传统的挤压工艺，挤压后合金的最高延伸率为29.1％，但其室温抗拉强度仅为231MPa，而且稀土元素钇的添加量超过了5％，生产成本较高。此外，公开号为CN111286657A的中国发明专利公开了一种高强度Mg-Gd-Zn-Zr-Ag镁合金及其制备方法，其挤压后合金的抗拉强度能够达到441MPa，但其室温延伸率仅为4.3％，而且稀土元素钆的添加量更是超过了11％。
上述专利通过高含量的稀土元素的添加，虽然能够改善镁合金的力学性能，但无法同时提升合金的强度和塑性；此外，重稀土元素资源稀缺、价格高昂，现有技术中的高稀土含量镁合金制备工艺繁杂耗能，不适合大规模化工业生产。因此，本发明旨在设计一种高强中塑镁合金配方及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强中塑镁合金配方及其制备方法，该配方能够优化制备的镁合金组织，可使镁合金中形成均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，使镁合金保持良好塑性的前提下具有高强度，此外，镁合金中形成Al3La、Al2Ce和Al3Y新相，在进一步提升制备的镁合金强度的同时，还能有效地提升镁合金的耐腐蚀能力。该制备方法简单可靠，易于推广，能适应不同场合的制备要求，利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al2.5～9.5wt.％，Zn0.5～1.5wt.％，Mn0.1～1.0wt.％，La0.1～1wt.％，Ce0.1～1.0wt.％，Y0.01～0.5wt.％，Ag0～0.5wt.％，余量为Mg，其中，所述Y、La和Ce作为稀土元素，总量不超过1wt.％。
本发明进一步设置为：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al8.0～9.5wt.％，Zn0.5～1.0wt.％，Mn0.2～1wt.％，La0.2～0.5wt.％，Ce0.2～0.5wt.％，Y0.05～0.1wt.％，Ag0～0.5wt.％，余量为Mg，其中，所述Y、La和Ce的总百分数小于等于1wt.％。
本发明进一步设置为：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al8 wt.％，Zn0.5 wt.％，Mn0.2 wt.％，La0.1 wt.％，Ce0.3 wt.％，Y0.2 wt.％，余量为Mg。
本发明进一步设置为：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al8 wt.％，Zn0.5 wt.％，Mn0.2 wt.％，La0.1 wt.％，Ce0.3 wt.％，Y0.2 wt.％，Ag0.2wt.％，余量为Mg。
一种高强中塑镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、原材料预处理，在CO2和SF6混合气体的保护下，将镁锭、铝锭、锌锭、银锭、Mg-Mn中间合金和Mg-RE中间合金按配料比例进行配料，并对配料进行烘干，烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～2h；
S2、熔炼及铸造，将步骤S1中的镁锭、铝锭、锌锭和Mg-Mn中间合金进行预热，预热温度高于150℃，然后将预热后的镁锭、铝锭、锌锭、银锭和Mg-Mn中间合金作为炉料装入熔炉中，并在SF6和CO2混合气体下将炉料升温至融化，待炉料化平后，进行第一次扒渣，待熔体温度升到750～770℃时，进行第二次扒渣，待扒渣完成后，加入Mg-RE中间合金至熔炉，随后将炉料降温至铸造温度700～720℃，并保温10～40min，得熔体，然后刮除熔体表面的浮渣，并将其浇入至预热好的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；
S3、固溶处理，将步骤S2中制得的镁合金铸锭在350～450℃下进行阶梯固溶处理6～15h；
S4、将步骤S3中固溶处理后的镁合金铸锭进行时效处理或挤压处理，制得镁合金成品。
本发明进一步设置为：步骤S1中所述的SF6和CO2混合气体的体积比为1:99。
本发明进一步设置为：步骤S2中所述的模具的预热温度为100～250℃。
本发明进一步设置为：步骤S3中所述的阶梯固溶处理具体包括以下两个阶段：
第一阶段：所述镁合金铸锭热处理时间为1～3h，热处理温度为300～350℃；
第二阶段：将热处理温度升到400～500℃，热处理时间为5～12h，然后取出后空冷至室温。
本发明进一步设置为：步骤S4中的挤压处理的具体方法为：先将固溶处理后的镁合金铸锭进行预热，然后对预热好的镁合金铸锭进行挤压，并在挤压后空冷至室温。
本发明进一步设置为：步骤S4中所述的挤压处理包括将镁合金铸锭、挤压模具预热至300～500℃，挤压筒预热至500～600℃，预热时间为1～3h。
