CN106939388B - 一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金及其制备方法 - Google Patents
一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种低成本高强高韧各向同性Mg‑Zn‑Y合金及其制备方法，各组分的质量百分含量为：Zn=1.2～1.4，Y=2.2～2.5，Fe≤0.06，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质。制备方法包括如下步骤：先将经过均匀化处理Mg‑Zn‑Y合金铸锭在挤压机上进行挤压；随后将挤压后的合金进行轧制，累积下压10%‑30%；最后将轧制后的合金热处理。本发明通过轧制变形与热处理协同耦合技术可显著提高Mg‑Zn‑Y合金的力学性能，并大幅度减小合金力学性能的各向异性，得到低成本高强高韧各向同性镁合金，且密度小于1.8g/cm3。本发明工艺简单，可移植性强，且容易操作，材料能满足不同方向上力学性能的实际要求，可广泛应用于航空航天、汽车和轨道交通等领域，以达到轻量化和减振降噪的作用。
Description
技术领域
本发明属于镁合金材料技术，涉及一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金及其制备工艺。具体是根据稀土元素对织构的弱化作用，向镁锌二元合金中添加稀土Y，并通过控制后续的轧制和热处理工艺来制备较高强度、高的塑性和低的各向异性的镁合金板的加工技术，提高镁合金室温和低温塑性和成形性能。
背景技术
镁合金是目前使用的最轻的结构材料，它的密度是铝的2/3，钢的1/5，有高的比强度、比刚度、比模量，资源丰富、节能环保，具有广泛的应用领域，被世界公认为“二十一世纪最有发展前景的新材料”。由于镁合金特殊的密排六方晶体结构，其在变形过程中极易产生织构，从而导致合金在不同方向上表现出较大的性能差异，具有非常明显的各向异性。力学性能各向异性成为制约镁合金大型挤压材和轧制材发展的主要因素。
目前改善合金力学性能各向异性的方法有添加合金元素、多向锻造等。稀土元素能够净化熔体，细化晶粒，提高合金的力学性能，并能弱化织构，因而常被用来改善镁合金合金的性能。专利CN102876948A中通过往AZ31中添加Li和Al-5Ti-B，并对其进行挤压加工，细化了合金的晶粒，降低了各向异性，并提高了合金的力学性能。专利CN105483484A通过将合金化、挤压和时效相结合，制备出各向同性的Mg-Zn-Zr-RE高强度变形镁合金。但由于其需要进行往复挤压，难以制备大规格材料，且时效耗时较长，不利于应用推广。专利CN103911569A通过对合金进行多道次的多向锻造和压力加工，有效的弱化了变形镁合金的的力学性能各向异性，但是该方法对初始坯料有较多要求，应用范围较窄。虽然，目前已有一些改善合金各向异性性能的方法，但各种方法均由一定的局限性。因此，为了扩大变形镁合金的应用范围，很有必要开发一种工艺简单，周期较短，成本较低的加工方法。
挤压、轧制和热处理是镁合金常用的三种加工方法，国内外对其进行了广泛的研究。挤压变形是重要的塑性变形方式之一。挤压变形过程中由于具有强烈的三向压应力，能够有效的防止塑性较差的镁合金在剧烈的变形中发生破坏。此外，挤压变形能够消除铸造缺陷，细化合金组织和晶粒，能大幅提高合金的力学性能。轧制变形被公认为是一种提高镁合金强度的方法。L.B.Tong等对含LPSO相的挤压态Mg-Zn-Y合金进行小变形轧制实验，轧制后合金的基面织构强度增大，LPSO相有所细化，加上合金中存在高密度的位错，使得合金的屈服强度从240MPa增大到364MPa。C.Xu等对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金进行了较大变形量的轧制变形，同样显著提高了合金的的力学性能。热处理是一种常用的调控合金强度和塑性的方法。专利CN201010588372.2通过“固溶+时效”处理显著提高了Mg-Zn-Zr合金的室温强度和塑性。专利CN201110077840.4通过“固溶+时效”热处理提高了Mg-Al-Zn-Gd合金的强度和塑性。专利CN201410704385.X通过对AZ81板材进行“固溶+轧制+时效”的变形热处理工艺使得合金的室温抗拉强度提高了15.5%-18.2%，但并未提到塑性的变化情况。固溶+时效处理通常被用来提高合金的强度和塑性，但是耗时较长，成本较高，不利于推广到工程应用。
挤压后的合金通常含有非常明显的流线型组织，因而在不同方向上的力学性能差别通常较大。轧制变形可大幅度提高合金的强度，但是却不利于合金的塑性。对轧制变形后的合金进行热处理通常可以显著改善合金的塑性，提高其成形性能。因而，本发明中通过“挤压+轧制+热处理”来综合调控合金的力学性能，力求获得一种强度较高、塑性较好、各向异性较弱的合金。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金，解决镁合金由于力学性能低、各向异性较强以及成本高而应用受限的问题。进一步还提供其制备方法，通过挤压、轧制和热处理耦合技术实现低合金元素Mg-Zn-Y合金的力学性能的优化，得到一种低成本高强高韧各向同性的镁合金，具有较好力学性能且能有效弱化变形镁合金力学性能各向异性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金，其特征在于，各组分的质量百分含量为：Zn=1.2～1.4，Y=2.2～2.5，Fe≤0.06，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质。
一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金的制备方法，通过挤压变形、轧制变形和热处理耦合技术实现镁合金力学性能的优化，具体包括如下步骤：
