一種低成本非稀土型高強鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及金屬材料和金屬材料加工領域，特別涉及一種低成本非稀土型高強鎂 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用鎂合金材料。
【背景技術】
[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、 節約能源、環境友好的三大優勢。與其他金屬結構材料相比，鎂合金是最輕的商用金屬結 構材料，具有比強度比剛度高，減震性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，易切削加工，可回收等優 點，在汽車、電子、電器、交通、航空航天等領域具有廣闊的應用前景，是繼鋼鐵和鋁合金之 后發展起來的輕量化金屬結構材料，同時也有被開發成生物醫用材料和電池功能材料的前 景，被譽為本世紀的綠色工程材料。
[0003] 但是，絕對強度較低，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用。目前大量使用的商用AZ系鎂合金和ZK系鎂合金經變形后的強度 也一般不超過350MPa，難以滿足高性能結構材料等的使用要求。因此，開發高強度鎂合金對 拓展鎂合金的應用領域具有重要意義。
[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。國內逐漸有一些高強鎂合金被陸續開發出來，如中國專利公開號為CN103290292A 公開了一種高強鎂合金，其屈服強度可以達到350~380MPa，抗拉強度為410~450MPa，延 伸率在6%以上，各組分質量百分含量為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鑄造的方法制備合金錠坯料，變形后對合 金進行熱處理進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粉末復合，通過半 固態流變鍛壓技術制備高強鎂合金，其抗拉強度在305~492MPa之間，工藝比較復雜。中 國專利公開號CN101892445A公開一種高強鎂合金，其合金成分為Gd 6~13wt%，Y 2~ 6wt%，Zr 0? 3~0? 8wt%，其抗拉強度大于600MPa，屈服強度大于540MPa，延伸率大于 1 %，但其需要采用非常規大塑性變形方法，且需進行20~100h的等溫時效處理，制備工藝 過程對生產條件要求較高，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、汽車等行業對高強鎂合金低成本、易加工、 高性能的要求，迫切需要開發出能夠運用簡單可連續的生產加工過程制備不含稀土的低成 本超高強度鎂合金材料，這也將極大地拓展鎂合金在未來進一步的推廣應用，具有重大的 經濟和社會意義。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的為針對現有高強鎂合金存在的大量使用多種稀土元素或高價合金 元素導致成本過高，或是為了提高強度而采用特殊變形加工工藝以至難以實現大批量商業 化生產等問題，提供一種低成本非稀土型高強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，就可以得到超高強度的變形 鎂合金，其屈服強度達到390MPa以上，具有優良的綜合力學性能，同時原材料及加工成本 低廉，易實現大批量生產。
[0007] 本發明的技術方案是：
[0008] -種低成本非稀土型高強鎂合金，該合金為Mg-Bi-Ca-Mn鎂合金，其化學成分質 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。
[0009] 所述的低成本非稀土型高強鎂合金的制備方法，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，經表面預處理 后，按所述的鎂合金成份的質量百分比各自備料；
[0011] 2)將純Mg錠放入熔煉爐的坩堝中，設定爐溫710~760°C并保持，待其融化后，依 次將預熱到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 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的混合氣體保護下進行的；
[0013] 3)將上步得到的合金鑄錠在氬氣保護下進行固溶處理，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的坯料并去皮；
[0015] 5)將上步得到的坯料在30分鐘之內加熱到200~450°C后，放入模具中進行變形 處理，擠壓變形速度為0. 1~30m/min，擠壓比為10~50 ;變形加工后進行空冷，最后得到 所述的低成本非稀土型高強鎂合金材料；
[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)中的攪拌為機械攪拌或吹氬氣攪拌。
[0020] 所述的Mg-Ca中間合金優選為Mg-20Ca中間合金；Mg-Mn中間合金優選為Mg-5Mn 中間合金。
[0021] 本發明的實質性特點為：
[0022] 鎂合金的強度與合金中晶粒大小，第二相的種類，尺寸，數量，分布密切相關。通過 晶粒細化，不僅能夠提高強度，還可同時改善塑性，可獲得更為優異的綜合性能。高強度鎂 合金需要控制并得到細小的晶粒組織，一般通過在熱變形過程中發生動態再結晶達到。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 會被破碎細化，并且彌散分布于鎂合金基體當中，進一步提高合金的力學性能。動態再結晶 晶粒的長大若受到抑制，則易于獲得細小晶粒。
[0023] 本發明的鎂合金以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，抑制再結晶晶粒長大，提高合金的綜合力學性能；本發明合金熔煉 時比較均勻穩定，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元素的有害作用。合金 經固溶、擠壓成形后，室溫（25°C )下拉伸屈服強度大于390MPa。
[0024] 該新型高強鎂合金不添加任何稀土元素和高價合金元素，成本低廉。可作為交通 運輸、航空航天、計算機、通訊和消費類電子產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用材料的應用前景。
[0025] 與現有技術相比，本發明的顯著進步與優點如下：
[0026] 1)本發明的新型鎂合金以Mg-Bi二元合金系列為基礎，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