一种高效挤压低含量高强塑镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高效挤压低含量高强塑镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最具潜力的绿色结构材料之一，因具有优异的比强度、比刚度和优秀的阻尼减震性，能够回收利用，在航空航天、交通运输和电子制造行业等领域中具有广泛的应用前景。推动镁合金，尤其是变形镁合金广泛应用对缓解日益严峻的环境和能源危机等问题具有重要意义。然而，与商业化铝合金相比，常用商业镁合金AZ80和ZK60在高温下仅能实现0.5-2.5m/min的挤压速度，仅为铝合金挤压速度的1/10。因此镁合金加工成形性差、成品率低、制造成本高以及强塑性难以同步提高是限制挤压镁合金应用的主要问题之一。

现有技术通过增加合金元素含量或者添加高含量稀土元素等方式提高合金强塑性，这将导致合金生产成本上涨，同时将降低合金挤压速度，限制了高性能挤压镁合金的大规模生产。商业化镁合金中具有大量易于熔化的低熔点不稳定共晶相，在挤压过程中，易于回熔到基体中，此外镁合金中阻止晶粒长大的钉轧相数量较少，这将使得合金产生裂纹，最终将对合金力学性能产生不利影响。因此如何提高镁合金成品率、挤压速度以及降低成本以实现合金强塑性同步提高是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种高效挤压低含量高强塑镁合金，所述的合金按照质量百分比计，由如下成分组成：铋：0.1-1％、锰：0.5-1％、锌：0.1-0.6％、钙：0.1-0.3％、不可避免的杂质≤0.05％，余量为镁；所述合金元素总含量＜3％，它的制备方法包括如下步骤：

(1)按照合金组分配比，在二氧化碳和六氟化硫混合气体保护下，二氧化碳和六氟化硫的体积比为90-99:10-1；将纯镁在300-400℃保温30-90min，再升温至680-695℃获得镁液，选用纯锌、镁-铋、镁-锰和镁-钙中间合金作为合金料，将所述合金料在100-200℃预热处理30-100min后依次加入镁液中，再升温至720-740℃加热熔化；加入无水氟化钙精炼剂后静置5-10min，再在660-710℃搅拌均匀并保温10-20min吹入氩气进行精炼并清渣后获得镁合金熔液，再将超声探头插入距离镁合金熔液1/3-2/3处进行超声处理后通过重力铸造法浇注到150-250℃的模具中获得合金铸锭；

(2)将步骤(1)获得的合金铸锭进行均质化处理和淬火，再在150-450℃保温60-120min后进行挤压处理、空冷至室温，再进行时效处理后冷却至室温获得高效挤压低含量高强塑镁合金；所述的镁合金屈服强度≥280MPa，延伸率≥18.6％；

步骤(1)所述的超声处理为：在1200-2200W功率下超声1-20min；

步骤(2)所述的均质化处理为：在400-550℃保温4-10h；挤压处理为：在150-450℃进行挤压，挤压比为20-40:1，挤压速度为9-28m/min；所述的时效处理为：在100-300℃保温10-48h。

进一步地，步骤(1)所述的超声处理为：在1500-2000W功率下超声5-20min；步骤(2)的均质化处理为：在450-500℃保温6-8h；挤压处理为：在200-400℃进行挤压，挤压比为25-35:1，挤压速度为9-25m/min；所述的时效处理为：在150-250℃保温12-24h。

进一步地，步骤(2)获得的镁合金屈服强度为305.7-360MPa，延伸率为20.5-30％。

进一步地，步骤(2)获得的镁合金屈服强度为320-350MPa，延伸率为25-26％。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

现有技术通过添加高含量合金元素或稀土元素等方法提高镁合金的力学性能，这将使得合金的挤压速度较慢，增加镁合金的生产成本。本发明通过合金组分(种类、配比)间相互作用以及工艺参数协同调控，在降低合金添加量(合金添加量＜3％)、未采用稀土元素以及在快速挤压工艺条件下，改善了低含量镁合金的微观组织，与现有技术公开的挤压镁合金内部形成大量低熔点相相比，本发明形成更多的高熔点相(该相较难回熔到基体中)，能够抑制孔洞及热裂纹的产生；与现有技术公开的合金微观组织相比，本发明析出的β相以及元素在晶界处的偏聚能够有效钉轧晶界和位错，延缓变形晶粒动态再结晶，阻碍已经动态再结晶的晶粒异常长大，此外与现有技术相比，本发明获得的阻止晶粒长大的钉轧相数量较多，同时获得了更加细小动态再结晶晶粒和长条状变形晶粒共存的双峰组织以及均匀分散的纳米级第二相，在高熔点相、大量钉轧相、双峰组织、晶界偏聚、纳米相析出等多种强化共同作用下，最终实现合金强塑性的同步提高，合金屈服强度≥280MPa，延伸率≥18.6％。

