一種高強(qiáng)度高韌性鎂合金及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及高強(qiáng)度高韌性鎂合金，同時涉及一種該鎂合金的制備工藝。高強(qiáng)度高韌性鎂合金各成分的質(zhì)量百分比為：3.0~10.0%Zn，1.0~6.0%Y，0~1.0%Zr，雜質(zhì)元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余為Mg。本發(fā)明工藝不僅細(xì)化了合金的晶粒，同時細(xì)化了在常規(guī)凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布狀態(tài)，然后在基體中析出了彌散的沉淀相，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化，極大地提高了合金的強(qiáng)度，解決了鎂合金的強(qiáng)度較差的問題。
【專利說明】一種高強(qiáng)度高韌性鎂合金及其制備工藝
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及高強(qiáng)度高韌性鎂合金，同時涉及一種該鎂合金的制備工藝。
[0002]【背景技術(shù)】
金屬鎂及鎂合金是迄今在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比重最輕，加工能量性能優(yōu)良，減振性能和磁屏蔽性能，高的比強(qiáng)度和比剛度，易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿涂沙掷m(xù)發(fā)展的綠色工程材料”，引起國內(nèi)外的高度關(guān)注。隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)、航天航空、電子工業(yè)、家用電器工業(yè)的快速發(fā)展，對鎂合金的強(qiáng)度提出了更高的要求。鎂合金的強(qiáng)度低于鋁合金和鋼鐵材料，要拓寬鎂合金的應(yīng)用必須進(jìn)一步提高鎂合金的強(qiáng)度。能否和如何進(jìn)一步從根本上改變超高強(qiáng)度鎂合金的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，對超高強(qiáng)度鎂合金的研究和制備具有重要的意義。
[0003]鎂中加入Zn可顯著提高合金的屈服強(qiáng)度，并且其延伸率與Mg-Al系合金相近，具有良好的力學(xué)性能。但是Mg-Zn 二元系合金的平衡結(jié)晶溫度間隔較大，可達(dá)290°C，故此種合金在常規(guī)凝固條件下的鑄造性能較差，容易出現(xiàn)枝晶粗大、區(qū)域偏析和熱裂等缺陷。Mg-Zn-RE合金系是目前開發(fā)高強(qiáng)鎂合金結(jié)構(gòu)材料的一個熱點(diǎn)，已有研究表明加入少量的稀土元素可以提高鎂合金的流動性，細(xì)化晶粒，強(qiáng)化固溶體，在鎂合金中生成彌散分布的金屬間化合物，強(qiáng)化晶界，顯著提高耐熱強(qiáng)度。加入Y可以提高鎂合金在室溫和高溫下的力學(xué)性能，同時可改善其抗腐蝕性能。在鎂合金中添加稀土元素是提高其熱強(qiáng)性的有效途徑。稀土元素由于Mg-Zn-RE合金系具有異常的結(jié)構(gòu)和物理性能，吸引了眾多的研究目光。例如Mg-Zn-Y、Mg-Gd-Nd-Zr、Mg-Dy-Nd-Zr, Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Zn-Y-ReJP Mg - Cu - Zn - Y 已經(jīng)有了深入的研究，尤其Mg-Y-Re的研究，釔和稀土元素被認(rèn)為是最有效的合金元素，Mg-Y-Re型鎂合金工作溫度在250°C以上。
