一種稀土鎂合金及其薄板的制備方法
【專利摘要】一種稀土鎂合金，其特征是組分及其質(zhì)量百分比為：Zn0.5~4.0%、Gd0.1~2%和Zr0.3~0.9%，其余為Mg。所述的稀土鎂合金薄板的制備方法是將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，然后用水冷卻，再進(jìn)行銑面；將銑面后的坯料預(yù)熱后，開始4~8道次的軋制，每軋制2~3道次后回爐并加熱，繼續(xù)軋制，總壓下量為70~95%；熱軋后的板材退火；熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)2~4道冷軋；冷軋薄板退火后，得到所述稀土鎂合金薄板。本發(fā)明提供一種稀土鎂合金及其塑性高、熱穩(wěn)定性好的薄板的制備方法。和熱軋相比，冷軋可以避免鎂合金在加熱過程中的氧化成膜，且制成的產(chǎn)品尺寸精確，厚度均勻，獲得熱軋無法生產(chǎn)的薄帶材，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。
【專利說明】一種稀土鎂合金及其薄板的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種稀土鎂合金及其薄板(0.1-2_)的制備方法。具體是根據(jù)稀土元素對鎂合金塑性的提升作用，在傳統(tǒng)鎂合金基礎(chǔ)上添加適量的稀土元素，通過控制隨后的熱軋、冷軋及后續(xù)熱處理工藝，獲得高塑性、高熱穩(wěn)定性的稀土鎂合金薄板。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、鑄造性能好、電磁屏蔽和阻尼性能優(yōu)異及可回收再利用等特點(diǎn)，在航空航天、交通工具、電子通訊、光學(xué)儀器、計(jì)算機(jī)制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于鎂及合金的室溫變形能力差、熱穩(wěn)定性及耐蝕性能差嚴(yán)重阻礙了鎂合金進(jìn)一步的拓展應(yīng)用。由于鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，通常在常溫下的塑性變形僅限于基面滑移和錐面孿生，當(dāng)變形溫度超過225°C時(shí)其柱面和錐面滑移系開動，塑性變形能力大幅提高。此外，常見商業(yè)化鎂合金中的二次強(qiáng)化相粒子如Mg17Al12、MgZn2相熔點(diǎn)僅為437°C、347°C，熱穩(wěn)定性能差，在高溫下容易發(fā)生粗化和軟化，減小了對晶界滑移的阻擋作用，其工作溫度一般不超過150°C。因此，改善鎂合金室溫變形能力和熱穩(wěn)定性是鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
[0003]稀土元素(RE)具有獨(dú)特的核外電子排布和化學(xué)特性，在鎂合金中加入適量的稀土元素一方面可增強(qiáng)原子間結(jié)合力、減小鎂原子擴(kuò)散速度，對提高鎂合金再結(jié)晶溫度和減緩再結(jié)晶過程具有顯著作用，特別是由于稀土金屬與鎂形成的化合物熱穩(wěn)定性高，可以顯著提升鎂合金的力學(xué)性能，尤其是高溫性能。稀土鎂合金具有良好的鑄造性能，稀土元素不僅可以凈化合金熔體、改善合金組織，還可以在鑄造過程中顯著細(xì)化晶粒，使鎂合金凝固溫度區(qū)間變窄，減小顯微疏松和熱裂紋傾向。在稀土鎂合金熔體中，影響晶粒細(xì)化的兩個重要因素是溶質(zhì)偏析和異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)。溶質(zhì)偏析導(dǎo)致枝晶生長的液-固界面前沿生成過冷區(qū)，進(jìn)而阻礙枝晶生長并提高激活成份過冷區(qū)內(nèi)的形核質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)動力；而形核質(zhì)點(diǎn)的形核能力決定了凝固開始及成份過冷區(qū)有效晶核的數(shù)量。此外，稀土元素還有很好的時(shí)效強(qiáng)化作用，可以析出非常穩(wěn)定的彌散相粒子，從而能大幅度提高鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。另外一方面加入稀土元素可改變鎂合金軸比，提高鎂合金變形能力。
[0004]CN200910011111.1A名稱為《一種高塑性、低各向異性鎂合金及其板材的熱軋制工藝》的發(fā)明專利在Mg-Zn系合金中加入0.f 10%稀土元素，鑄錠經(jīng)均勻化退火處理后熱軋成
0.f 5mm的薄板，并進(jìn)行退火熱處理。軋制變形后板材沿軋向的伸長率δ >30%，沿橫向的伸長率δ >36%。制備出的板材具有較弱的基面織構(gòu)、低的各向異性(平均各向異性因子在0.8~1.3之間)。
