本發(fā)明屬于鎂合金
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：考慮到鎂合金具有優(yōu)異的綜合性能，并且隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，對(duì)于鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)，已變得刻不容緩。按照鎂合金是否含鋯，可將鎂合金分為含鋯鎂合金和不含鋯鎂合金。含鋯鎂合金通常晶粒細(xì)小，具有良好的力學(xué)性能。但鋯元素價(jià)格較貴，提高了生產(chǎn)成本，不利于含鋯鎂合金的大批量生產(chǎn)。另外，為了提高鎂合金的強(qiáng)韌性，通常采用變形加工工藝，如擠壓、軋制、鍛造等來(lái)優(yōu)化鎂合金的強(qiáng)度，或者通過(guò)添加一些稀土元素，如gd、er、nd、y、ce等來(lái)提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性，但這種方法生產(chǎn)成本高昂，限制了含稀土鎂合金的大范圍使用。因此，急需一種經(jīng)濟(jì)適用的高強(qiáng)度mg-zn-al系變形鎂合金的制備方法及由該方法制備出的具有更加優(yōu)異綜合力學(xué)性能的mg-zn-al系變形鎂合金。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于：(1)提供一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金；(2)提供一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金的制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：1、一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，所述鎂合金由以下組分組成：zn：5.5-6.5％，al：2.5-3.5％，cu：0.1-2.1％，不可避免雜質(zhì)≤0.15％，余量為鎂。優(yōu)選的，按質(zhì)量百分比計(jì)，所述鎂合金由以下組分組成：zn：6.0-6.5％，al：3.0-3.5％，cu：0.3-1.2％，不可避免雜質(zhì)≤0.15％，余量為鎂。優(yōu)選的，按質(zhì)量百分比計(jì)，所述鎂合金由以下組分組成：zn：6.05％，al：3.02％，cu：0.91％，不可避免雜質(zhì)≤0.15％，余量為鎂。2、所述的一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金的制備方法，包括以下步驟：(1)熔煉：以純鎂錠，純鋅錠，純鋁錠和純銅粉為原料，按所述鎂合金組分的質(zhì)量百分比進(jìn)行計(jì)算配料，將預(yù)熱到150±5℃的純鎂錠加入電阻爐中，加熱升溫到750±5℃至所述純鎂錠熔化，將所述鎂熔體溫度控制在720±5℃后依次將純鋅錠和純鋁錠加入至所述純鋅錠和純鋁錠充分熔化，靜置后打渣攪拌，然后降溫至680±5℃，將純銅粉加入所述鎂熔體中至所述純銅粉充分熔化，再次靜置后打渣攪拌，升溫至720±5℃，加入精煉劑進(jìn)行精煉，將所述鎂熔體溫度控制在720±5℃，保溫靜置30min后降溫至700±5℃，最后采用金屬模鑄造，制得鎂合金鑄錠；整個(gè)熔煉過(guò)程在co2和sf6的混合氣體保護(hù)下進(jìn)行；(2)機(jī)加工：去除步驟(1)中鎂合金鑄錠表面的氧化皮；(3)均勻化處理：將經(jīng)步驟(2)處理后的鎂合金鑄錠進(jìn)行雙級(jí)均勻化處理；(4)熱擠壓：將經(jīng)步驟(3)處理后的鎂合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓，制得含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金。優(yōu)選的，步驟(1)中，所述金屬模鑄造為將鎂熔體澆注到預(yù)熱到250±5℃的鐵鑄模中。優(yōu)選的，步驟(1)中，所述co2和sf6的混合氣體中sf6所占體積分?jǐn)?shù)為1％。優(yōu)選的，步驟(3)中，所述雙級(jí)均勻化處理具體為：先以石墨粉覆蓋經(jīng)步驟(2)處理后的鎂合金鑄錠，再用鋁箔進(jìn)行包裹后加熱升溫至330℃，保溫4小時(shí)，然后再次升溫至400℃，保溫12小時(shí)，空冷至室溫。優(yōu)選的，步驟(4)中，所述熱擠壓具體為：在擠壓比為25:1，擠壓速度為0.85m/min，350℃條件下進(jìn)行熱擠壓。