專利名稱：自生準晶增強的高塑性變形鎂合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種鎂合金，具體是一種自生準晶增強的高塑性變形鎂合金。屬于金屬材料技術領域。
背景技術：
鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，具有高比強、高比模、高阻尼減震等優點，在汽車、電子通信、航空航天等領域具有極其重要的應用價值。變形鎂合金由于能夠獲得細小的組織，消除鑄造缺陷，比鑄造合金具有更高的綜合力學性能，具有廣泛的應用前景。現有典型的變形鎂合金有AZ31、AZ61和ZK60等牌號，它們在室溫下具備一定的抗拉強度，但塑性變形能力不高，除了與基體鎂是六方結構滑移系少有關外，主要是由于在變形過程中，常規晶體強化相與基體的界面處容易產生應力集中，引發裂紋的萌生，從而導致材料的失效。
準晶是一種不同于晶體的新的物質形態，它具有五次、十次等特殊的旋轉對稱性。由于準晶獨特的原子結構，使準晶具有特殊的物理和機械性能。研究表明，準晶具有很高的壓縮強度、高的顯微硬度和彈性模量、低的熱膨脹系數和表面張力等性能，同時凝固過程中形成的穩定準晶還具有較高的耐熱耐蝕和耐磨等性能。與塑性變形密切相關的準晶特征有兩點一是準晶相的準周期晶格使得準晶相與鎂基體界面處形成了穩定和近乎無缺陷的界面；其次是準晶相本身具有很低的界面能，使得準晶第二相與基體之間具有良好的潤濕性，在第二相和基體間容易獲得好的界面結合。這就使得準晶強化相在變形過程中能夠與基體進行良好的協調變形，緩解應力集中，阻滯裂紋源的萌生，從而大幅度提高合金的塑性變形能力。
經對現有技術的文獻檢索發現，只發現有一美國專利(申請號20030029526)其專利名稱為Quasicrystalline phase-reinforced Mg-basedmetallic alloy with high warm and hot formability and method of makingthe same(具有高熱變形能力的準晶增強鎂基合金及其制備方法)，該專利涉及的是一種具有較好熱軋制變形的含有準晶相的Mg-Zn-Y三元合金，其合金組成為1-10at％Zn，0.1-3at％Y，余量為Mg(重量百分比相應為2.6-21.5％Zn，0.4-8.8％Y，余量為Mg)。雖然該專利涉及的也是含有準晶作為強化相的鎂合金，但該專利與本發明專利涉及的Mg-Zn-Gd-Zr合金成分存在明顯區別，同時上述美國專利中只給出了熱軋態的機械性能，沒有給出鎂合金擠壓態的機械性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有變形鎂合金塑性偏低，成形能力不足的缺點，提供一種自生準晶增強的高塑性變形鎂合金，使其在合金的晶界和基體內部形成細小彌散分布的準晶強化相顆粒，充分利用準晶的特性，克服由常規晶體相強化鎂合金導致的容易在第二相和基體界面處形成裂紋導致塑性較低的缺點，大幅度提高鎂合金室溫條件下的塑性，同時保證該鎂合金具有中等強度的力學性能，室溫下抗拉強度260MPa-320MPa；拉伸延伸率20％-26％。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明自生準晶增強的高塑性變形鎂合金的組分及重量百分比為2-10％Zn，0.5-6％Gd，0-1.0％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
本發明以2-10％Zn，0.5-6％Gd，其余為鎂作為基本成分，在這個合金范圍內，通過常規鑄造工藝就能原位生成枝晶狀的準晶相，加入0-1.0％Zr起進一步細化合金晶粒的作用。通過擠壓(或軋制)熱變形工藝，使合金的枝晶狀準晶相組織破碎，形成沿擠壓方向分布的帶狀結構，同時在擠壓變形過程中，在基體內部形成細小彌散分布的二次準晶析出相(100nm-500nm左右)，該彌散分布的顆粒強化作用使得該合金具有較高的抗拉強度。同時由于準晶的特殊物理性能，使得準晶和基體具有良好的界面結合力，準晶的五次對稱結構允許它和基體進行協同變形，變形過程中能夠有效地緩解應力集中，阻滯裂紋的萌生和擴展，從而使得合金的變形性能大幅度地提高。本發明形成的變形鎂合金明顯高于目前廣泛使用的變形鎂合金AZ31，同時抗拉強度高于或與AZ31相當。