[0004]Mg-Zn-Y合金系中釔的含量和`鋅和釔的比而使合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，為相選擇和合金的復(fù)合強(qiáng)化提供了有利的條件。在凝固和熱處理?xiàng)l件下Mg-Zn-Y-Zr合金系統(tǒng)中三元相主要有 I_Mg3YZn6、W- Mg3Y2Zn3^ Z-Mg12YZru H-Zn3MgY 等，二元相主要有 Mg24Y5,Mg7Zn3, MgZn2, Mg2Zn11等，因此Mg-Zn-Y-Zr合金系的相選擇比較復(fù)雜,且這些相的形態(tài)與分布對Mg-Zn-Y合金的組織和性能有很大的影響。上世紀(jì)90年代，學(xué)者主要研究高Zn，Y含量的(Mg含量在70~80%左右)的Mg-Zn-Y中間合金，主要是為了得到高含量的準(zhǔn)晶1-Mg3YZn6相。D.H.Bae和Alok Singh等人在Mg-Zn-Y合金中進(jìn)一步減少M(fèi)g和Y的含量,研究了不同的低Zn含量范圍和不同的低Y含量范圍內(nèi)的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y合金，并采用熱軋工藝來改善準(zhǔn)晶相的分布形態(tài)，提高合金的機(jī)械性能。
[0005]由于鎂為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，晶粒細(xì)化對提高合金力學(xué)性能的效果比體心
立方與面心立方的效果更有效，同時根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式= (J + y ~1/2-因鎂合金

? O
的k值比鋁合金的k值大，因此細(xì)化晶?？梢燥@著提高多晶鎂及其鎂合金的強(qiáng)度和延展性，是鎂合金的主要強(qiáng)化方式之一。同時常用鎂合金中一般存在著分布在晶界上粗大的第二相，降低了合金的塑性和強(qiáng)度，因此改善合金第二相的形態(tài)與分布也是提高合金性能的一種重要的方法。另一方面，合金的析出相可以阻礙滑移系的遷移，提高合金的強(qiáng)度，也是提高合金性能的一種方法。
[0006]目前，工業(yè)鎂合金產(chǎn)品多通過鑄造的方式獲得。但常規(guī)凝固條件下得到的鎂合金微觀組織比較粗大，晶粒尺寸一般在數(shù)十微米到數(shù)百微米之間，甚至達(dá)到毫米級。析出相也比較粗大，因此常規(guī)鑄造方法生產(chǎn)的鎂合金室溫和高溫強(qiáng)度都不是很理想，難以滿足高性能結(jié)構(gòu)材料的需求。快速凝固技術(shù)是一種新型的金屬材料制備技術(shù)，快速凝固技術(shù)可以增加結(jié)構(gòu)的均勻性，減少鎂合金成分的偏析和缺陷、擴(kuò)展固溶度形成過飽和固溶體、細(xì)化晶粒和第二相，可獲得微晶、納米晶、準(zhǔn)晶或非晶組織，也可獲得常規(guī)工藝條件下難以獲得的亞穩(wěn)強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)，改善傳統(tǒng)鎂合金變形能力差，從而獲得具有特殊物化性能和力學(xué)性能的新材料，提高鎂合金的強(qiáng)度、耐腐蝕性能和耐高溫性能。如快凝EA55R-B鎂合金的抗拉強(qiáng)
度為476MPa，屈服強(qiáng)度為441MPa，延伸率為14%，斷裂韌性為17MPa ,具有較高的強(qiáng)度
和韌性?？焖倌蘘K60合金在60°C擠壓成形后的屈服強(qiáng)度比鑄造并鍛造后相同成分合金增加了 120MPa，抗拉強(qiáng)度增加了 60MPa，同時還具有很好的塑性。Mg-6Zn_l.5Y-0.5Ce薄帶經(jīng)擠壓成形后得到直徑為8~50mm的坯件，拉伸屈服強(qiáng)度為490~520MPa，理論期望值可達(dá)630MPa，具有高強(qiáng)度與高延展性?？焖倌毯头勰┮苯鸬腗g97ZnlY2的強(qiáng)度可以達(dá)到 610MPa。但是快速凝固鎂合金成型困難，成本高。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度高韌性鎂合金及其制備工藝。
