專利名稱：一種具有高強度的變形鎂合金及其擠壓材的制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料技術及冶金技術領域，具體涉及一種具有高強度的變形鎂合金及其擠壓材的制備方法。
背景技術：
鎂合金具有密度小、比強高以及減振性、電磁屏蔽性和機械加工性能優良等優點， 是結構輕量化的理想材料，近年來鎂合金的研究與應用得到高度重視。但是，鎂合金也存在熔鑄困難大、強度低、塑性、耐熱性和耐蝕性差等問題，其中，強度低、易發生屈服變形是鎂合金應用領域受限的一種重要原因，因此，鎂合金一般只能用作次受力件，這嚴重制約其應用領域。目前工業通用鎂合金主要是AZ系和a(系鎂合金。AZ系變形態和熱處理態合金的強度一般不大于300MPa，屈服強度一般不大于180MPa，屈強比一般在0. 5^0. 7左右，即使是有較高的強度Tk系鎂合金，其變形態和熱處理態強度和屈強比也不高，如160擠壓棒材 T5態的抗拉強度為350MPa，屈服強度為^5MPa，屈強比為0. 814。因此，開發高強度變形鎂合金及其產品是近年國內外鎂合金研究領域的重要方向。提高鎂合金材料的強度，一般通過以下途徑來實現一種是采用復雜的制備工藝， 如快速凝固工藝和強烈變形工藝等；另一種是通過顆粒或纖維增強復合材料來實現，但都存在無法制備大尺寸材料的問題。目前可用作結構材料的高強鎂合金均通過高稀土合金化來實現，但隨之而來的問題是合金材料昂貴，除了少量軍事用途外，民用幾無可能，同時還存在密度顯著增加、塑性差以及高合金化帶來的大體積凝固的熱裂、偏析等問題。目前國內外所開發的高強鎂稀土變形合金的強度范圍一般在450ΜΡ Γ500ΜΙ^范圍，強度在 350ΜΡ Γ450ΜΙ^范圍的高強鎂合金稀缺，而強度在此范圍的鎂合金具有替代強度相當的 2χχχ鋁合金的潛在優勢，因此，此強度范圍的變形鎂合金開發對擴大鎂合金的應用領域具有重要意義。
發明內容
針對強度在350MPa 450MPa范圍的鎂合金稀缺的問題，本發明提供了一種具有高強度的變形鎂合金及其擠壓材的制備方法，目的是得到抗拉強度在390MPiT420MPa，屈強比大于0. 96，同時延伸率大于7%的新型高強變形鎂合金。本發明的一種具有高強度的變形鎂合金是Mg-Zn-(Cu或Ni) — RE系鎂合金，按質量百分比，2. 0% 6. 0% 的 Zn, 1. 5% 6. 0% 的 Cu 或 Ni，0. Γθ. 5% 的 Y、Nd、Gd、Ce 或 MM (為富Ce混合稀土，其中Ce>50%，其余為La，Nd和ft·)，(Γθ. 8%的Zr，Mg為余量，雜質!^e含量 <0. 005%,密度為(1. 84 1. 86) X 103kg/m3。制備本發明的一種具有高強度的變形鎂合金的擠壓材，按照以下步驟進行
(1)采用電阻熔煉爐或者燃氣熔煉爐在五號熔劑保護下熔煉鎂合金，將金屬鎂熔化并加熱至730° (Γ740。C，按鎂合金的質量百分比，加入2. 09Γ6. 0%的Zn，1. 5% 6. 0%的Cu或 Ni，0.廣0. 5%的Y、Nd、Gd、Ce或匪，0 0. 8%的Zr，制備Mg-Zn-(Cu或Ni)系鎂合金熔體，采用六氯乙烷與五號熔劑對熔體進行凈化處理，經攪拌后，熔體降溫至660° (Γ680。C進行鑄造；
(2)采用低頻電磁油滑半連續鑄造，在SF6+0)2混合氣體為保護氣氛，電磁頻率為30Hz， 安匝數為6000AT的條件下，鑄造規格為橫截面直徑為100mnT300mm的鎂合金鑄造錠坯，得到的鎂合金鑄造錠坯在410士 10° C下退火10小時，然后定尺、扒皮，備用；
(3)采用反向擠壓裝置對定尺并扒皮后的Mg-ai-(Cu或Ni)-RE系鎂合金鑄造錠坯在 160-250°C條件下進行反向溫擠壓，擠壓比>8. 3，擠壓速度為4. 5 12m/min，得到Mg-Zn-(Cu 或Ni)-RE系鎂合金擠壓棒材；
(4)將擠壓后得到的Mg-Zn-(Cu或Ni) -RE系鎂合金擠壓棒材進行T5熱處理，具體制度為加熱到180° C 250° C，保溫10 50小時。所述的SF6+C&混合氣體中SF6和ω2體積比為1 10。所述的反向擠壓裝置包括中空的擠壓桿、擠壓模具、擠壓筒、擠壓墊片和擠壓底座。在擠壓底座上裝配有擠壓筒，擠壓筒內底部裝配有擠壓墊片，擠壓墊片上方裝配有擠壓模具，擠壓模具上方裝配有中空的擠壓桿。其中擠壓模具為中空的圓柱體，圓柱體內部從下到上依次是模角段、預工作帶、定徑工作帶和出口段，模角為3(Γ45°，出口段的直徑大于工作帶的直徑，預工作帶直徑大于定徑工作帶直徑，兩工作帶長度之比為0. 5^0. 8，定徑工作帶長度為4 8mm。所述的反向擠壓裝置在進行擠壓前，采用二硫化鉬鋰基潤滑脂作為潤滑劑，均勻涂抹在擠壓模具內壁、坯料表面和擠壓筒的內壁上。與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是
