專利名稱：：含鈰的鎂-鋅-錳系鎂合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種鎂合金材料，特別涉及一種可快速擠壓變形，并且通過多次熱變形累積細化效果，所得制品室溫下具有中等強度和高塑性的含鈰的鎂-鋅-4孟系4美合金。
背景技術：
：隨著鎂合金型材制品在航空航天、電子電器和汽車等領域的應用逐漸廣泛，鎂合金型材塑性變形能力不足的缺點成為制約其進一步擴大應用的障礙。鎂合金的晶體密排六方結構，在變形過程中滑移系少，熱加工塑性和制品室溫塑性明顯較鋁合金差。就熱擠壓生產而言，較差的熱加工塑性導致大多數(shù)牌號的鎂合金擠壓速度不能過快，除AZ31可達10米每分鐘外，其他到通常不超過6米每分鐘。為此，各國研究者多年致力于開發(fā)高熱加工塑性鎂合金，目前得到的主要以ZM21合金為代表，其名義成分為Mg+2Zn+lMn(重量百分比)，根據(jù)德國GKSS研究所的報道，采用靜液擠壓方式ZM21合金擠壓速度達到了120米每分鐘以上；根據(jù)國內CCMG(重慶大學國家鎂合金材料工程技術研究中心)的研究報告，采用常規(guī)擠壓方式ZM21合金擠壓速度已達到25米每分鐘以上。上海交大將常規(guī)Mg-Al-Zn商用合金中的Zn去掉，開發(fā)出的Mg-Al系可快速變形的鎂合金，擠壓速度可達到15米每分鐘(專利申請?zhí)?00610028334.5)。雖然緩解了鎂合金擠壓速度慢導致生產成本高的矛盾，但同時，又降低了鎂合金擠壓制品強度或塑性。因為通過降低鎂合金中的合金元素，可以保證高塑性，但其制品的強度受限于合金元素有限的固溶強化效果而較其他常規(guī)合金偏低；通過提高合金元素含量提高制品的強度，但制品室溫塑性又明顯下降(專利申請?zhí)?00610028334.5說明書實施例1~4)。鎂合金型材制品在使用過程中需要良好的塑性和強度，以保證其服役過程內不發(fā)生失效。部分鎂合金擠壓制品還可能需先經過較大程度的塑性變形，以獲得一定的形狀后再使用，如管材的打尖、擴徑和液壓脹形，棒材的彎曲等，都要求擠壓制品具有良好的室溫塑性，以避免必須采用溫加工變形而增加制造成本。為此希望4美合金制品具有高的室溫塑性，拉伸延伸率應在20%以上，某些極端情況的使用條件，如瞄準鏡錐度管的擴徑，要求拉伸延伸率應在25%以上。通過熱變形細化晶粒是提高制品塑性同時保持強度最主要的方法，然而熱變形過程對合金組織的細化存在受工藝條件影響的極限值，當晶粒細化到一定程度時，再進一步增大單次熱變形的變形程度或采用反復熱變形，均難以使其進一步細化，現(xiàn)有典型的變形鎂合金，例如AZ31、AZ61、AZ80和ZK60等，包括上述的ZM21等可高速熱變形合金，在常規(guī)的熱擠壓設備和工藝條件下，制品的晶粒尺寸通常只能控制在15-35jam范圍內，其室溫拉伸延伸率在10~18%之間。這是因為在上述鎂合金中缺乏高溫下不熔化的合金相起強化基體的作用，如AZ61和AZ31合金中的強化相只有MgJlm在400°C以上高溫時穩(wěn)定性變差，擠壓過程中會溶解，不能保持足夠的釘扎作用以阻止晶粒的長大(袁廣銀、孫揚善、張為民Bi對鑄造鎂合金組織和力學性能的影響，《鑄造》1998年第五期，第5~7頁)，使得擠壓終了產品的力學性能較低。因此，要保持擠壓終了產品較高的力學性能，上述鎂合金的擠壓速度不能大于10m/min,由于擠壓速度慢，就增大了生產成本。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種含鈰的鎂-鋅-錳系高塑性變形的鎂合金。所述的鎂合金具有良好的熱加工塑性，可快速擠壓變形，經過多次熱塑性變形后能夠獲得比較細小的晶粒，可以大大提高塑性并保持強度，在室溫拉伸強度為285MPa,延伸率為20%。本發(fā)明的技術方案是所述鎂合金由鎂、鋅、錳和稀土Ce組成，各組份的質量百分比為Zn:1.8—4.0%,Mn:0.5~1.5°/。，Ce:0.15—0.80%,不可避免雜質<0.15%;其余為Mg。本發(fā)明的較好的技術方案是鎂合金各組份的質量百分比為Zn:2.3°/。；Mn:0.75°/。；Ce:0.35%;不可避免雜質<0.15%;其余為Mg。其中不可避免的雜質為Si、Ni、Cu、Fe,其總量不超過0.15%。