[0005]CN201210124363.7名稱為《一種高溫高強(qiáng)韌變形鎂合金材料及其制備方法》的發(fā)明專利公開了在Mg-Zn-Zr的基礎(chǔ)上添加Y (4.5~9.8%), Er (0.5~1.5%), Ho (0.3~1.0%)及其它稀土元素(0.2^0.6%)，經(jīng)過熔煉、鑄棒、均勻化處理及熱擠壓變形后，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到34(T420MPa，伸長率為5~15%，在250°C高溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)到31(T380MPa，伸長率為18~29%。
[0006]CN200410081258.5名稱為《一種含稀土釔的高塑性鎂合金》的發(fā)明專利通過在ZK60合金中添加稀土 Y阻礙熱擠壓過程中再結(jié)晶晶粒的長大，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，從而在保持合金高強(qiáng)度條件下提高其塑性。該發(fā)明的Mg-(5.0-8.5) Zn-(0.Tl.0) Y-(0.6~0.8) Zr合金擠壓態(tài)平均晶粒尺寸為5~8 μ m，室溫抗拉強(qiáng)度為322~337 MPa，伸長率為18~21.5%。
[0007]上述三項(xiàng)專利中，CN200910011111.1A通過添加稀土元素和控制熱軋工藝提高了合金的室溫塑性變形性能，而未涉及其熱穩(wěn)定性；CN201210124363.7雖然通過添加較高含量的稀土元素獲得了良好的室溫、高溫抗拉強(qiáng)度，但合金的經(jīng)濟(jì)性和室溫變形能力仍有待提高，CN200410081258.5通過添加稀土元素Y細(xì)化晶粒，合金的室溫抗拉強(qiáng)度及塑性變形能力得到了提高，同樣未能考察合金的熱穩(wěn)定性。綜上所述，研究開發(fā)一種低成本、高塑性，熱穩(wěn)定性良好的稀土鎂合金是擴(kuò)大其在高端領(lǐng)域應(yīng)用的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種稀土鎂合金。
[0009]本發(fā)明的另一個目的是提供一種塑性高、熱穩(wěn)定性好的稀土鎂合金薄板的制備方法。
[0010]所述稀土鎂合金的組分及其質(zhì)量百分比為:Zn 0.5^4.0%、Gd 0.1~2%和Zr
0.3~0.9%，其余為Mg。
[0011]優(yōu)選的稀土鎂合金的組分及其質(zhì)量百分比為:Zn 3%、Gd 2%和Zr0.6%，其余為Mg。
[0012]所述稀土鎂合金薄板的制備方法由以下步驟組成:
1.將稀土鎂合金鑄錠在400~560保溫10-48小時(shí)進(jìn)行均勻化退火處理，然后用水冷卻，再進(jìn)行銑面；
2.將銑面后的坯料在400~520°C保溫1~4小時(shí)，同時(shí)將軋輥預(yù)熱到250~320°C，開始4~8道次的軋制，每道次的壓下量為10~40%，每軋制2~3道次后回爐并加熱到40(T52(TC，保溫30-60分鐘繼續(xù)軋制，最后一道次的壓下量為20-40%，總壓下量為70-95% ；
3.熱軋后的板材在300~400°C保溫0.5^24小時(shí)后退火；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)2~4道冷軋，每道次的壓下量為5~20%，總壓下量為20~55% ；
5.冷軋薄板再在250~500保溫15~1800秒退火后，得到所述稀土鎂合金薄板。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是:
1.本發(fā)明以Mg-Zn-Zr合金為基礎(chǔ)成分，通過添加少量的稀土元素，利用半連續(xù)鑄造工藝提高鎂合金鑄錠質(zhì)量來減少冶金缺陷。通過大變形量熱軋開坯隨后進(jìn)行冷軋成型獲得高室溫塑性、高熱穩(wěn)定性及低各向異性的稀土鎂合金薄板，提供了一種短流程、低成本的制備方法，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。和熱軋相比，冷軋可以避免鎂合金在加熱過程中的氧化成膜，且制成的產(chǎn)品尺寸精確，厚度均勻，可獲得熱軋無法生產(chǎn)的薄帶材。
[0014]2.Zn能與Mg形成MgZn2質(zhì)點(diǎn)，為合金的主要強(qiáng)化相，Zr具有與鎂相似的晶體結(jié)構(gòu)，在合金中主要起細(xì)化晶粒的作用。稀土元素的加入一方面與合金中的Mg、Zn形成彌散的、高熱穩(wěn)定性的Mg-Zn-RE質(zhì)點(diǎn)，另一方面抑制低熔點(diǎn)的二次相粒子MgZn2的析出，從而提高合金的熱穩(wěn)定性(圖1 )。此外，稀土元素的加入有利于冷變形過程中微觀剪切帶的形成和孿生的產(chǎn)生(圖2)，特別是Zn和Gd的復(fù)合添加導(dǎo)致了組織中微觀組織偏析的出現(xiàn)，這極大的影響著退火時(shí)再結(jié)晶織構(gòu)的變化，即發(fā)生基面織構(gòu)呈30°〈0001>轉(zhuǎn)變(圖3)。
[0015]3.經(jīng)快速退火后發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶可獲得均勻細(xì)小的組織(圖4)，其板材的延展性得到了大幅提升。與不含稀土元素的鎂合金相比，稀土鎂合金的再結(jié)晶溫度和孕育期都有所提高和延長(圖5)，即耐高溫性能得到了增強(qiáng)。冷軋板材經(jīng)過高溫長時(shí)間退火后晶粒尺寸也沒有明顯異常長大，說明稀土相粒子在退火過程中有效抑制了晶界的移動(圖6)。