附图说明：

图1是实施例1的Mg-1Bi-0.8Mn-0.6Zn-0.3Ca合金室温力学性能曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

以Mg-1Bi-0.8Mn-0.6Zn-0.3Ca合金为例(按照质量百分比计，由如下组分组成：铋：1％、锰：0.8％、锌：0.6％、钙：0.3％，不可避免的杂质≤0.05％、余量为镁)，其制备方法包括如下步骤：

(1)按照合金组分配比，在二氧化碳和六氟化硫混合气体保护下(所述的二氧化碳和六氟化硫体积比为90:10)将纯镁在300℃保温90min，再升温至690℃使得纯镁熔化获得镁液，选用纯锌、镁-锰、镁-钙、镁-铋中间合金作为合金料，将所述合金料在200℃预热处理90min后，加入镁液中，再升温至720℃，加入无水氟化钙精炼剂静置5min；再在700℃搅拌均匀并保温20min后吹入氩气进行精炼并清渣后获得镁合金熔液，再将超声探头插入距离镁合金熔液1/3处进行超声处理(超声功率为2000W，时间5min)，再通过重力铸造法浇注到250℃的模具中获得合金铸锭；

(2)将步骤(1)获得的合金铸锭进行均质化处理后立即进行淬火，所述的均质化处理为在500℃保温6h，所述淬火为常温水淬至室温；在300℃保温120min，再在300℃进行挤压，所述的挤压比为25:1，挤压速度为9m/min，再进行时效处理后空冷至室温获得Mg-1Bi-0.8Mn-0.6Zn-0.3Ca合金，所述的时效处理为：在220℃保温12h；

步骤(2)获得的Mg-1Bi-0.8Mn-0.6Zn-0.3Ca合金屈服强度为320MPa，延伸率为18.6％。

实施例2

以Mg-0.7Bi-0.6Mn-0.5Zn-0.2Ca合金为例(按照质量百分比计，由如下组分组成：铋：0.7％、锰：0.6％、锌：0.5％、钙：0.2％，不可避免的杂质≤0.05％、余量为镁)，其制备方法包括如下步骤：

(1)按照合金组分配比，在二氧化碳和六氟化硫混合气体保护下(所述的二氧化碳和六氟化硫体积比为95:5)将纯镁在320℃保温60min，再升温至695℃使得纯镁熔化获得镁液，选用纯锌、镁-锰、镁-钙、镁-铋中间合金作为合金料，将所述合金料在180℃预热处理100min后，依次加入镁液中，再升温至730℃，加入无水氟化钙精炼剂静置8min；再在690℃搅拌均匀并保温18min后吹入氩气进行精炼并清渣后获得镁合金熔液，再将超声探头插入距离镁合金熔液1/2处进行超声处理(超声功率为1800W，时间8min)，再通过重力铸造法浇注到200℃的模具中获得合金铸锭；

(2)将步骤(1)获得的合金铸锭进行均质化处理后立即进行淬火，所述的均质化处理为在480℃保温8h，所述的淬火为常温水淬至室温；在320℃保温100min，再在320℃进行挤压，所述的挤压比为30:1，挤压速度为20m/min，再进行时效处理后空冷至室温获得Mg-0.7Bi-0.6Mn-0.5Zn-0.2Ca合金，所述的时效处理为：在200℃保温20h；

步骤(2)获得的Mg-0.7Bi-0.6Mn-0.5Zn-0.2Ca合金的屈服强度为305.7MPa，延伸率为20.5％。

实施例3

以Mg-0.5Bi-1Mn-0.5Zn-0.15Ca合金为例(按照质量百分比计，由如下组分组成：铋：0.5％、锰：1％、锌：0.5％、钙：0.15％，不可避免的杂质≤0.05％、余量为镁)，其制备方法包括如下步骤：