本發(fā)明由于在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加了稀土金屬Ce,使本發(fā)聽所述鎂合金具有以下優(yōu)點1.在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加Ce,所述鎂合金在凝固過程中，其平衡分配系數(shù)K〈1，Ce主要富集固/液界面的前沿，從圖2可以看到，在掃描電鏡能譜分析的結果顯示，Ce主要是分布在晶界和枝晶間上，對晶界有釘扎作用，可以抑制晶粒的長大，降低了晶粒長大的速率，所得的晶粒細小。2.在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加Ce元素，降低了合金的凝固范圍，可以形成更高的過冷度，提高凝固過程中的形核率；在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加Ce,能夠降低在凝固過程中的結晶潛熱，可以降低凝固過程的停留時間，降低了晶粒長大的可能性。3.在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加了Ce元素能夠增加鎂合金在凝固過程中的形核率，對晶粒的細化有積極的作用(《材料科學基礎》劉智恩西北工業(yè)出版社2001.1)。經過定量金相測得普通鎂-鋅-錳系鎂合金的晶粒平均尺寸為134jum左右，添加Ce的鎂合金的晶粒平均尺寸為106jum左右。晶粒尺寸細化幅度為21%，因此Ce對鑄造組織的細化顯著，鑄造組織的細化為擠壓制品的細化奠定了良好的基礎，有利于擠壓制品通過晶粒細化的方式，達到同時提高合金制品強度和塑性的目的。4.在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加了Ce元素，可以使合金熱變形過程中當溫度升高時，開始出現(xiàn)局部融化的溫度提高，有利于選用更高的溫度進行擠壓，以提高合金的熱變形塑性、減小擠壓變形抗力，從而提高擠壓速率。因此，本發(fā)明所述鎂合金適合快速擠壓變形。本發(fā)明所述含Ce的鎂合金在熱擠壓加工過程中，會發(fā)生再結晶，而彌散分布在晶界上的高熔點含Ce第二相會阻礙新晶粒的長大，在熱變形過程中，形成穩(wěn)定的高熔點細小質點釘軋晶界，阻止晶粒長大，降低了晶粒長大的速率，獲得含有細小晶粒的擠壓制品；在隨后重復熱變形的加熱過程和熱變形過程，穩(wěn)定的高熔點細小質點適中穩(wěn)定地存在，起到釘軋晶界，阻止晶粒長大的作用，從而使得多次熱變形的細化效果能夠累積起來，循序漸進地獲得超細小的等軸晶，從而極大地提高塑性并同時保持一定的強度，使所得的制品強度中等，塑性良好，在室溫下延伸率在19~21%,屈服強度為238MPa，抗拉強度為285Mpa。由于屈強比為0.84。本發(fā)明所述鎂合金的擠壓制品適合做結構材料，需要時可承受使用前的室溫塑性變形。本發(fā)明所述鎂合金的制備方法和常規(guī)鎂合金鑄錠的制備方法相似，因此有工藝簡單，容易操作的優(yōu)點下面參照附圖并結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明，應理解的是，這些實施例是用于說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的構思前提下對本發(fā)明制備方法的筒單改進，都屬于本發(fā)明要求保護的范圍。圖1本發(fā)明所述鎂合金的擠壓棒材的端面的顯微組織；圖2本發(fā)明所述鎂合金的端面掃描電鏡下顯微組織；圖3為ZM21合金鑄態(tài)DSC曲線；圖4為ZME210合金鑄態(tài)DSC曲線圖5a、b、c為ZM21不同擠壓比的顯微組織(端面)；圖6a、b、c為ZME210不同擠壓比的顯微組織(端面)圖7為ZM214美合金的不同制品二次凈齊壓變形的顯農i組織，其中7a為方坯二次擠壓前的顯微組織，7b二次擠壓成為16棒材，7c為二次擠壓成為16管材；圖8為ZME210鎂合金的不同制品二次擠壓變形對的顯微組織，其中8a為方坯二次擠壓前的顯^f鼓組織，8b為二次擠壓成為16管材。