根據合金的性能價格比，本發明優選范圍為3-7％Zn，0.5-3％Gd，0-0.5％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。本優選方案獲得的合金具有很高的延伸率，中等抗拉強度和屈服強度。
本發明鎂合金通過以下工藝制備得到(1)配料按照配方質量百分比進行高純鎂，高純鋅，鎂-釓中間合金和鎂-鋯中間合金等原材料進行配料。(2)熔煉熔煉前將所有配料進行烘干，后放入常規電阻爐(或中頻感應爐)內，在氣體保護或溶劑覆蓋保護熔煉條件下進行熔煉。(3)澆鑄將熔化了的金屬液進行普通金屬型澆注或進行半連續(連續)鑄造，獲得變形前的錠壞。(4)鑄錠退火均勻化，消除鑄錠的偏析。(5)擠壓或軋制。
本發明具有實質性特點和顯著的進步，本發明含有一種特殊強化相-準晶相，在變形過程中使得初生枝晶狀準晶破碎，同時在基體內部析出彌散分布的二次細小準晶相，使得合金的強度得到提高；同時利用準晶和基體界面的良好結合性，使得合金在變形過程中能夠有效的協同變形，緩解應力集中，阻滯裂紋的萌生和擴展，從而在提高合金強度的同時大地幅度改善了塑性變形能力。以Mg-6Zn-1Gd-0.5Zr(重量百分比)合金為例，經過擠壓熱變形后，合金的晶粒大小在5～7um之間，在基體內部和晶界析出100-500nm大小的準晶顆粒，合金的室溫抗拉強度290MPa，屈服強度152MPa，延伸率達到25％，即新合金的強度達到AZ31變形鎂合金的強度，塑性要比目前商用最好塑性變形鎂合金AZ31(δ＝15％)顯著提高，從而大幅度改善鎂合金的變形能力，有利于拓展變形鎂合金的應用范圍。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供以下實施例實施例1合金成分(重量百分比)10％Zn，3.6％Gd，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
自生準晶增強的高塑性變形鎂合金(擠壓棒材)的制備工藝具體步驟為(1)按照上述成分配制合金，在中頻感應爐中加入工業純鎂，同時采用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待純鎂完全熔化后，在720℃加入工業純鋅，鎂-釓中間合金；(3)待合金完全熔化后，繼續升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置30分鐘，撈去表面浮渣后進行金屬型澆鑄，澆鑄過程中在熔體上方通保護氣體進行保護。(4)鑄錠在400℃下均勻化處理14小時，(5)鑄錠在370℃條件下進行擠壓棒材，擠壓變形前在370℃溫度下保溫1小時，模具溫度為350℃，擠壓筒溫度為400℃，擠壓比為11。本實例合金的平均晶粒大小為8μm，室溫抗拉強度，屈服強度和延伸率分別為320Mpa，205MPa，20％。
實施例2合金成分(重量百分比)2％Zn，3％Gd，0.4％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
準晶強化高塑性變形鎂合金(擠壓棒材)的制備工藝具體步驟如下(1)按照上述成分配制合金，在中頻感應爐中加入工業純鎂，同時采用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待純鎂完全熔化后，在720℃加入工業純鋅，鎂-釓中間合金，最后添加鎂-鋯中間合金；(3)待合金完全熔化后，繼續升高溫度至730℃-750℃，然后保溫靜置30分鐘，撈去表面浮渣后進行金屬型澆鑄，澆鑄過程中在熔體上方通保護氣體進行保護。(4)鑄錠在400℃下均勻化處理18小時，(5)鑄錠在380℃條件下進行擠壓棒材，擠壓變形前在380℃溫度下保溫1小時，模具溫度為350℃，擠壓筒溫度為420℃，擠壓比為11。本實例合金的平均晶粒大小為7μm，室溫抗拉強度，屈服強度和延伸率分別為280MPa，158MPa，22％。