[0008]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種高強(qiáng)度高韌性鎂合金，各成分的質(zhì)量百分比為:3.(Tl0.0%Zn, 1.(T6.0%Y, (Tl.0%Zr,雜質(zhì)元素 Fe〈0.005%、Cu〈0.015%、Ni〈0.002%,其余為 Mg。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選，各成分的質(zhì)量百分比為:6.0~8.0%Zn，2.0~4.0%Y，(Tl.0%Zr，雜質(zhì)元素 Fe〈0.005%、Cu〈0.015%、Ni〈0.002%,其余為 Mg。
[0010]高強(qiáng)度高韌性鎂合金的制備工藝，其特征在于包括以下步驟:
`1)熔煉爐升溫至40(T50(TC，加入純鎂錠，升溫至70(T740°C；
2)待純鎂錠全部熔化后加入純鋅；
3)待鋅熔化后，升溫至78(T800°C，加入鎂釔、鎂鋯中間合金；
4)將合金液調(diào)至72(T740°C進(jìn)行精煉；
5)精煉后升溫至75(T780°C，保溫20~30分鐘，降溫至72(T750°C時澆入模具中，冷卻后作為亞快速凝固的母合金；
6)在氬氣保護(hù)下，加熱母合金，待其熔化，加熱到700°C后，保溫兩分鐘，將母合金熔體送入銅模型腔內(nèi)，控制降溫速率為100-1000°C /s，制備出亞快速凝固合金樣品；
7)亞快速凝固合金樣品在160-220°C下進(jìn)行6-30h的時效處理。
[0011]步驟6)中加熱時采用高頻感應(yīng)加熱的方式，控制頻率30-40KHZ。
[0012]步驟4)中精煉時加入精煉劑，精煉劑的用量為合金液質(zhì)量的1.5-2.5%。精煉劑可選用現(xiàn)有的鎂精煉劑，例如精煉劑牌號為RJ-4、RJ-5或MJL-JOO等。
[0013]步驟7)中時效處理時，將樣品埋在Al2O3粉末下進(jìn)行，為了防止樣品氧化。
[0014]步驟I)過程中通鎂合金保護(hù)氣或者在容器內(nèi)壁和純鎂錠上撒上覆蓋劑，以防止鎂錠氧化。覆蓋劑采用現(xiàn)有的鎂覆蓋劑，例如RJ-4、RJ-5或MJL-JOO等。
[0015]模具的形狀可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行調(diào)整，鎂合金的形狀常用的為兩種，一種是棒，其直徑在I~IOmm之間；另一種是薄板,其長50~150mm、寬10~30mm、厚度2~8mm。將亞快速凝固合金棒或板在16(T220°C直接時效6~30h之間。
[0016]本發(fā)明通過亞快速凝固可以大大的細(xì)化彌散第二相，實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化與第二相強(qiáng)化。同時亞快速凝固可以提高合金元素在鎂基體中的固溶度，獲得過飽和的α — Mg固溶體，通過直接時效析出強(qiáng)化相，使鎂合金進(jìn)一步強(qiáng)化。亞快速凝固還可使晶粒大大細(xì)化，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。同時在熱處理時析出了彌散分布的沉淀相，實(shí)現(xiàn)了沉淀強(qiáng)化。最后實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的多種復(fù)合強(qiáng)化的效應(yīng)，達(dá)到了提高鎂合金強(qiáng)度之目的。
[0017]以Mg6Zn3Y0.55Zr為例，亞快凝合金的平均晶粒大小只有5 μ m左右，遠(yuǎn)小于常規(guī)凝固的40 μ m,共晶組織的層片間距也由常規(guī)凝固的834nm減小為167nm，亞快速凝固合金的壓縮強(qiáng)度為539MPa，比常規(guī)凝固的314MPa提高了 225MPa ;亞快凝合金180°C時效30h后壓縮強(qiáng)度為630MPa，比時效前的539MPa提高了 91MPa，比常規(guī)凝固合金的314MPa提高了276MPa。亞快速凝固時效后變形率為22%，比常規(guī)凝固的18.5%有較大的提高。