[0016]4.經(jīng)過大變形量熱軋開坯然后冷軋加退火后的板材室溫伸長率δ >30%(圖7)，平均各向異性因子在0.9^1.1之間，板材在300°C的完全再結(jié)晶孕育時(shí)間為0.5小時(shí)，完全再結(jié)晶時(shí)間3小時(shí),再結(jié)晶晶粒尺寸可達(dá)到2 10 μ m。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1實(shí)施例1中Mg-lZn-lGd-0.3Zr合金鑄態(tài)掃描電鏡照片。
[0018]圖2實(shí)施例1中Mg-lZn-lGd-0.3Zr合金冷軋后的光學(xué)顯微組織照片。
[0019]圖3實(shí)施例1中Mg-1Zn-1GcKX 3Zr合金冷軋后再300°C退火30秒后的(0002)面宏觀織構(gòu)。
[0020]圖4實(shí)施例2中Mg-lZn-2Gd-0.6Zr合金冷軋后再在400°C退火I分鐘后的光學(xué)顯微組織照片。
[0021]圖5實(shí)施例6中Mg-3Zn-2Gd-0.6Zr合金退火過程中再結(jié)晶動力學(xué)曲線。
[0022]圖6實(shí)施例1中Mg-lZn-lGd-0.3Zr合金冷軋板材300°C退火30秒，再升溫至400°C，退火24小時(shí)后的光學(xué)顯`微組織照片。
[0023]圖7實(shí)施例6中Mg-3Zn-2Gd-0.6Zr合金冷軋?jiān)僭?20°C退火1800秒后的拉伸力學(xué)性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容提供以下實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。
[0025]實(shí)施例1
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為=Zn 1%，Gd 1%，Zr 0.3%，其余為 Mg ；
1.合金方錠在400°C溫度下均勻化48h,然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在400°C保溫4小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到250°C，開始6道次軋制，每道次的壓下量為30%。第2和第4道次后回爐加熱到400°C保溫30分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為40%，總壓下量為90% ；
3.熱軋后的板材在300°C保溫2小時(shí)退火處理；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過4道次冷軋，每道次的壓下量為15%，總壓下量為
52% ；
5.冷軋薄板再在300°C保溫30秒退火處理；
實(shí)施例2
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為:Zn 1%，Gd 2%, Zr 0.6%，其余為 Mg ；
1.合金方錠在450°C溫度下均勻化24h，然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在450°C保溫2小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到280°C，開始6道次軋制，每道次的壓下量為35%。第2和第4道次后回爐加熱到450°C保溫45分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為30%，總壓下量為94% ；
3.熱軋后的板材在350°C保溫12小時(shí)退火處理；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過3道次冷軋，每道次的壓下量為15%，總壓下量為
40% ；
5.冷軋薄板再在400°C保溫I分鐘退火處理；
實(shí)施例3
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為=Zn 2%, Gd 2%, Zr 0.3%，其余為 Mg。
[0026]1.合金方錠在520°C溫度下均勻化10h，然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在500°C保溫I小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到300°C，開始4道次軋制，每道次的壓下量為40%。第2道次后回爐加熱到500°C保溫45分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為20%，總壓下量為85% ；
3.熱軋后的板材在400°C保`溫I小時(shí)退火處理；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過4道次冷軋，每道次的壓下量為10%，總壓下量為