(1)本發明通過向金屬鎂中添加過渡元素Si和Cu或Si和Ni，并通過微量稀土合金化，產生了能反向溫擠壓變形和高強度效果，本發明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金能在 160-250°C下進行溫擠壓，且其擠壓材具有高強度指標；
(2)本發明反向擠壓裝置采用了模角3(Γ45°的小模角設計，同時采用雙工作帶設計， 緩解了鎂合金瞬間擠壓力峰值高的問題，并保證了擠壓材的高表面質量；
(3)本發明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金擠壓材具有高強、高屈強比特點。其擠壓棒材經T5熱處理后的室溫拉伸力學性能為抗拉強度39(T420MPa，屈強比至少為0. 96，延伸率至少為7% ；
(4)本發明的鎂合金擠壓材的密度為(1.84 1.86)Xl(fkg/m3。
圖1為本發明鎂合金的典型鑄造組織； 圖2為本發明鎂合金的典型均勻化退火組織； 圖3為本發明鎂合金反向擠壓裝置示意其中1 擠壓桿；2 擠壓筒；3 擠壓模具；4 擠壓墊片；5 擠壓底座； 圖4為本發明鎂合金反向擠壓裝置中擠壓模具3的結構示意圖； 其中3-1 模角段；3-2 預工作帶；3-3 定徑工作帶；3-4 出口段； 圖5為本發明鎂合金擠壓坯料與擠壓棒材照片； 圖6為本發明鎂合金擠壓棒材的拉伸試樣尺寸圖； 圖7為本發明實例1鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；圖8為本發明實例1鎂合金擠壓棒材的拉伸真應力一真應變曲線；
圖9為本發明實例2鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖10為本發明實例2鎂合金擠壓棒材的拉伸真應力一真應變曲線；
圖11為本發明實例3鎂合金擠壓棒材的典型SEM組織；
圖12為本發明實例3鎂合金擠壓棒材的拉伸真應力一真應變曲線；
圖13為本發明實例4鎂合金擠壓棒材的典型SEM組織；
圖14為本發明實例4鎂合金擠壓棒材的拉伸真應力一真應變曲線。
具體實施例方式本實施例中Mg、Zn、Cu采用一級鎂錠、鋅錠和電解銅純金屬加入，Ni、Y、Nd、Gd、Zr 分別采用 Mg-20%Ni、Mg-50%Y、Mg_50%Nd、Mg-50%Gd 和 Mg_30%Zr 中間合金加入，Ce 禾Π MM 采用純金屬加入，熔劑為市場購買。實施例1
采用電阻熔煉爐，在五號熔劑的保護下，將金屬鎂加熱到730°C熔化，按鎂合金的質量百分比組成，加入4%的&ι，3%的Cu和0. 4%的Y，采用六氯乙烷與五號熔劑對鎂合金熔體進行凈化處理，熔體經攪拌后降溫至670°C，在SF6與CO2體積比為1:10的混合氣體保護氣氛下，采用低頻電磁油滑半連續鑄造制備鎂合金錠坯，施加電磁條件為電磁頻率為 30Hz，安匝數為6000AT，鑄造速度為140mm/min，水量為70L/min，得到規格為直徑165mm， 高1800mm，化學分析組成為Mg_3. 91Zn_2. 78Cu_0. 31Y的鎂合金錠坯，于410士 10° C退火 IOh ；退火結束后扒皮；取直徑50mm，高120mm規格的樣品加熱至180° C，保溫2小時，將如附圖3所示的反向擠壓裝置中的擠壓筒、擠壓模具和擠壓墊片加熱至180° C，在300噸油壓機上，以5. Om/min的擠壓速度擠壓鎂合金樣品，得到直徑12mm的鎂合金擠壓棒材，擠壓比為17. 4，擠壓前，在擠壓模具內壁、鎂合金樣品表面和擠壓筒內壁涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂進行潤滑；將擠壓棒材進行T5熱處理，于250° C下保溫10小時。該合金擠壓棒材的密度為1. 844X 103kg/m3，其典型顯微組織如附圖7所示；將其加工成如附圖6所示的拉伸試樣，在hstron8032拉伸機上進行室溫拉伸，拉伸速度為2mm/min，其典型真應力-真應變曲線如附圖8所示；其T5態的室溫拉伸力學性能如表1所示，平均值分別為抗拉強度 Rm=397. 9MPa，屈服強度 RpQ.2=394. 9MPa，屈強比 Rp(1.2/Rm=0. 992，延伸率 A=8. 8%。表1實施例1的鎂合金擠壓棒材T5態的室溫拉伸力學性能
權利要求
1.一種具有高強度的變形鎂合金，其特征在于是Mg-Zn- (Cu或Ni) -RE系鎂合金，按質量百分比，2. 0% 6. 0% 的 Zn，1. 5% 6. 0% 的 Cu 或 Ni，0. Γθ. 5% 的 Y、Nd、Gd、Ce 或 MM, 0 0· 8% 的Zr，Mg為余量，雜質Fe含量<0. 005%,密度為(1. 84 1. 86) X 103kg/m3。