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金及其制備方法，由于cu在鎂中固溶度極小，作為一種表面活性元素會(huì)吸附在晶面上，降低表面能，從而減少晶粒長(zhǎng)大所需的形核功，最終使得晶粒得以細(xì)化，本發(fā)明在mg-zn-al系變形鎂合金中添加0.3-1.2％cu元素，使得連續(xù)網(wǎng)狀分布的低熔點(diǎn)β-mg17al12相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小彌散分布的高熔點(diǎn)mgalcu三元相，弱化了β-mg17al12相的形成，不僅提高了合金的力學(xué)性能，還讓合金可以在更高的溫度下服役，其中，mgalcu三元相能有效阻礙動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中晶粒的長(zhǎng)大，最終擠壓態(tài)的晶粒尺寸約為2μm。添加5.5-6.5％zn元素，能夠避免合金因zn含量過(guò)高而導(dǎo)致mg-zn-al系變形鎂合金出現(xiàn)嚴(yán)重的熱裂和縮松，不利于合金的力學(xué)性能的缺陷，添加2.5-3.5％al元素，能夠避免因al過(guò)高，使al以第二相的形式存在于鎂基體中，形成連續(xù)的網(wǎng)狀相β-mg17al12，不利于合金的塑性的缺陷。此外，若zn元素、al元素含量均較低，則強(qiáng)化效果不顯著。該鎂合金的制備方法易于實(shí)施，耗時(shí)短，對(duì)設(shè)備的要求不高，且生產(chǎn)成本低，其中在對(duì)鎂合金均勻化時(shí)先用石墨粉覆蓋，然后再用鋁箔進(jìn)行包裹，可以很好地避免合金過(guò)熱或過(guò)燒。附圖說(shuō)明為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：圖1為實(shí)施例1-5中制備的mg-zn-al系變形鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；圖2為實(shí)施例1-5中制備的mg-zn-al系變形鎂合金的力學(xué)性能圖；圖3為實(shí)施例1-5中制備的mg-zn-al系變形鎂合金的x射線衍射圖；圖4為實(shí)施例中1擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖；圖5為實(shí)施例中2擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖；圖6為實(shí)施例中3擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖；圖7為實(shí)施例中4擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖；圖8為實(shí)施例中5擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖。具體實(shí)施方式下面將對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例表1各mg-zn-al系變形鎂合金的組成成分配比按照表1中各鎂合金組成成分配比由以下方法制得分別制得mg-6.12zn-3.25al系變形鎂合金、mg-6.28zn-3.37al-0.32cu系變形鎂合金、mg-6.34zn-3.13al-0.63cu系變形鎂合金、mg-6.05zn-3.02al-0.91cu系變形鎂合金、mg-6.47zn-3.49al-1.18cu系變形鎂合金六種鎂合金，制備方法如下：(1)熔煉：以純鎂錠，純鋅錠，純鋁錠為原料，依據(jù)mg-zn-al系變形鎂合金中各組分的質(zhì)量百分比進(jìn)行計(jì)算配料，將預(yù)熱到150℃的純鎂錠加入井式電阻爐中，加熱升溫到750℃至所述純鎂錠熔化，將所述鎂熔體溫度控制在720℃后依次將純鋅錠和純鋁錠加入至所述純鋅錠和純鋁錠充分熔化，靜置15min后打渣攪拌，然后降溫至680℃，將純銅粉加入所述鎂熔體中至所述純銅粉充分熔化，再次靜置后15min打渣攪拌，升溫至720℃，加入德國(guó)溶劑進(jìn)行精煉，將所述鎂熔體溫度控制在720℃，保溫靜置30min后降溫至700℃，最后將鎂熔體澆注到預(yù)熱到250℃的鐵鑄模中，空冷，制得鎂合金鑄錠；整個(gè)熔煉過(guò)程在co2和sf6的混合氣體保護(hù)下進(jìn)行，其中，混合氣體中sf6所占體積分?jǐn)?shù)為1％；(2)機(jī)加工：去除步驟(1)中鎂合金鑄錠表面的氧化皮，并將鑄錠車成直徑80mm；(3)均勻化處理：先以石墨粉覆蓋經(jīng)步驟(2)處理后的鎂合金鑄錠，再用鋁箔進(jìn)行包裹后加熱升溫至330℃，保溫4小時(shí)，然后再次升溫至400℃，保溫12小時(shí)，空冷至室溫；(4)熱擠壓：將經(jīng)步驟(3)處理后的鎂合金鑄錠在擠壓比為25:1，擠壓速度為0.85m/min，340℃條件下進(jìn)行熱擠壓，mg-zn-al系變形鎂合金。性能測(cè)試一、力學(xué)性能檢測(cè)根據(jù)國(guó)標(biāo)gb228-2002的標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)施例1-5所制得的mg-zn-al系變形鎂合金材料線切割加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸方向平行于擠壓方向。