35% ；
5.冷軋薄板再在450°C保溫60秒退火處理；
實(shí)施例4
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為:Zn 2.0%, Gd 1.0%, Zr 0.6%，其余為 Mg ；
1.合金方錠在460°C溫度下均勻化24h，然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在460°C保溫2小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到280°C，開始6道次軋制，每道次的壓下量為20%。第2和第4道次后回爐加熱到460°C保溫30分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為30%，總壓下量為90% ；
3.熱軋后的板材在300°C保溫24小時(shí)退火處理；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過2道次冷軋，每道次的壓下量為10%，總壓下量為
20% ；
5.冷軋薄板再在450°C保溫120秒退火處理；
實(shí)施例5
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為:Zn 3.0%, Gd 1.0%, Zr 0.6%，其余為 Mg ；
1.合金方錠在420°C溫度下均勻化16h，然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在460°C保溫2小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到250°C，開始6道次軋制，每道次的壓下量為15%。第2和第4道次后回爐加熱到460°C保溫60分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為20%，總壓下量為78% ；
3.熱軋后的板材在350°C保溫12小時(shí)退火處理；4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過4道次冷軋，每道次的壓下量為8%，總壓下量為30%；
5.冷軋薄板再在400°C保溫360秒退火處理；
實(shí)施例6
本實(shí)施例采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的厚度為IOOmm的方形鑄錠，合金成分的質(zhì)量百分比為:Zn 3.0%, Gd 2.0%, Zr 0.6%，其余為 Mg ；
1.合金方錠在460°C溫度下均勻化24h，然后用水冷卻；
2.將銑面后的坯料在460°C保溫2小時(shí)；同時(shí)將軋輥預(yù)熱到300°C，開始8道次軋制，每道次的壓下量為15%。第2、第4和第6道次后回爐加熱到460°C保溫60分鐘后再繼續(xù)軋制，最后一道次壓下量為30%，總壓下量為74% ；
3.熱軋后的板材在380°C保溫10小時(shí)退火處理；
4.熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)過3道次冷軋，每道次的壓下量為12%，總壓下量為
33% ；
5.冷軋薄板再在420°C保溫1800秒退火處理；
表1實(shí)施例的測試結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種稀土鎂合金，其特征是組分及其質(zhì)量百分比為:Zn 0.5^4.0%、Gd 0.f 2%和Zr0.3~0.9%，其余為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土鎂合金，其特征是組分及其質(zhì)量百分比為:Zn3%、Gd 2%和Zr0.6%，其余為Mg。
3.權(quán)利要求1所述的稀土鎂合金薄板的制備方法，其特征是由以下步驟組成: 1)將稀土鎂合金鑄錠在40(T56(TC保溫10-48小時(shí)進(jìn)行均勻化退火處理，然后用水冷卻，再進(jìn)行銑面； 2)將銑面后的坯料在40(T520°C保溫I~4小時(shí)，同時(shí)將軋輥預(yù)熱到25(T320°C，開始4~8道次的軋制，每道次的壓下量為10~40%，每軋制2~3道次后回爐并加熱到40(T52(TC，保溫30-60分鐘繼續(xù)軋制，最后一道次的壓下量為20-40%，總壓下量為70-95% ； 3)熱軋后的板材在30(T400°C保溫0.5^24小時(shí)后退火； 4)熱軋后的中厚板在室溫下經(jīng)2~4道冷軋，每道次的壓下量為5~20%，總壓下量為20~55% ； 5)冷軋薄板再在25(T50(TC保溫15~18`00秒退火后，得到所述稀土鎂合金薄板。
【文檔編號】C22F1/06GK103866170SQ201410065340
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】黎小輝, 戚文軍, 宋東福, 鄭開宏, 周楠, 徐靜, 甘春雷 申請人:廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)