（1）按上述配方，通过电阻炉进行熔炼，在720℃保温并搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至700℃静置保温20分钟，然后将熔炼的合金液浇铸到300℃的模具之中，随模冷却，得到的Mg-Zn-Y合金铸锭。熔炼和浇铸过程中用1%的SF6和CO2的混合气体对熔液进行保护。其中，Zn以纯锌形式加入、Y以Mg-26wt%Y中间合金形式加入；
（2）将步骤（1）得到的Mg-Zn-Y合金铸锭在480-520℃均匀化处理6-10小时；
（3）将步骤（2）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金和挤压模具在400～450℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度400～450℃，挤压比为10，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；
（4）将步骤（3）挤压后的Mg-Zn-Y合金在430-460℃进行轧制，单道次下压3%-8%，累积下压10%-30%；
（5）将步骤（4）轧制后的Mg-Zn-Y合金在450-550℃热处理2-8小时，最后空冷。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用Mg-1.3%Zn-2.4%Y合金，合金元素含量较少、成本低，针对Mg-Zn-Y合金中的Zn和Y是有效的强化元素，通过本方法处理后的镁合金不同方向上的强度和塑性均有明显改善，实现了力学性能的优化和各向异性的弱化，其中经过轧制变形和热处理耦合技术处理后，其不同方向上的力学性能较好，且比较均匀，抗拉强度为（271±10）MPa，延伸率为21.3%±2.6%。
2、本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，合金元素含量极低，成本低廉，得到了一种低成本高强高韧各向同性镁合金材料，解决了镁合金室温塑性较差，板材力学性能各向异性较为明显的问题，可广泛应用于航空航天、汽车和轨道交通等领域，以达到轻量化和减振降噪的作用。
附图说明
图1是对比例1和对比例2的力学曲线；
图2是实施例1的力学曲线；
图3是实施例2的力学曲线。
具体实施方式：
下面通过具体实施例对本发明作详细说明。本实施例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于以下实施例。
。
下面以对比例1和实施例1，以及对比例2和实施例2的配方为例对本发明方法作进一步详细说明。实施例3-6的制备方法和效果具有相似的效果，不再累述。
对比例1：一种Mg-Zn-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）通过电阻炉熔炼Mg-Zn-Y合金，在720℃保温并搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至700℃静置保温20分钟，然后将熔炼的合金液浇铸到300℃的模具之中，随模冷却，得到的Mg-Zn-Y合金铸锭。熔炼和浇铸过程中用1%的SF6和CO2的混合气体对熔液进行保护。其中，Zn以纯锌形式加入、Y以Mg-26wt%Y中间合金形式加入；
（2）将步骤（1）得到的Mg-Zn-Y合金铸锭在480-520℃均匀化处理6-10小时；
（3）将步骤（2）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金和挤压模具在400～450℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度400～450℃，挤压比为10，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；
对采用以上方法制备的Mg-Zn-Y合金进行不同方向上的力学性能测试。测试方向为沿挤压方向（0°），垂直于挤压方向（90°），与挤压方向成45°方向；测试温度为室温；拉伸速度为2mm/min。
结果显示挤压态Mg-1.3%Zn-2.4%Y合金不同方向上的力学性能：抗拉强度平均值为248.7MPa，抗拉强度之差的极值为84MPa，最大抗拉强度是最小抗拉强度的1.40倍，延伸率平均值为7.8%，延伸率之差的极值为6.1%，最大延伸率是最小延伸率的2.39倍。不同方向上合金的力学性能差别较大，具有较强的各向异性。
实施例1：一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）将上述挤压态Mg-Zn-Y合金在450℃下沿挤压方向进行轧制，轧制前保温20min，各道次之间保温5min，单道次下压5%，累积下压20%；
（2）将轧制后的Mg-Zn-Y合金在500℃热处理2小时，最后空冷。
对采用以上方法制备的Mg-Zn-Y合金进行不同方向上的力学性能测试。测试方向为沿挤压方向（0°），垂直于挤压方向（90°），与挤压方向成45°方向；测试温度为室温；拉伸速度为2mm/min。
结果显示热处理态Mg-1.3%Zn-2.4%Y合金不同方向上的力学性能：抗拉强度平均值为270MPa，抗拉强度之差的极值为20MPa，最大抗拉强度是最小抗拉强度的1.08倍，延伸率平均值为21.3%，延伸率之差的极值为6.2%，最大延伸率是最小延伸率的1.35倍。不同方向上合金的力学性能差别较小，力学性能各向异性较弱。该合金相比于“对比例1”，强度和延伸率均大幅提高，且不同方向上强度和延伸率之间的差别大幅度减小。抗拉强度平均值提高了21.3MPa，抗拉强度之差的极值减小了64MPa，延伸率平均值增加了13.5%，具有优良的综合力学性能。且该镁合金的稀土元素重量百分比小于2.5%，合金化成本非常低。