所得拉伸樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，由圖1得到各鎂合金材料的力學(xué)性能圖及各力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如圖2和表2所示。表2實(shí)施例1-5中mg-zn-al系變形鎂合金材料的力學(xué)性能實(shí)施例合金名屈服強(qiáng)度(mpa)抗拉強(qiáng)度(mpa)延伸率(％)實(shí)施例1mg-6.12zn-3.25al15733620實(shí)施例2mg-6.28zn-3.37al-0.32cu25337416實(shí)施例3mg-6.34zn-3.13al-0.63cu22736215實(shí)施例4mg-6.05zn-3.02al-0.91cu28038519實(shí)施例5mg-6.47zn-3.49al-1.18cu22633416由表2可知，實(shí)施例2-5中制備的含cu的mg-zn-al系變形鎂合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在cu含量為0.9％時(shí)均得到了顯著提高，與不含cu的mg-zn-al系變形鎂合金相比，屈服強(qiáng)度提高了123mpa，提升了78.3％，抗拉強(qiáng)度提高了49mpa，提升了14.6％。二、顯微組織分析圖3為實(shí)施例1-5的擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料的x射線衍射圖譜，由圖3可知，實(shí)施例1中不含cu的擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金中主要的相組成為基體α-mg，mg32(al，zn)49，而實(shí)施例2-5中含cu的擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金中主要的相組成為基體α-mg，mg32(al，zn)49和mgalcu相。圖4-8分別為實(shí)施例1-5的擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金材料沿垂直于擠壓方向的微觀組織金相圖，由圖可知，實(shí)施例1中不含cu的擠壓態(tài)mg-zn-al系變形鎂合金的平均晶粒尺寸約為8μm，而當(dāng)鎂合金中加入cu后，其晶粒尺寸顯著細(xì)化，這是由于加入cu后形成的高熔點(diǎn)mgalcu相，釘扎晶界，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大。其中，當(dāng)加入的cu質(zhì)量百分含量為0.9％時(shí)，細(xì)化晶粒的效果最為明顯，晶粒尺寸最小，約為2μm。另外，第二相的分布細(xì)小均勻彌散，并且存在晶粒內(nèi)部和晶界。這說(shuō)明該彌散分布的第二相不僅起到細(xì)化晶粒的作用，在合金受力變形還能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。本發(fā)明通過(guò)向mg-zn-al系變形鎂合金中添加cu元素，合理調(diào)節(jié)合金中zn和al的含量，最終制備的含cu的mg-zn-al系變形鎂合金與傳統(tǒng)工藝所制得的鎂合金相比，其力學(xué)性能大大提高，具有非常好的綜合力學(xué)性能。該合金的各項(xiàng)力學(xué)性能均達(dá)到甚至超過(guò)商用含鋯鎂合金(如zk60)。另外對(duì)于mg-al-zn即az系合金來(lái)說(shuō)，主要的強(qiáng)化相為β-mg17al12相，該相的熔點(diǎn)較低，并且以連續(xù)網(wǎng)狀第二相形式存在與鎂基體中，對(duì)鎂合金力學(xué)性能的提高不利，并且會(huì)顯著降低合金的高溫力學(xué)性能。但在mg-zn-al即za系合金中，主要的第二相為mg32(al,zn)49，該相的熔點(diǎn)高于β-mg17al12相，并且其強(qiáng)化效果也顯著優(yōu)于β-mg17al12相，加之在za系合金中加入適量的cu元素，使該合金中產(chǎn)生mgalcu相，進(jìn)一步提升該合金的綜合性能。本發(fā)明中含cu的高強(qiáng)mg-zn-al系變形鎂合金的力學(xué)性能高于常見的擠壓態(tài)az31、az61和az80的力學(xué)性能，擴(kuò)大了mg-zn-al系鎂合金的使用范圍。并且制備過(guò)程中耗時(shí)短，對(duì)設(shè)備的要求不高，且生產(chǎn)成本低，為以后的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本發(fā)明中，制備mg-zn-al系鎂合金過(guò)程中，在熔煉工序時(shí)，所涉及到的溫度均可在±5℃內(nèi)變動(dòng)。最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12