(1)按照合金组分配比，在二氧化碳和六氟化硫混合气体保护下(所述的二氧化碳和六氟化硫体积比为93:7)将纯镁在350℃保温50min，再升温至685℃使得纯镁熔化获得镁液，选用纯锌、镁-锰、镁-钙、镁-铋中间合金作为合金料，将所述合金料在190℃预热处理100min后，加入镁液中，再升温至735℃，加入无水氟化钙精炼剂静置10min；再在710℃搅拌均匀并保温15min后吹入氩气进行精炼并清渣后获得镁合金熔液，再将超声探头插入距离镁合金熔液1/3处进行超声处理(超声功率为1500W，时间20min)，再通过重力铸造法浇注到245℃的模具中获得合金铸锭；

(2)将步骤(1)获得的合金铸锭进行均质化处理后立即进行淬火，所述的均质化处理为在490℃保温5h，所述的淬火为常温水淬至室温；在350℃保温60min，再在350℃进行挤压，所述的挤压比为35:1，挤压速度为25m/min，再进行时效处理后空冷至室温获得Mg-0.5Bi-1Mn-0.5Zn-0.15Ca合金，所述的时效处理为：在180℃保温24h；

步骤(2)获得的时效态Mg-0.5Bi-1Mn-0.5Zn-0.15Ca合金的屈服强度为280

MPa，延伸率为25％。

对比例1

题为“热挤压和轧制工艺对AE44镁合金组织和性能的影响”(论文发表日期：2018年11月，论文单位：西安理工大学，论文作者：艾向乐)的硕士论文，在实验材料中提到，所选用的材料重量百分比为Al：3.99％、RE(Ce+La)：4.34％、Mn：0.36％、Zn：0.02％、Fe：0.002％、余量为Mg。其中涉及的最高挤压速度为2m/min，获得的合金屈服强度为180.7MPa，延伸率为9.5％。与本发明相比，对比例1的合金元素添加量是本发明合金最高添加量(2.9％)的3倍，并且加入了大量昂贵的稀土元素(Ce+La)，而本发明未加入任何稀土元素，因此对比例1与本发明相比，同时对比例1的挤压速度(2m/min)远远小于本发明加工合金采用的最低挤压速度(9m/min)，因此与对比例1相比，本发明有利于产业化生产。此外，对比例1获得的合金屈服强度和塑性分别低于本发明获得的合金最低屈服强度和塑性，综上，与对比例1相比，本发明在减少了合金添加量以及未采用稀土元素的情况下，显著提高了镁合金挤压速度，取得了比对比例1更高的强度和塑性，实现了合金强塑性的同步提高。

对比例2

题为“Effects of extrusion parameters on the microstructure andmechanical properties of Mg–Zn–(Mn)–Ce/Gd alloys”(发表期刊：Materials Science&Engineering A，期刊卷号：第598卷，论文发表时间：2014年3月，论文作者：Sung Hyuk Park等)的期刊论文，在实验材料中提到，所选用的材料重量百分比为Zn：2％、Gd：1.5％、余量为Mg。对比例的合金Mg–2Zn–1.5Gd(合金元素添加含量高于本发明的合金元素最高添加量(2.9％)，并且加入了大量稀土，而本发明未加入稀土)，对比例中的最高挤压速度为4m/min(远远小于本发明的最低挤压速度(9m/min))，屈服强度为215MPa，延伸率为11.7％，其中对比例获得的合金强度和塑性分别低于本发明获得合金的最低强度和塑性。与对比例相比，本发明的挤压速度更快，合金元素添加含量较少，而且未加入稀土，与对比例相比，本发明使合金的强塑性同步提高。

综上：与现有技术相比，本发明在减少合金添加量，并在未采用稀土元素的情况下，在高挤压速度下，获得的合金强度和塑性分别高于现有技术获得的合金强度和塑性。本发明通过合金组分间相互作用以及工艺参数协同调控，在低含量合金化和不加入稀土的情况下，实现镁合金快挤压成形；在高熔点相、大量钉轧相、双峰组织、晶界偏聚、纳米相析出等多种强化共同作用下，获得了高强塑性镁合金，适用于产业化生产，提高生产效率，简化生产工艺，降低能耗和生产成本，解决了镁合金强塑性无法同步提高以及高效产业化生产等方面的技术难题。