本发明进一步设置为：步骤S4中所述的时效处理的温度为100～250℃，时效处理的时间为50～150h。
本发明进一步设置为：步骤S4中所述的挤压处理的过程中的挤压速率为0.1～1.0m/min，挤压比为(10～100):1。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的配方可使制备的镁合金具备优异的力学性能：稀土元素镧、铈、钇有效的细化合金组织，促使合金中第二相均匀分布，阻碍晶粒长大弱化了基面织构，使得合金同时具有高强度(423MPa)和良好的塑性(13％)；
2、本发明的配方制备原料成本低廉：该配方降低了稀土元素的含量，同时使用储量丰富、价格低廉的轻稀土元素代替现有技术中的重稀土元素，能够大大减低生产成本；
3、本发明的制备方法制备的镁合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，能够有效改善镁合金的力学性能；
4、本发明的制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用铸造成型及挤压成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，有利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中镁合金和对比例AZ80合金的室温拉伸试验应力应变曲线；
图2为实施例1中得到的合金的显微组织照片，其中，图2a为低倍组织图；图2b为高倍组织图；
图3为实施例2中得到的合金的显微组织照片，其中，图3a为低倍组织图；图3b为高倍组织图；
图4为对比例1中得到的合金的显微组织照片，其中，图4a为低倍组织图；图4b为高倍组织图；
图5是本发明实施例1、实施例2中制备方法的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明(的技术方案)做进一步说明，以下实施例均在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
选取三种合金成分Mg-8Al-0.5Zn-0.2Mn-0.1La-0.3Ce-0.2Y(wt.％)(合金1)、Mg-8Al-0.5Zn-0.2Mn-0.1La-0.3Ce-0.2Y-0.2Ag(wt.％)(合金2)作为典型例子。
按照本发明的技术方案，以纯镁锭、铝锭、锌锭、银锭、Mg-Mn中间合金和Mg-RE中间合金按配料比例进行配料，经熔炼制成低成本镁合金铸锭；将经过固溶处理和挤压加工获得所发明和金。并对挤压棒材进行力学性能测试，实施例及对比例AZ80的室温力学性能测试结果见表1。
实施例1：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al8 wt.％，Zn0.5 wt.％，Mn0.2 wt.％，La0.1 wt.％，Ce0.3 wt.％，Y0.2 wt.％，余量为Mg，其中，所述Y、La和Ce作为稀土元素，总量不超过1wt.％。
基于该一种高强中塑镁合金配方的镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、原材料预处理，在CO2和SF6混合气体的保护下，将镁锭、铝锭、锌锭、Mg-Mn中间合金和Mg-RE中间合金按配料比例进行配料，并对配料进行烘干，烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～2h；
S2、熔炼及铸造，将步骤S1中的镁锭、铝锭、锌锭和Mg-Mn中间合金进行预热，预热温度高于150℃，然后将预热后的镁锭、铝锭、锌锭、银锭和Mg-Mn中间合金作为炉料装入熔炉中，并在SF6和CO2混合气体下将炉料升温至融化，待炉料化平后，进行第一次扒渣，待熔体温度升到750～770℃时，进行第二次扒渣，待扒渣完成后，加入Mg-RE中间合金至熔炉，随后将炉料降温至铸造温度700～720℃，并保温10～40min，得熔体，然后刮除熔体表面的浮渣，并将其浇入至预热好的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；
S3、固溶处理，将步骤S2中制得的镁合金铸锭在350～450℃下进行阶梯固溶处理6～15h；
S4、将步骤S3中固溶处理后的镁合金铸锭进行挤压处理，制得镁合金成品。
本实施方式得到的高强中塑镁合金的显微组织照片如图2所示，其室温拉伸力学性能为：抗拉强度387MPa；断裂伸长率9.4％。
实施例2：一种高强中塑镁合金配方，包括以下质量百分数的组分：Al8 wt.％，Zn0.5 wt.％，Mn0.2 wt.％，La0.1 wt.％，Ce0.3 wt.％，Y0.2 wt.％，Ag0.2 wt.％，余量为Mg，其中，所述Y、La和Ce作为稀土元素，总量不超过1wt.％。