實施例3合金成分(重量百分比)6.0％Zn，1.0％Gd，0.5％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
準晶強化高塑性變形鎂合金(管材)的制備工藝具體步驟如下(1)按照上述成分配制合金，在中頻感應爐中加入工業純鎂，同時采用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待純鎂完全熔化后，在720℃加入工業純鋅，鎂-釓中間合金，最后添加鎂-鋯中間合金；(3)待合金完全熔化后，繼續升高溫度至730℃-750℃，然后保溫靜置30分鐘，撈去表面浮渣后進行金屬型澆鑄，澆鑄過程中在熔體上方通保護氣體進行保護。(4)鑄錠在380℃下均勻化處理10小時，(5)鑄錠在360℃條件下進行擠壓管材，擠壓變形前在360℃下保溫1小時，模具溫度為355℃，擠壓筒溫度為380℃，擠壓比為23.5。本實例合金的晶粒大小為6μm，室溫抗拉強度，屈服強度和延伸率分別為290MPa，152MPa，25％。
實施例4合金成分(重量百分比)3.6％Zn，1.0％Gd，0.4Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
準晶強化高塑性變形鎂合金(板材)的制備工藝具體步驟如下(1)按照上述成分配制合金，在中頻感應爐中加入工業純鎂，同時采用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待純鎂完全熔化后，在720℃加入工業純鋅，鎂-釓中間合金；最后添加鎂-鋯中間合金，(3)待合金完全熔化后，繼續升高溫度至730℃-750℃，然后保溫靜置30分鐘，撈去表面浮渣后進行金屬型澆鑄，澆鑄過程中在熔體上方通保護氣體進行保護。(4)鑄錠在400℃下均勻化處理10小時，在400℃下保溫30分鐘，然后循環軋制8道次，每道次的壓縮比為15％，在每道次軋制前加熱10分鐘。本實例合金的平均晶粒大小為6μm，室溫抗拉強度，屈服強度和延伸率分別為284MPa，147MPa，26％。
權利要求
1.一種自生準晶增強的高塑性變形鎂合金，其特征在于，包含的組分及重量百分比為2-10％Zn，0.1-5％Gd，0-1.0％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
2.根據權利要求1所述的自生準晶增強的高塑性變形鎂合金，其特征是，包含的組分及重量百分比為3-7％Zn，0.5-3％Gd，0-0.5％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
全文摘要
一種自生準晶增強的高塑性變形鎂合金，屬于金屬材料技術領域。本發明組分及其重量百分比為2－10％Zn，0.5－6％Gd，0－1.0％Zr，雜質元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。本發明合金含有準晶相，以樹枝晶形式原位形成于鑄態組織中，經過擠壓或軋制熱變形工藝，該準晶相破碎沿著變形方向分布，同時在擠壓或軋制過程中在基體內部和晶界處析出彌散分布的二次準晶相，從而增強了合金的性能。同時，準晶和基體具有良好的界面結合性能，能很好地協調變形，緩解應力集中，從而大幅度提高了鎂合金塑性變形能力，可廣泛用于制備要求有較高變形能力的擠壓、軋制、沖壓等各種鎂合金變形材料。本發明合金具有較高的塑性并匹配以中等強度室溫下抗拉強度260MPa－320MPa；拉伸延伸率20％－26％。
文檔編號C22C23/04GK1851020SQ20061002684
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月25日 優先權日2006年5月25日
發明者袁廣銀, 劉勇, 丁文江 申請人:上海交通大學