一種低成本非稀土型高強(qiáng)鎂合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料和金屬材料加工領(lǐng)域，特別涉及一種低成本非稀土型高強(qiáng)鎂 合金及其制備方法；該新型鎂合金可作為潛在的耐熱鎂合金及生物醫(yī)用鎂合金材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂密度約為1. 74g/cm3,是鋁合金的2/3,鋼鐵的1/4。鎂及鎂合金具有資源豐富、 節(jié)約能源、環(huán)境友好的三大優(yōu)勢。與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金是最輕的商用金屬結(jié) 構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度比剛度高，減震性、電磁屏蔽和抗輻射能力強(qiáng)，易切削加工，可回收等優(yōu) 點，在汽車、電子、電器、交通、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是繼鋼鐵和鋁合金之 后發(fā)展起來的輕量化金屬結(jié)構(gòu)材料，同時也有被開發(fā)成生物醫(yī)用材料和電池功能材料的前 景，被譽(yù)為本世紀(jì)的綠色工程材料。
[0003] 但是，絕對強(qiáng)度較低，耐蝕性差，室溫成形能力差等原因大大限制了鎂及其合金作 為新型綠色材料的應(yīng)用。目前大量使用的商用AZ系鎂合金和ZK系鎂合金經(jīng)變形后的強(qiáng)度 也一般不超過350MPa，難以滿足高性能結(jié)構(gòu)材料等的使用要求。因此，開發(fā)高強(qiáng)度鎂合金對 拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
[0004] 近年來，隨著對交通運輸工具輕量化要求的日益迫切，已有大量研究工作通過各 種方法來制備高強(qiáng)鎂合金，包括添加大量稀土元素，采用粉末冶金或大塑形變形等特殊加 工方法。國內(nèi)逐漸有一些高強(qiáng)鎂合金被陸續(xù)開發(fā)出來，如中國專利公開號為CN103290292A 公開了一種高強(qiáng)鎂合金，其屈服強(qiáng)度可以達(dá)到350~380MPa，抗拉強(qiáng)度為410~450MPa，延 伸率在6%以上，各組分質(zhì)量百分含量為Cd 1.0~15wt%，Bi 2.0~10.0wt%，Zn 5.0~ 13wt%，Y 7. 0 ~15. Owt%，Zr 0? 4 ~1. Owt%，Nb 0? 1 ~5. Owt%，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、 和Ni的總量小于0. 02wt %，因合金元素種類較多且稀土含量高，不可避免增加合金成本， 同時為保證混合均勻，需額外采用電磁攪拌連續(xù)鑄造的方法制備合金錠坯料，變形后對合 金進(jìn)行熱處理進(jìn)一步提高了合金成本。中國專利公開號CN1924054公開了一種新型高強(qiáng)鎂 合金，該鎂合金用重量百分含量為3~20 %的W14AlsjP 80~97 %的Mg粉末復(fù)合，通過半 固態(tài)流變鍛壓技術(shù)制備高強(qiáng)鎂合金，其抗拉強(qiáng)度在305~492MPa之間，工藝比較復(fù)雜。中 國專利公開號CN101892445A公開一種高強(qiáng)鎂合金，其合金成分為Gd 6~13wt%，Y 2~ 6wt%，Zr 0? 3~0? 8wt%，其抗拉強(qiáng)度大于600MPa，屈服強(qiáng)度大于540MPa，延伸率大于 1 %，但其需要采用非常規(guī)大塑性變形方法，且需進(jìn)行20~100h的等溫時效處理，制備工藝 過程對生產(chǎn)條件要求較高，且含有大量稀土元素，這些都直接或間接增加了合金成本。
[0005] 由此可見，為了更好地滿足消費電子、汽車等行業(yè)對高強(qiáng)鎂合金低成本、易加工、 高性能的要求，迫切需要開發(fā)出能夠運用簡單可連續(xù)的生產(chǎn)加工過程制備不含稀土的低成 本超高強(qiáng)度鎂合金材料，這也將極大地拓展鎂合金在未來進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，具有重大的 經(jīng)濟(jì)和社會意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的為針對現(xiàn)有高強(qiáng)鎂合金存在的大量使用多種稀土元素或高價合金 元素導(dǎo)致成本過高，或是為了提高強(qiáng)度而采用特殊變形加工工藝以至難以實現(xiàn)大批量商業(yè) 化生產(chǎn)等問題，提供一種低成本非稀土型高強(qiáng)鎂合金及其制備方法。該合金為一種新型的 Mg-Bi-Ca-Mn合金，在這個合金系中，用極其簡單的加工手段，就可以得到超高強(qiáng)度的變形 鎂合金，其屈服強(qiáng)度達(dá)到390MPa以上，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時原材料及加工成本 低廉，易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種低成本非稀土型高強(qiáng)鎂合金，該合金為Mg-Bi-Ca-Mn鎂合金，其化學(xué)成分質(zhì) 量百分比為：Bi 2~10.0 wt%，Ca 0? 1~1. 5wt%，Mn 0? 1~1. Owt%，其余為鎂及不可避 免的雜質(zhì)。