具體實施例方式用表l所述配方，按照鎂合金的通常冶煉方法，即可得到本發(fā)明所述的用于進行多次變形的含鈰的鎂-鋅-錳系鎂合金材料表l本鎂合金材料化學組成(以下為質量百分含量)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>下列實施例將各組分含量為(質量百分含量)Zn:2.3%;Mn:0.75%;其余為Mg的鎂-鋅-錳系鎂合金定義為ZM21鎂合金，本發(fā)明表1中編號為3的鎂合金定義為ZME210鎂合金。一.取表l中編號為3的含鈰的鎂-鋅-錳系鎂合金材料按下列步驟分別進行機械性能實驗1.熔煉在半連續(xù)鑄造設備上進行。用熔劑覆蓋后開始加熱，溫度在將鎂合金熔煉爐加熱400~500。C時，按表2的材料配比用通常的冶煉方法進行冶煉，待合金完全溶化后，在？0(TC左右攪拌，使合金元素均勻分散到熔體中。再將溫度升高到760~780°C靜止2O分鐘，待合金熔體冷卻到690~71(TC澆注成為實心圓鑄錠，即得本發(fā)明所述鎂合金材料鑄錠。2.機加工根據(jù)擠壓機擠壓筒的尺寸機加工至合適尺寸。3.均勻化處理36(TC下均勻化退火12小時。4.擠壓加工在38G4QQ。C下，擠壓機上擠壓成棒材或管材，快速冷卻。幾種常見的典型鎂合金擠壓參數(shù)見表2。表2ZM21、本發(fā)明編號為3的材料主要擠壓參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>5.力學性能測試根據(jù)國標GB228-2002的標準，將本發(fā)明上述編號3的鎂合金材料經過擠壓和熱處理的加工成標準拉伸試樣進行拉伸試驗，得出本發(fā)明所述鎂合金和常規(guī)的鎂合金的力學性能對比數(shù)據(jù)(見表3),其中AZ61和AZM是常規(guī)的鎂合金，常用作進行力學性能的對比。表3本發(fā)明所述鎂合金和常規(guī)的鎂合金的力學性能對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>結論本發(fā)明所述的鎂合金屈服強度比AZ61和AZ31均有所提高，延伸率均比AZ61和AZ31大大高，抗拉強度比AZ31提高，略低于AZ61。因此在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加Ce,可以大大提高塑性并保持一定的強度，所得的制品強度中等，塑性好。二.ZM21和ZME210鎂合金的差熱分析及不同擠壓比對組織性能的影響1.ZM21和ZME210鎂合金熱分析參見圖3。從ZM21鎂合金的dsc曲線中可以看出，升溫過程中，ZMn鎂合金在566.rC開始熔化，當溫度為635.4。C時，熔化速率最快，到完全熔化后，吸收的熱量為232.9J/g;而在冷卻曲線中可以看出，ZM214美合金在6".rC開始凝固，542.2。C凝固完全，凝固溫度區(qū)間為82.9°C,釋》文的熱量為299.5J/g。參見圖4。添加微量的元素Ce后，升溫過程中，ZMEnO鎂合金在608.2°C開始熔化，到652.6。C熔化的速率最快，到完全熔化后吸收的熱量為"I.6/g;在冷卻曲線中可以看出，在6".s。c開始凝固，634.rc凝固的速度最快，當?shù)竭_577.7。C完全凝固，溫度區(qū)間為56.5°C，在凝固過程中釋放的熱量為252.8J/g。因此，Ce加入后合金隨著溫度的升高開始融化的溫度提高，前者ZM21為566°C，后者ZME210為608°C。加入稀土元素Ce后，合金熱變形過程中當溫度升高時，開始出現(xiàn)局部融化的溫度更高，有利于本發(fā)明所述鎂合金選用更高的溫度進行擠壓，提高合金的熱變形塑性。另外，合金熱變形過程中當溫度升高時，開始出現(xiàn)局部融化的溫度更高，還可以使合金避免因擠壓溫度較高時，坯料和模具溫升嚴重而產生制品組織過燒的現(xiàn)象，有利于提高擠壓速率。2.比較ZM21鎂合金和ZME210鎂合金不同擠壓比對組織性能的影響A.ZM21不同擠壓比對組織和性能的影響(見圖5和表4),圖5中5a為方坯入=14;圖5b為棒材入=28;圖5c為管材入=181,擠壓前經過360。Cxl2h均勻化退火，擠壓溫度400。C,擠壓速度為6m/min。表4ZM21不同擠壓比的力學性能對比合金(7.2(MPa)exb(MPa)延伸率(％)橋壓比方坯15223314.914棒材16024515.128管材12021011.6181因此，隨著擠壓比的增加，ZM21鎂合金的強度是先增加后減少。