專利名稱：一種高加工硬化鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料領域，特別是涉及一種高加工硬化鎂合金及其制備方法。
技術背景
鎂是所有結構金屬中密度最低的金屬，鎂合金具有一系列的優點，比如低密度、高的比強度和比剛度、優良的機械加工性能和鑄造性、良好的阻尼減震性、高的熱導率、高的尺寸穩定性、優良的電磁屏蔽性能以及可回收利用等。在航空、航天、汽車等領域選材中備受青睞。此外，鎂合金在照相機、數碼產品、數字音響等產品上都有較好的應用前景。然而， 由于鎂的晶體為密排六方結構，滑移系少，塑性差；此外，鎂合金的強韌性低，加工硬化能力差，成型性能差；鎂合金的合金系列相對很少，變形鎂合金的研究開發嚴重滯后，不能適應不同應用場合的要求。通常認為，鎂合金的加工硬化能力越強，塑性成型能力越好。因而， 探索和開發新型高加工硬化鎂合金是該領域的研究熱點之一。
鑄造鎂合金能夠成型復雜形狀，在生產中備受青睞，但鑄造鎂合金的缺點是塑性較差，如AZ91系列合金。專利2009100674 . 7給出了一種獲得高塑型鎂合金的方法，其中有鋁的加入。在本發明中，為了得到較好的加工硬化能力，在鎂中加入錫和鋅，以降低鎂的層錯能，獲得較好的加工硬化能力和成型能力。發明內容
本發明的目的是提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應用的高加工硬化鎂合金及其制備方法，該合金既適用于鑄造工況直接使用；又適合于變形工況，如軋制板材、擠壓管材、擠壓型材等。
本發明的技術方案是先熔化鎂，然后加入錫和鋅，再按順序加入添加元素，經過攪拌、精煉處理后將熔體直接鑄軋成板材；或將熔體直接澆注成鑄錠；或先澆注成鑄錠，然后熱擠壓成管材、型材或板材。
具體步驟包括
—種高加工硬化鎂合金，其化學成分包括錫、鋅，其余為鎂和不可避免的雜質，該鎂合金的化學成分質量百分比為錫2. 3-4. 5，鋅0. 1-3. 85。
所述錫和鋅的化學成分質量百分比優選為錫2. 6-3. 5，鋅0. 3-2. 2。
該鎂合金的化學成分還包括添加元素，添加元素含量質量百分比為硅 0. 01-2. 0、銻 0. 01-3. 0、碲 0. 01-3. 0、鍶 0. 01-1. 5、錳 0. 01-2. 0、稀土元素總含量的質量百分比為0. 01-3. 0，添加元素取其中的一種或幾種。
所述稀土元素為釹、鑭、釔、鈰中的一種或幾種。
上述的高加工硬化鎂合金的制備方法，包括以下步驟
a)按照所述鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化， 然后加入經過50-180°C預熱的純錫和純鋅；
b)若鎂合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、銻和碲元素，攪拌3均勻后再加入鍶、錳和稀土元素；其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式弓I入，鍶、錳和稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
c)經吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
本發明所述技術方案與目前現有技術相比具有以下特點
本發明合金既適用于鑄造工況，又適合于變形工況，如軋制板材、擠壓管材、擠壓型材等；并且，制備工藝簡單，易于推廣應用。
1)本發明合金不含鋁元素，可以作為生物醫用合金；
2)本發明成分范圍的錫、鋅可以較大量固溶于鎂的晶格中，降低鎂的層錯能；尤其是時Sn和Si同時作用，降低鎂層錯能效果更加顯著，并且提高鎂的加工硬化能力；此外， Sn和Si同時加入，能夠增加鎂的基面和錐面上位錯滑移能力，提高鎂合金的塑性；加入的 Zn還能夠促進Sn的固溶以及改變析出相Mg2Sn與基體的取向，從而提高合金的加工硬化能力和成型能力；
3)添加元素硅、銻、碲、鍶、錳用來提高本發明含錫、鋅鎂合金的強度；同時，銻、 碲、鍶、錳還能夠去除本合金中的部分雜質；碲可以增加本發明含錫、鋅鎂合金的成分過冷， 促進形核；同時，上述添加元素還可以改善本發明中析出的含Sn或者含的Si第二相與基體的關系，從而提高強韌性、加工硬化能力和成型能力。
4)添加稀土元素釹、鑭、釔、鈰可以提高改變本發明合金的層錯能，并且提高合金的加工硬化能力、成型能力，以及改善本發明含錫、鋅鎂合金中析出的含Sn或者含Si的第二相的形態、尺寸、分布及其與基體的關系。
5)本發明鎂合金具有較高的強韌性、加工硬化能力和塑性成型能力，優化后的合金成分抗拉強度σ b彡180MPa、延伸率δ彡18%、加工硬化能力Hc彡2. 69、加工硬化指數 η ^ 0. 498 ；單道次軋制壓下量可達50% ；多次軋制變形率> 80%。


圖(a)為本發明中的鎂錫鋅合金的鑄態組織圖，由圖可以看出其樹枝晶比較粗大。
圖(b)為本發明中的鎂錫鋅加釔元素的鑄態組織圖，由圖可以看出其樹枝晶相對于鎂錫鋅合金得到了一定的細化。
圖(c)為本發明中鎂錫鋅加錳元素的鑄態組織圖，由圖可以看出其樹枝晶相對于鎂錫鋅合金得到了一定的細化。
圖(d)為本發明中鎂錫鋅加銻元素的鑄態組織圖，由圖可以看出其樹枝晶相對于鎂錫鋅合金得到了更大程度的細化。
具體實施方式
實施例一
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫2. 9%、鋅1. 1%，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-120°C預熱的純錫和純鋅；
(3)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；其中，鑄造Mg-2. 9Sn-l. IZn的抗拉強度σ b彡165MPa、延伸率δ ^ 19%, 加工硬化能力Hc ^ 3. 69、加工硬化指數η ^ 0. 574。
實施例二
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫4.0%、鋅3.5%，添加元素硅0.5%、銻 1.0%、碲1.0%、鍶0.03%、錳0.5%，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過75-135°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入添加元素先加入硅、銻和碲元素，攪拌均勻后再加入鍶、錳；其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式引入，而鍶、錳以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材。
