本發明屬于金屬材料技術及冶金技術領域，具體涉及一種高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材及其制備方法。

背景技術：

鎂合金是結構輕量化的理想材料，具有密度小、比強高、易回收利用，以及減振性、電磁屏蔽性和機械加工性能優良等優點，在汽車、航空航天、3C、國防等領域的應用擁有廣闊的應用前景。目前工業通用鎂合金主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類，變形鎂合金可以通過鍛造、擠壓、軋制等工藝獲得，相較于鑄造鎂合金，具有更高的強度、更好的延展性和更多樣化的尺寸，應用也更為廣泛。但是目前工業上廣泛應用的AZ系鎂合金存在絕對強度低(特別是高溫力學性能低)，塑性成形能力差(特別是二次成形能力差)，以及耐蝕性差等問題，嚴重制約了鎂合金材料的應用領域。其中AZ31變形鎂合金的二次成形能力和耐熱性亟待改善。例如，擠壓態AZ31鎂合金的拉伸性能(ASM handbook:Magnesium and Magnesium Alloys)室溫下分別為：屈服強度205MPa，抗拉強度275MPa，伸長率12％，屈強比(Rp0.2/Rm)0.745；高溫(150℃)下分別為：105MPa，170MPa，39％，和0.618。可見，其屈強比較高，伸長率較低，高溫時的屈服和抗拉強度均降低100MPa，分別只有室溫的1/2和2/3左右，而且，其強度不能通過熱處理工藝來提高。因此，如果通過合金成分的調整，并結合制備工藝的改進，能夠改善AZ31鎂合金的成形性以及耐熱性，將具有重要意義。

AZ系鎂合金的耐熱性差與合金中存在低熔點Mg₁₇Al₁₂相以及沒有耐高溫穩定沉淀相有關。在鎂合金中稀土元素RE能夠優先與Al元素生成熱穩定性高的合金相，同時減少低熔點Mg₁₇Al₁₂相的析出，限制位錯運動和改善晶界結構狀態，從而提高鎂合金的室溫和高溫力學性能，但是，大量添加昂貴的Nd、Y、Gd等稀土元素也會帶來鎂合金材料成本的顯著增加，同樣制約了鎂合金材料的應用。因此，選擇具有較低成本的La、Ce、Pr和Sm等輕稀土元素作為添加劑是目前耐熱鎂-稀土合金開發的重要方向。在申請號為201410309982.2的專利中，公布了在鋁含量為3.5％～4.5％的鎂合金中添加2.5％～3.5％的La和1.5％～3.0％的Sm以改善其耐熱性的方法，雖然在150℃下抗拉強度可達到150MPa左右，但室溫伸長率較低，最高不超過10％。一般來說，降低屈強比(R_p0.2/Rm)和提高伸長率可以提高金屬材料的塑性變形能力。

技術實現要素：

本發明提供一種高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材及其制備方法，通過在AZ31鎂合金基礎上提高Al含量和微量組合添加稀土元素Sm和La，并通過擠壓工藝參數的調整，降低鎂合金的屈強比，提高鎂合金的伸長率和耐熱性。

本發明的技術方案如下：

一種高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，其合金組分的質量百分比為：Al含量為3～4.5％，Zn含量為0.8～1.2％，Mn含量為0.15～0.25％，Sm和La總含量為0.15～0.5％，雜質元素總含量小于0.05％，其余為Mg，其中Sm含量為0.1～0.45％，La含量為0.05～0.3％。

所述的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，其優選方案為，Al含量為3.5～4.5％，Zn含量為0.9～1.2％，Mn含量為0.15～0.2％，Sm和La總含量為0.35～0.5％，其中Sm含量為0.2～0.45％，La含量為0.05～0.3％。

一種如上述的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的制備方法，包括以下步驟：

(1)熔煉鑄錠：在保護氣作用下，分別將按所述質量百分比稱好的鎂錠、鋁錠、鋅錠、無水MnCl₂置于熔爐中，加熱至710～715℃使其熔化，扒渣以去除漂浮在熔體表面的雜質，在熔體表面均勻撒上RJ-5熔劑作為覆蓋劑，加入按所述質量百分比稱好的Sm中間合金和La中間合金，升溫至730～750℃，Sm中間合金和La中間合金熔化后繼續加入RJ-5熔劑進行攪拌精煉，之后靜置8～10min，待熔體溫度降至710±3℃時進行扒渣，在保護氣作用下澆鑄預先加熱至150～250℃的低碳鋼模具中，得到鎂合金鑄錠；

(2)均勻化：將步驟(1)所得鎂合金鑄錠置于馬弗爐中，在400～420℃下保溫10～12小時進行均勻化處理，隨后空冷至室溫，車削加工為Φ46mm×100mm的鎂合金棒材；

(3)熱擠壓：將步驟(2)所得鎂合金棒材于350℃保溫2小時后，利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機上進行熱擠壓，擠壓溫度為350℃，擠壓出口速度為1.8～1.9m/min，擠壓比為16:1～18:1，隨后空冷至室溫，得到擠壓材。

所述的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的制備方法，其優選方案為，鎂錠的純度≥99.9wt.％、鋁錠的純度≥99.7wt.％、鋅錠的純度≥99.99wt.％，Sm中間合金和La中間合金的成分分別為Mg-30wt.％Sm和Mg-25wt.％La。

所述的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的制備方法，其優選方案為，所述保護氣為CO₂和SF₆的混合氣體，體積比為CO₂:SF₆＝100:1。