对比例2：一种Mg-Zn-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）通过电阻炉熔炼Mg-Zn-Y合金，在720℃保温并搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至700℃静置保温20分钟，然后将熔炼的合金液浇铸到300℃的模具之中，随模冷却，得到的Mg-Zn-Y合金铸锭。熔炼和浇铸过程中用1%的SF6和CO2的混合气体对熔液进行保护。其中，Zn以纯锌形式加入、Y以Mg-26wt%Y中间合金形式加入；
（2）将步骤（1）得到的Mg-Zn-Y合金铸锭在480-520℃均匀化处理6-10小时；
（3）将步骤（2）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金和挤压模具在400～450℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度400～450℃，挤压比为10，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；
对采用以上方法制备的Mg-Zn-Y合金进行不同方向上的力学性能测试。测试方向为沿挤压方向（0°），垂直于挤压方向（90°），与挤压方向成45°方向；测试温度为室温；拉伸速度为2mm/min。
结果显示挤压态Mg-1.3%Zn-2.4%Y合金不同方向上的力学性能：抗拉强度平均值为248.7MPa，抗拉强度之差的极值为84MPa，最大抗拉强度是最小抗拉强度的1.40倍，延伸率平均值为7.8%，延伸率之差的极值为6.1%，最大延伸率是最小延伸率的2.39倍。不同方向上合金的力学性能差别较大，具有较强的各向异性。
实施例2：一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）将上述挤压态Mg-Zn-Y合金在450℃下沿挤压方向进行轧制，轧制前保温20min，各道次之间保温5min，单道次下压5%，累积下压20%；
（2）将轧制后的Mg-Zn-Y合金在500℃热处理4小时，最后空冷。
对采用以上方法制备的Mg-Zn-Y合金进行不同方向上的力学性能测试。测试方向为沿挤压方向（0°），垂直于挤压方向（90°），与挤压方向成45°方向；测试温度为室温；拉伸速度为2mm/min。
结果显示热处理态Mg-1.3%Zn-2.4%Y合金不同方向上的力学性能：抗拉强度平均值为235.7MPa，抗拉强度之差的极值为10MPa，最大抗拉强度是最小抗拉强度的1.04倍，延伸率平均值为22.2%，延伸率之差的极值为6%，最大延伸率是最小延伸率的1.31倍。不同方向上合金的力学性能差别较小，力学性能各向异性较弱。该合金相比于“对比例2”，强度和延伸率均大幅提高，且不同方向上强度和延伸率之间的差别大幅度减小。抗拉强度平均值减小了13MPa，抗拉强度之差的极值减小了74MPa，延伸率平均值增加了14.4%，具有优良的综合力学性能。且该镁合金的稀土元素重量百分比小于2.5%，合金化成本非常低。
根据上述实施例以及对比例分析可得：在纯镁中添加微量的Zn和Y元素，挤压态合金就具有较好的力学性能，但是不同方向上合金的力学性能差别较大，不利于合金板材的推广应用；而经过轧制变形和热处理耦合技术以后，合金的综合力学力学性能大幅度提升，各向异性大幅减弱，制备得到了一种高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金。
综上，本发明方法可以制备出低成本高强高韧各向同性镁合金，在保持较高强度的同时，大幅度提高塑性，并显著降低合金力学性能的各向异性，能够满足当前发展对材料提出的减振减噪、轻量化的要求，而且本发明的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点，制备得到的高强高韧各向同性镁合金可广泛应用于航空航天、国防军工、汽车、轨道交通、冲压、锻压等领域。
最后应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。
Claims (1)
1.一种低成本高强高韧各向同性Mg-Zn-Y合金，其特征在于，各组分的质量百分含量为：Zn=1.2～1.4，Y=2.2～2.5，Fe≤0.06，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质；通过轧制变形和热处理耦合技术实现对镁合金力学性能的优化，具体包括如下步骤：
（1）按上述 配方，通过电阻炉进行熔炼，在720℃保温并搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至700℃静置保温20分钟，然后将熔炼的合金液浇铸到300℃的模具之中，随模冷却，得到的Mg-Zn-Y合金铸锭；其中，Zn以纯锌形式加入、Y以Mg-26wt%Y中间合金形式加入；
（2）将步骤（1）得到的Mg-Zn-Y合金铸锭在480-520℃均匀化处理6-10小时；
（3）将步骤（2）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金和挤压模具在400～450℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度400～450℃，挤压比为10，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；
（4）将步骤（3）挤压后的Mg-Zn-Y合金在430-460℃进行轧制，单道次下压3%-8%，累积下压10%-30%；
（5）将步骤（4）轧制后的Mg-Zn-Y合金在450-550℃热处理2-8小时，最后空冷。
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