說明擠壓比對增加對再結晶的晶粒細化是有極限的，超過此擠壓比極限，當擠壓比增大時，晶粒反而粗化，如圖5所示。B.ZME210不同擠壓比的組織和性能對比(見圖6和表5)圖6中6a為方坯人-14;6b為棒材A=28;6c為管材入=181,擠壓前經過360。Cxl2h均勻化退火,擠壓溫度400。C,擠壓速度為6m/min。表5ZME210合金不同擠壓比的力學性能對比(4齊壓前經過360。Cxl2h均勻化退火)形狀a。.2(MPa)(Jb(MPa)510(%)4齊壓比方坯22126317.914棒材25928619.228管材12523114,8181雖然隨著擠壓比的增加，性能反映的規(guī)律和ZM21合金的一樣，但是在相同條件下，ZME210合金的強度和塑性均比ZM21優(yōu)越。結論在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加了Ce元素，可以使合金熱變形過程中當溫度升高時，有利于提高合金的熱變形塑性和提高擠壓速率。因此，本發(fā)明所述鎂合金可快速擠壓變形，并且ZME210合金的強度和塑性均比ZM21優(yōu)越。三.ZM21鎂合金和ZME210鎂合金二次變形對組織和性能的影響A.二次擠壓變形對ZM21鎂合金的組織和性能的影響(參見圖7和表6)表6ZM21二次擠壓變形后的力學性能形狀a。.2(MPa)ab(MPa)510(%)才齊壓比方坯(一次擠壓變形)15223314.914棒材(二次擠壓變形)16024815.628管材(二次擠壓變形)14122512.5181ZM21鎂合金二次擠壓變形后，以小擠壓比能夠提高合金的性能，晶粒也可以得到進一步的細化，但是以大擠壓比擠壓出來的管材，強度和塑性均都下降，晶粒粗化。B.二次擠壓變形對ZME210鎂合金的組織和性能的影響(見圖8和表7)表7ZME210二次擠壓變形的力學性能對比形狀ct0.2(MPa)cjb(MPa)510(%)擠壓比方坯(一次擠壓變形)22126317.914管材(二次擠壓變形)25130318.5181ZME210鎂合金二次擠壓變形時，能高提高合金的性能，組織得到了細化，而且在第一次擠壓變形過程中殘留的未再結晶的組織，可以在第二次擠壓變形中被進一步破碎，形成完全再結晶的等軸晶。特別是以大擠壓比變形時，組織細化的效果更加明顯，大部分晶粒尺寸在5微米左右，強度和塑性均大幅度提高。總結添加Ce元素后的ZME210合金，在相同的條件下，性能均比ZM21合金的優(yōu)越。本發(fā)明所述鎂合金可進行快速擠壓變形，并且擠壓變形后ZME210合的強度和塑性均比ZM21提高，在二次變形中，所得晶粒細小(大部分晶粒尺寸在5微米左右)，ZME210合金的強度和塑性均提高。因此，在鎂-鋅-錳系鎂合金中添加Ce，能夠累積多次熱變形的細化效果，獲得比較細小的等軸晶粒(參見圖l)，可以同時提高鎂合金強度和塑性。本領域技術人員知道，按照表l取編號為l、2、4、5配方制備的本發(fā)明所述的鎂合金材料，按上述步驟分別進行實驗，其性能與編號為3鎂合金材料的性能相近。權利要求1.一種含鈰的鎂-鋅-錳系鎂合金，其特征在于所述鎂合金由鎂、鋅、錳和稀土Ce組成，各組份的質量百分比為Zn1.8～4.0％，Mn0.5～1.5％，Ce0.15～0.80％，不可避免雜質≤0.15％；其余為Mg。2.根據(jù)權利要求1所述的鎂合金，其特征在于所述鎂合金由鎂、鋅、錳和稀土Ce組成，各組份的質量百分比為Zn:2.3%;Mn:0.75%;Ce:0.35%;不可避免雜質《0.15%;其余為Mg。全文摘要本發(fā)明涉及一種含鈰的鎂-鋅-錳系鎂合金，所述鎂合金的各組分質量百分比為Zn1.8～4.0％，Mn0.5～1.5％，Ce0.15～0.80％，以及不可避免的雜質≤0.15％，其余為Mg。本發(fā)明所述鎂合金具有良好的熱加工塑性，可快速擠壓變形，經過多次熱塑性變形后能夠獲得比較細小的晶粒，可以大大提高塑性并保持強度，在室溫拉伸強度為285MPa，延伸率為20％。文檔編號C22C23/00GK101270430SQ20081006937公開日2008年9月24日申請日期2008年2月19日優(yōu)先權日2008年2月19日發(fā)明者丁培道,張丁非,建彭,潘復生申請人:重慶大學