基于该一种高强中塑镁合金配方的镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1)原材料预处理，根据上述配方配比，在CO2和SF6混合气体的保护下，将镁锭、铝锭、锌锭、银锭、Mg-Mn中间合金和Mg-RE中间合金按配料比例进行配料，并对配料进行烘干，烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～2h。
2)熔炼及铸造，将步骤S1中的镁锭、铝锭、锌锭、银锭和Mg-Mn中间合金进行预热，预热温度高于150℃，然后将预热后的镁锭、铝锭、锌锭、银锭和Mg-Mn中间合金作为炉料装入熔炉中，并在SF6和CO2混合气体下将炉料升温至融化，待炉料化平后，进行第一次扒渣，待熔体温度升到750～770℃时，进行第二次扒渣，待扒渣完成后，加入Mg-RE中间合金至熔炉，随后将炉料降温至铸造温度700～720℃，并保温10～40min，得熔体，然后刮除熔体表面的浮渣，并将其浇入至预热好的模具中，冷却后得到镁合金铸锭。
3)固溶处理，将步骤S2中制得的镁合金铸锭在350～450℃条件下进行阶梯固溶处理6～15h。
4)将步骤S3中固溶处理后的镁合金铸锭进行挤压处理，制得镁合金成品。
本实施方式得到的高强中塑镁合金的显微组织照片如图3所示，其室温拉伸力学性能为：抗拉强度423MPa；断裂伸长率13％。
对比例1：一种镁合金，包括以下质量百分数的组分：Al8 wt.％，Zn0.5 wt.％，Mn0.2 wt.％，余量为Mg。
按上述配比和以下方法制备，得到本实施例的镁合金：
1)原材料预处理，根据上述配方配比，在CO2和SF6混合气体的保护下，将镁锭、铝锭、锌锭和Mg-Mn中间合金按配料比例进行配料，并对配料进行烘干，烘干温度为100～200℃，烘干时间为1～2h。
2)熔炼及铸造，将步骤S1中的镁锭、铝锭、锌锭进行预热，预热温度高于150℃，然后将预热后的镁锭、铝锭、锌锭和Mg-Mn中间合金作为炉料装入熔炉中，并在SF6和CO2混合气体下将炉料升温至融化，待炉料化平后，进行第一次扒渣，待熔体温度升到750～770℃时，进行第二次扒渣，随后将炉料降温至铸造温度700～720℃，并保温10～40min，得熔体，然后刮除熔体表面的浮渣，并将其浇入至预热好的模具中，冷却后得到镁合金铸锭。
3)固溶处理，将步骤S2中制得的镁合金铸锭在350～450℃条件下进行固溶处理6～24h。
4)将步骤S3中固溶处理后的镁合金铸锭进行挤压处理，制得镁合金成品。
本实施方式得到的镁合金的显微组织照片如图4所示，其室温拉伸力学性能为：抗拉强度338MPa；断裂伸长率9％。
具体实施例1-2和对比例1得到的镁合金的力学性能。
上述镁合金的制备方法，能够使制得的镁合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，有效改善镁合金的力学性能且能使制备的镁合金具有良好的耐腐蚀性能；同时，该制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用铸造成型及挤压成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
本发明的配方中稀土元素的添加可以使镁合金铸造组织晶粒得到明显细化，而且少量稀土元素的添加可以促进热变形过程中的动态再结晶、激活非基面滑移，进而细化晶粒尺寸、弱化基面织构，使镁合金塑性得到提高。
基于上述实施例中的配方制备的镁合金进行室温力学性能测试，力学性能测试依照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为Labsans 30kN万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。
其测试结果如下表1所示：
表1
本发明实施例中的配方及制备方法具有以下有益效果：
1、本发明的配方可使制备的镁合金具备优异的力学性能：稀土元素镧、铈、钇有效的细化合金组织，促使合金中第二相均匀分布，阻碍晶粒长大弱化了基面织构，使得合金同时具有高强度(423MPa)和高塑(13％)；
2、本发明的配方制备原料成本低廉：该配方降低了稀土元素的含量，同时使用储量丰富、价格低廉的轻稀土元素代替现有技术中的重稀土元素，能够大大减低生产成本；
3、本发明的制备方法制备的镁合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，能够有效改善镁合金的力学性能，且能使制备的镁合金具有良好的耐腐蚀性能；
4、本发明的制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用铸造成型及挤压成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，有利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。