實施例三
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3.5%、鋅2.5%，添加元素硅0. 1%、銻 0. 5%、碲0. 5%、鍶0. 15%、錳0. 2%，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過140-170°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入添加元素先加入硅、銻和碲元素，攪拌均勻后再加入鍶、錳；其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式引入，而鍶、錳以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材。
實施例四
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3.0%、鋅1.0%，添加元素分別為硅 0. 3%、銻0. 3%、碲0. 3%、鍶0. 3%、錳0. 3%中的一種，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過60-140°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入添加元素分別單獨加入硅、銻、碲、鍶、錳中的任一種；其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式引入，而鍶、錳以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材；其中，Mg-3Sn-lZn-0. 3Sb的抗拉強度彡185MPa、延伸率彡19%、加工硬化能力 Hc彡2. 69、加工硬化指數> 0. 529。
實施例五
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫2.8%、鋅0.7%，稀土元素分別為釹 0. 3%、鑭0. 2%、釔0. 08%、鈰0. 3%中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-155°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
實施例六
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3. 1%、鋅0.9%，稀土元素分別為釹 0. 8 %、鑭0. 5 %、釔0. 3 %、鈰1. 0 %中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-120°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。其中，鑄造Mg-3Sn-iai-0. 3Y的抗拉強度σ b彡180MPa、延伸率δ彡1加工硬化能力Hc ^ 4. 20、加工硬化指數η ^ 0. 600。
實施例七
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3.8%、鋅0.4%，稀土元素分別為釹 1.5%、鑭0. 1^42 0.8^^-0. 中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-120°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
實施例八
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫2. 65%、鋅1.35%，添加元素錳1.58%， 鍶1.0%，釔0.85%，鈰0. 55%，其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-130°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入添加元素按照鍶、錳和稀土元素順序加入；其中，鍶、錳和稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為 10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
實施例九
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3. 3%、鋅1. 2% ；添加元素硅0. 7%、銻 2. 0%、碲 1. ；35%、鍶 1. 2%、錳 0. 75% ；稀土元素為釹 0. 05 %、鑭 0. 05 %、釔 0. 03 %、鈰 0. 08%中的一種或幾種；其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過80-160°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入添加元素先加入硅、銻和碲元素，攪拌均勻后再加入鍶、錳和稀土元素； 其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式引入，而鍶、錳和稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
實施例十
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3.2%、鋅1.1% ；添加元素為錳0.3% ；其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過70-160°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入錳元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。其中，鑄造Mg-3Sn-iai-0. 3Mn的抗拉強度σ b彡185MPa、延伸率δ ^ 25%, 加工硬化能力Hc ^ 4. 00、加工硬化指數η ^ 0. 498。