[0018]與現(xiàn)有的工藝比較，本發(fā)明有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明工藝不僅細(xì)化了合金的晶粒，同時細(xì)化了在常規(guī)凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布狀態(tài)，然后在基體中析出了彌散的沉淀相，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化，極大地提高了合金的強(qiáng)度，解決了鎂合金的強(qiáng)度較差的問題。
[0019]【具體實(shí)施方式】 實(shí)施例一:
高強(qiáng)度高韌性鎂合金的成分(重量百分比)為:6.0%Zn，3.0%Y，0.55%Zr，其余元素為Mg。
`[0020]制備工藝為:
1)坩堝燒至暗紅(400°c)，內(nèi)壁及底部撒上覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠5.85Kg，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700°C ；
2)待爐料全部熔化后加入純Zn0.6Kg ；
3)待鋅熔化完后(約20分鐘)，將爐子升溫至780°C，加入Mg-1OY中間合金3Kg、Mg-1OZr 中間合金 0.55Kg ；
4)將合金液調(diào)至720°C加入精煉劑進(jìn)行精煉；
5)升溫至750°C，保溫30分鐘，熔體降溫至720°C時澆入金屬型模具中，冷卻后作為亞快速凝固的母合金；
6)在氬氣保護(hù)下，利用高頻感應(yīng)加熱石英管中的母合金，待其熔化，加熱到700°C后，保溫兩分鐘，迅速通入一定壓力的氬氣，借助氬氣的壓力使合金熔體快速進(jìn)入銅模型腔，制備出直徑為2mm的亞快速凝固合金試樣；
7)亞快速凝固合金試樣放置在熱處理爐中在180°C下進(jìn)行30h的時效處理得到高強(qiáng)度高韌性鎂合金；在時效處理過程中，為了防止試樣氧化，將試樣埋在Al2O3粉末下進(jìn)行。
[0021]本實(shí)施例所制得的合金晶粒尺寸為7 μ m，壓縮屈服強(qiáng)度為225MPa，抗壓強(qiáng)度為590MPa，壓縮變形量為22%。
[0022]實(shí)施例二:
高強(qiáng)度高韌性鎂合金的成分(重量百分比)為:6.0%Zn，4.0%Y，0.55%Zr，其余元素為Mg。[0023]制備工藝為:
1)坩堝燒至暗紅(450°C)，內(nèi)壁及底部撒上覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠4.85Kg，并在其上撒覆蓋劑，升溫至720 V ；
2)待爐料全部熔化后加入純Zn0.6Kg ；
3)待鋅熔化完后(約20分鐘)，將爐子升溫至790°C，加入Mg-1OY中間合金4Kg、 Mg-1OZr 中間合金 0.55Kg ；
4)將合金液調(diào)至730°C加入精煉劑進(jìn)行精煉；
5)升溫至760°C，保溫25分鐘，熔體降溫至740°C時澆入金屬型模具中；
6)在氬氣保護(hù)下，利用高頻感應(yīng)加熱石英管中的母合金，待其熔化，加熱到700°C后，保溫兩分鐘，迅速通入一定壓力的氬氣，借助氬氣的壓力使合金熔體快速進(jìn)入銅模型腔，制備出直徑為2mm的亞快速凝固合金試樣；
7)亞快速凝固合金試樣放置在熱處理爐中在180°C下進(jìn)行30h的時效處理得到高強(qiáng)度高韌性鎂合金；在時效處理過程中，為了防止試樣氧化，將試樣埋在Al2O3粉末下進(jìn)行。
[0024]本實(shí)施例所制得的合金的晶粒尺寸為6 ii m，壓縮屈服強(qiáng)度為208MPa，抗壓強(qiáng)度為 539MPa，延伸率為18%。
[0025]
實(shí)施例三:
高強(qiáng)度高韌性鎂合金的成分(重量百分比)為:6.0%Zn，2.0%Y，其余元素為Mg。