[0009] 所述的低成本非稀土型高強(qiáng)鎂合金的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)純Mg錠、純Bi塊、Mg-Ca中間合金以及Mg-Mn中間合金為原料，經(jīng)表面預(yù)處理 后，按所述的鎂合金成份的質(zhì)量百分比各自備料；
[0011] 2)將純Mg錠放入熔煉爐的坩堝中，設(shè)定爐溫710~760°C并保持，待其融化后，依 次將預(yù)熱到200~250°C的純Bi塊、Mg-Mn中間合金和Mg-Ca中間合金加入到鎂熔液中；保 溫5~15分鐘，然后攪拌5~10分鐘，再保溫5~10分鐘；最后采用金屬模鑄造或半連續(xù) 鑄造，制備成合金鑄徒；
[0012] 合金的熔化、攪拌、靜置和鑄造是在〇)2和SF 6的混合氣體保護(hù)下進(jìn)行的；
[0013] 3)將上步得到的合金鑄錠在氬氣保護(hù)下進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度為480~ 530°C，時間為4~48小時；
[0014] 4)將上步得到的固溶處理后鑄錠切割成相應(yīng)的坯料并去皮；
[0015] 5)將上步得到的坯料在30分鐘之內(nèi)加熱到200~450°C后，放入模具中進(jìn)行變形 處理，擠壓變形速度為0. 1~30m/min，擠壓比為10~50 ;變形加工后進(jìn)行空冷，最后得到 所述的低成本非稀土型高強(qiáng)鎂合金材料；
[0016] 所述的變形處理可以為擠壓、乳制和鍛造中的一種或多種。
[0017] 所述的0)2和SF 6的混合氣體的組成為體積比為CO 2:SF 6= 50~100 :1。
[0018] 所述的模具為用于成形棒、板、管、線或型材的模具。
[0019] 所述的步驟2)中的攪拌為機(jī)械攪拌或吹氬氣攪拌。
[0020] 所述的Mg-Ca中間合金優(yōu)選為Mg-20Ca中間合金；Mg-Mn中間合金優(yōu)選為Mg-5Mn 中間合金。
[0021] 本發(fā)明的實質(zhì)性特點為：
[0022] 鎂合金的強(qiáng)度與合金中晶粒大小，第二相的種類，尺寸，數(shù)量，分布密切相關(guān)。通過 晶粒細(xì)化，不僅能夠提高強(qiáng)度，還可同時改善塑性，可獲得更為優(yōu)異的綜合性能。高強(qiáng)度鎂 合金需要控制并得到細(xì)小的晶粒組織，一般通過在熱變形過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶達(dá)到。在 擠壓等熱加工過程中，鑄造過程中形成的鑄造缺陷會在很大程度上被減輕，粗大的第二相 會被破碎細(xì)化，并且彌散分布于鎂合金基體當(dāng)中，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。動態(tài)再結(jié)晶 晶粒的長大若受到抑制，則易于獲得細(xì)小晶粒。
[0023] 本發(fā)明的鎂合金以Bi為主要合金化元素，Bi與合金中的Mg能原位形成高熱穩(wěn)定 性的Mg 3Bijg。在擠壓過程中未被固溶的該第二相會被破碎成微米級顆粒后彌散分布在基 體上，與熱變形過程中動態(tài)析出的納米級彌散均勻分布的Mg3Bi2相共同作用，可有效釘扎 晶界，阻礙位錯的運動，抑制再結(jié)晶晶粒長大，提高合金的綜合力學(xué)性能；本發(fā)明合金熔煉 時比較均勻穩(wěn)定，由于主合金化元素Bi的熔點（271. 3°C )較低，很容易使合金熔體均勻，同 時由于有Ca元素在鎂合金中具有較好的阻燃作用，熔體也較穩(wěn)定。同時微量Mn元素可通 過形成Fe-Mn化合物來降低合金中鐵的含量，從而改善合金中雜質(zhì)元素的有害作用。合金 經(jīng)固溶、擠壓成形后，室溫（25°C )下拉伸屈服強(qiáng)度大于390MPa。
[0024] 該新型高強(qiáng)鎂合金不添加任何稀土元素和高價合金元素，成本低廉?？勺鳛榻煌?運輸、航空航天、計算機(jī)、通訊和消費類電子產(chǎn)品的零部件材料使用。同時該鎂合金的組成 元素中不存在對人體有害的元素，還具有作為潛在的生物醫(yī)用材料的應(yīng)用前景。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著進(jìn)步與優(yōu)點如下：
[0026] 1)本發(fā)明的新型鎂合金以Mg-Bi二元合金系列為基礎(chǔ)，將Bi元素作為主要合金 化元素，并通過簡單的合金化手段，用Ca元素和Mn元素對該第二