實施例i^一
(1)按照鎂合金成分含量進行備料錫3.5%、鋅1.1% ；添加元素為銻0.3% ；其余為鎂和不可避免的雜質；
(2)按照上述的鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過70-150°C預熱的純錫和純鋅；
(3)加入銻元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；
(4)吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。其中，鑄造Mg-3Sn-iai-0. 3 的抗拉強度σ b彡185MPa、延伸率δ ^ 19%, 加工硬化能力Hc ^ 2. 69、加工硬化指數η ^ 0. 529。
權利要求
1.一種高加工硬化鎂合金，其化學成分包括錫、鋅，其余為鎂和不可避免的雜質，其特征在于，該鎂合金的化學成分質量百分比為錫2. 3-4. 5，鋅0. 1-3. 85。
2.根據權利要求1所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述錫和鋅的化學成分質量百分比優選為錫2. 6-3. 5，鋅0. 3-2. 2。
3.根據權利要求1所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，該鎂合金的化學成分還包括添加元素，所述添加元素含量質量百分比為硅0. 01-2. 0、銻0. 01-3. 0、碲 0. 01-3. 0、鍶0. 01-1. 5、錳0. 01-2. 0、稀土元素總含量的質量百分比為0. 01-3. 0，添加元素取其中的一種或幾種。
4.根據權利要求3所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述稀土元素為釹、 鑭、釔、鈰中的一種或幾種。
5.根據權利要求1所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的化學成分質量百分比為錫2. 9 %、鋅1. 1 %，其余為鎂和不可避免的雜質。
6.根據權利要求3所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的化學成分質量百分比為錫4.0%、鋅3. 5%，添加元素硅0. 5%、銻1.0%、碲1.0%、鍶0. 03%、錳 0.5%，其余為鎂和不可避免的雜質；或錫3.5%、鋅2.5%，添加元素硅0. 1%、銻0. 5%、 碲0. 5 %、鍶0. 15 %、錳0. 2 %，其余為鎂和不可避免的雜質。
7.根據權利要求3所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的化學成分質量百分比為錫3.0%、鋅1.0%，添加元素分別為硅0.3%、銻0.3%、碲0.3%、鍶0.3%、錳0. 3%中的一種，其余為鎂和不可避免的雜質；或錫2. 8%、鋅0. 7 %，稀土元素分別為釹0. 3%、鑭0. 2%、釔0. 08%、鈰0. 3%中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質。
8.根據權利要求3所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的化學成分質量百分比為錫3. 1%、鋅0.9%，稀土元素分別為釹0.8%、鑭0.5%、釔0.3%、鈰1.0 %中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質；或錫3. 8 %、鋅0. 4 %，稀土元素分別為釹1.5%、鑭0. 1^42 0.8^^-0. 中的一種或幾種，其余為鎂和不可避免的雜質。
9.根據權利要求3所述的一種高加工硬化鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的化學成分質量百分比為錫2. 65%、鋅1.；35%，添加元素錳1.58%，鍶1.0%，釔0. 85%，鈰 0. 55%，其余為鎂和不可避免的雜質；或錫3. 30%、鋅1. 2%;添加元素硅0. 7%、銻2.0%、 碲 1. ；35%、鍶 1. 2%、錳0. 75% ；稀土元素為釹 0. 05%、鑭 0. 05%、釔 0. 03%、鈰0. 08%。
10.一種高加工硬化鎂合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a)按照權利要求1至9中任一項所述鎂合金成分含量進行備料；采用二號溶劑進行保護，將純鎂錠熔化，然后加入經過50-180°C預熱的純錫和純鋅；b)若鎂合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、銻和碲元素，攪拌均勻后再加入鍶、錳和稀土元素；其中，硅、銻和碲元素以純硅、純銻和純碲方式引入，鍶、錳和稀土元素以商業標準鎂中間合金方式引入，所采用的商業標準鎂中間合金中的元素質量百分比含量為10-15 ；c)經吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再將鑄錠熱擠壓成管材、型材或板材；或者將熔體直接鑄軋成3-10毫米厚的板坯，再將板坯繼續多道次軋制成薄板或帶材。
全文摘要
本發明涉及一種高加工硬化鎂合金及其制備方法，屬于金屬材料領域。該合金的化學成分質量百分比為錫2.3-4.5，鋅0.1-3.85，其余為鎂和不可避免的雜質；該鎂合金還可以含有添加元素中的一種或幾種；其質量百分比為硅0.01-2.0、銻0.01-3.0、碲0.01-3.0、鍶0.01-1.5、錳0.01-2.0、稀土元素0.01-3.0；其中稀土元素為釹、鑭、釔、鈰。制備步驟先熔化鎂，然后加入錫和鋅，再加入添加元素和稀土元素；經過吹氣，攪拌，精煉，清渣，靜置后，將熔體直接澆注成錠，再熱擠壓成管材、型材或板材。該合金具有高加工硬化能力，塑性成型性好，制備工藝簡單、可靠，易于推廣應用等優點。
文檔編號C22C1/02GK102517480SQ20121000385
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月8日 優先權日2012年1月8日
發明者南小龍, 姜啟川, 歐陽子騰, 王慧遠, 王珵, 王艷鵬, 王金國, 羅丹, 陳磊 申請人:吉林大學