2.采用如權利要求1所述的一種具有高強度的變形鎂合金制備擠壓材的方法，其特征在于按照以下步驟進行(1)采用電阻熔煉爐或者燃氣熔煉爐在五號熔劑的保護下熔煉鎂合金，將金屬鎂熔化并加熱至730° (Γ740。C，按鎂合金的質量百分比，加入2. 09Γ6. 0%的Zn，1. 5% 6. 0%的Cu 或 Ni，0. Γ0. 5% 的 Y、Nd、Gd、Ce 或 MM, 0 0· 8% 的 Zr，制備 Mg-Zn- (Cu 或 Ni) -RE 系鎂合金熔體，采用六氯乙烷與熔劑對熔體進行凈化處理，經攪拌后，熔體降溫至660° (T680° C進行鑄造；(2)采用低頻電磁油滑半連續鑄造，在SF6和CO2體積比為1:10的混合氣體為保護氣氛，電磁頻率為30Hz，安匝數為6000ΑΤ的條件下，鑄造規格為橫截面直徑為100mnT300mm的鎂合金鑄造錠坯，得到的鎂合金鑄造錠坯在410士 10° C下退火10小時，然后定尺、扒皮，備用；(3)采用反向擠壓裝置對定尺和扒皮后的Mg-Zn-(Cu、Ni或Cd)系鎂合金鑄造錠坯在160-250°C條件下進行反向溫擠壓，擠壓比>8. 3，擠壓速度為4. 5m/mirTl2m/min，得到 Mg-Zn- (Cu或Ni) -RE系鎂合金擠壓棒材；(4)對擠壓后得到的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金擠壓棒材進行T5熱處理，將其加熱到180° C 250° C，保溫10 50小時。
3.根據權利要求2所述的一種制備高強度鎂合金擠壓材的方法，其特征在于所述的反向擠壓裝置包括中空的擠壓桿、擠壓模具、擠壓筒、擠壓墊片和擠壓底座。
4.在擠壓底座上裝配有擠壓筒，擠壓筒內底部裝配有擠壓墊片，擠壓墊片上方裝配有擠壓模具，擠壓模具上方裝配有中空的擠壓桿。
5.根據權利要求3所述的一種反向擠壓裝置，其特征在于所述的擠壓模具是一個中空的圓柱體，圓柱體內部從下到上依次是模角段、預工作帶、定徑工作帶和出口段，模角為3(Γ45°，出口段的直徑大于工作帶的直徑，預工作帶直徑大于定徑工作帶直徑，兩工作帶長度之比為0. 5^0. 8，定徑工作帶長度為壙8mm。
6.根據權利要求3所述的一種反向擠壓裝置，其特征在于所述的反向擠壓裝置在進行擠壓前，在擠壓模具內壁、鑄造坯錠表面和擠壓筒內壁涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂。
7.根據權利要求2所述的一種制備高強度鎂合金擠壓材的方法，其特征在于所述的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金擠壓棒材經熱處理后的室溫拉伸力學性能為抗拉強度 39(T420MPa，屈強比至少為0. 96，延伸率至少為7%。
8.根據權利要求2所述的一種制備高強度鎂合金擠壓材的方法，其特征在于所述的 Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金擠壓棒材的密度為(1. 84 1. 86) X 103kg/m3。
全文摘要
本發明屬于金屬材料技術及冶金技術領域，具體涉及一種具有高強度的變形鎂合金及其擠壓材的制備方法。本發明的一種具有高強度的變形鎂合金是Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金，按質量百分比，2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni，0.1~0.5%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，0~0.8%的Zr，Mg為余量，雜質Fe含量<0.005%，密度為(1.84~1.86)′103kg/m3。采用低頻電磁油滑半連續鑄造本發明鎂合金錠坯，然后采用反向溫擠壓并進行T5熱處理，得到本發明的具有高強度的變形鎂合金的擠壓材。本發明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系鎂合金擠壓材密度為(1.84~1.86)×103kg/m3，其T5熱處理后的室溫拉伸力學性能為抗拉強度390~420MPa，屈強比>0.96，延伸率>7%。
文檔編號B21C25/02GK102392165SQ201110445929
公開日2012年3月28日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者樂啟熾, 崔建忠, 張志強 申請人:東北大學