本發明的有益效果為：

(1)本發明在AZ31鎂合金基礎上，通過提高鋁含量和微量組合添加稀土元素Sm、La，在鎂合金中優先形成了熱穩定性高的Al₂Sm和Al₁₁La₃合金相，抑制了低熔點Mg₁₇Al₁₂相的形成，改善了晶界結構狀態，經過均勻化和擠壓工藝參數調整處理后，顯著細化了鎂合金組織，明顯降低了室溫屈服比，增大了室溫伸長率，提高了高溫(150℃)屈服、抗拉強度，最終得到了高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材；

(2)本發明的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材具有高塑、耐熱的特點，具體表現為：室溫下，該鎂合金的抗拉強度為260～270MPa，屈服強度為145～165MPa，伸長率為22～28％，屈強比為0.55～0.65；高溫(150℃)下，該鎂合金的抗拉強度為180～200MPa，屈服強度為120～135MPa，伸長率為35～45％，屈強比為0.6～0.7；

(3)本發明的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，可通過低擠壓比擠壓變形獲得，其中，擠壓溫度為350℃，擠壓比為16:1～18:1，擠壓工藝簡單易實施。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所得的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的XRD譜圖；

圖2為本發明實施例1所得的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的典型金相組織圖；

圖3為本發明的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的拉伸試樣尺寸圖；

圖4本發明實施例2所得的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的XRD譜圖；

圖5為本發明實施例2的高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材的典型金相組織圖。

具體實施方式

結合本發明方案的內容，提供以下四個實施例，但本發明的保護范圍不限于下述四個實施例。

實施例1

本實施例中高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，由以下質量百分比的合金組分組成：3.5％Al，1.2％Zn，0.2％Mn，0.45％Sm+0.05％La，余量為鎂和不可避免的雜質元素。

制備方法如下：

采用電阻熔煉爐，在SF₆與CO₂體積比為1:100的混合氣體保護氣氛下，將Mg加熱到715℃熔化，按組分的質量百分比加入Al、Zn和Mn，采用RJ-5熔劑對鎂合金熔體進行凈化處理和覆蓋保護，按Sm和La的質量百分比加入Mg-30％Sm和Mg-25％La中間合金，升溫至730℃，合金熔化后繼續加入RJ-5熔劑進行精煉攪拌，隨后靜置10min，待熔體溫度降至710℃時進行扒渣，在保護氣作用下澆鑄到預先加熱至200℃的低碳鋼模具中，得到具有高塑和耐熱特性的AZ系鎂合金鑄錠。將該鎂合金鑄錠于420℃保溫10h，空冷至室溫，并車削加工為Φ46mm×100mm的鎂合金棒材，去除表面的氧化部分。經過350℃×2h的保溫處理后，利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機上，以1.9mm/min的出口速度擠壓該鎂合金棒材，得到Φ12mm的鎂合金擠壓材，擠壓比為17.4:1。

擠壓材的XRD譜如附圖1所示，典型金相組織如附圖2所示。將其加工成如附圖3所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機上進行室溫和150℃高溫拉伸，拉伸速度均為1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分別為：室溫下，抗拉強度＝260MPa，屈服強度＝146MPa，伸長率＝27.5％，屈強比＝0.562；150℃高溫下，抗拉強度＝195MPa，屈服強度＝127MPa，伸長率＝39％，屈強比＝0.651。

實施例2

本實施例中高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，由以下質量百分比的合金組分組成：3.5％Al，0.9％Zn，0.2％Mn，0.2％Sm+0.3％La，余量為鎂和不可避免的雜質元素。

制備方法與實施例1相同。

擠壓材的XRD譜如附圖4所示，典型金相組織如附圖5所示。將其加工成如附圖3所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機上進行室溫和150℃高溫拉伸，拉伸速度均為1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分別為：室溫下，抗拉強度＝265MPa，屈服強度＝163MPa，伸長率＝24％，屈強比＝0.615；150℃高溫下，抗拉強度＝189MPa，屈服強度＝133MPa，伸長率＝39.5％，屈強比＝0.703。

實施例3

本實施例中高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，由以下質量百分比的合金組分組成：4.5％Al，0.9％Zn，0.15％Mn，0.2％Sm+0.15％La，余量為鎂和不可避免的雜質元素。

制備方法與實施例1相同。

將其加工成如附圖3所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機上進行室溫和150℃高溫拉伸，拉伸速度均為1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分別為：室溫下，抗拉強度＝265MPa，屈服強度＝150MPa，伸長率＝23％，屈強比為0.566；150℃高溫下，抗拉強度＝185MPa，屈服強度＝125MPa，伸長率＝42％，屈強比為0.676。

實施例4

本實施例中高塑耐熱AZ系鎂合金擠壓材，由以下質量百分比的合金組分組成：4.5％Al，0.9％Zn，0.15％Mn，0.2％Sm+0.2％La，余量為鎂和不可避免的雜質元素。

制備方法與實施例1相同。

將其加工成如附圖3所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機上分別進行室溫和150℃高溫拉伸，拉伸速度均為1mm/min，其拉伸性能如表1所示，平均值分別為：室溫下，抗拉強度＝268MPa，屈服強度＝155MPa，伸長率＝22.5％，屈強比＝0.578；150℃高溫下，抗拉強度＝183MPa，屈服強度＝120MPa，伸長率＝45％，屈強比為0.656。

表1實施例所得鎂合金的拉伸力學性能測試結果

(^*注：AZ31擠壓材的力學性能數據出自ASM handbook:Magnesium and Magnesium Alloys)