[0026]制備工藝為:
`1)坩堝燒至暗紅(50(TC)，在鎂合金保護(hù)氣環(huán)境下，加入工業(yè)純鎂錠7.4Kg，升溫至 740 0C ；
2)待爐料全部熔化后加入純Zn0.6Kg ；
3)待鋅熔化完后(約20分鐘)，將爐子升溫至800°C，加入Mg-1OY中間合金2Kg；
4)將合金液調(diào)至740°C加入精煉劑進(jìn)行精煉；
5)升溫至780°C，保溫20分鐘，熔體降溫至750°C時澆入金屬型模具中；
6)在氬氣保護(hù)下，利用高頻感應(yīng)加熱石英管中的母合金，待其熔化，加熱到700°C后，保溫兩分鐘，迅速通入一定壓力的氬氣，借助氬氣的壓力使合金熔體快速進(jìn)入銅模型腔，制備出直徑為2mm的亞快速凝固合金試樣；
7)亞快速凝固合金試樣放置在熱處理爐中在180°C下進(jìn)行30h的時效處理得到高強(qiáng)度高韌性鎂合金；在時效處理過程中，為了防止試樣氧化，將試樣埋在Al2O3粉末下進(jìn)行。
[0027]本實(shí)施例所制得的合金的晶粒尺寸為5 ii m，壓縮屈服強(qiáng)度為210MPa，抗壓強(qiáng)度為 560MPa，延伸率為22%。
[0028]以上實(shí)施例中的壓縮屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、延伸率檢測時依照金屬材料室溫壓縮實(shí)驗(yàn)方法(GB/T7314-2005)進(jìn)行。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)度高韌性鎂合金，其特征在于，各成分的質(zhì)量百分比為:3.(Tl0.0%Zn，1.0~6.0%Y, (Tl.0%Zr,雜質(zhì)元素 Fe〈0.005%、Cu〈0.015%、Ni〈0.002%,其余為 Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的高強(qiáng)度高韌性鎂合金，其特征在于:各成分的質(zhì)量百分比為:6.0~8.0%Zn, 2.0~4.0%Y, (Tl.0%Zr,雜質(zhì)元素 Fe〈0.005%、Cu〈0.015%、Ni〈0.002%,其余為Mg。
3.權(quán)利要求1或2所述高強(qiáng)度高韌性鎂合金的制備工藝，其特征在于包括以下步驟:1)熔煉爐升溫至40(T50(rC，加入純鎂錠，升溫至70(r740°C；2)待純鎂錠全部熔化后加入純鋅；3)待鋅熔化后，升溫至78(T800°C，加入鎂釔、鎂鋯中間合金；`4)將合金液調(diào)至72(T740°C進(jìn)行精煉；5)精煉后升溫至75(T780°C，保溫20~30分鐘，降溫至72(T750°C時澆入模具中，冷卻后作為亞快速凝固的母合金；6)在氬氣保護(hù)下，加熱母合金，待其熔化，加熱到700°C后，保溫兩分鐘，將母合金熔體送入銅模型腔內(nèi)，控制降溫速率為100-1000°C /s，制備出亞快速凝固合金樣品；7)亞快速凝固合金樣品在160-220°C下進(jìn)行6-30h的時效處理。
4.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鎂合金的制備工藝，其特征在于:步驟6)中加熱時采用高頻感應(yīng)加熱的方式，控制頻率30-40KHZ。
5.如權(quán)利要求3或4所述的高強(qiáng)度高韌性鎂合金的制備工藝，其特征在于:步驟4)中精煉時加入精煉劑，精煉劑的用量為合金液質(zhì)量的1.5-2.5%。
6.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度高韌性鎂合金的制備工藝，其特征在于:步驟7)中時效處理時，將樣品埋在Al2O3粉末下進(jìn)行。
【文檔編號】C22C23/06GK103498086SQ201310417034
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】朱世杰, 關(guān)紹康, 王利國, 王劍鋒, 季川祥, 任晨星, 張春香 申請人:鄭州大學(xué)