一種高性能鎂鋅系合金的制備方法
【專利摘要】一種高性能鎂鋅系合金的制備方法，屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，將鎂和鋅熔化、精煉后，澆鑄成合金鑄錠，并對均勻化熱處理后的合金鑄錠進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理，取得鎂鋅合金，最后將鎂鋅合金進(jìn)行固溶熱處理。本發(fā)明可使鎂鋅合金的中間相以均勻分布的直徑在100納米到200納米的顆粒狀laves MgZn2相為主，基體晶粒尺寸在10微米以下，從而使其力學(xué)性能得到顯著提高。
【專利說明】
一種高性能鏌鋅系合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及鎂鋅合金的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂鋅系合金是一種具有較高強(qiáng)度的鎂合金，在鑄造條件下，鎂鋅合金的中間相通 常是塊狀共晶，隨著鋅含量的升高，材料中的中間相含量隨之升高。當(dāng)鎂鋅合金中的鋅元素 含量超過質(zhì)量百分比3%時，即使充分固溶處理之后，鎂鋅合金中仍然會有中間相無法完全 溶解而保存了下來。鑄造狀態(tài)的鎂鋅合金中，主要的中間相是塊狀Mg 7Zn3相（即Mg51Zn2Q相） 和少量MgZn相，這兩種相的熔點分別為341°C和325°C，在變形時超過或者接近這一溫度就 有可能造成鎂合金開裂，而鎂合金是一種難加工材料，塑性變形的溫度通常在200°C以上， 在劇烈變形的情況下溫度升高也可能達(dá)到或者接近這一溫度，因此鎂鋅合金的塑性加工的 溫度范圍很窄，加工難度較大。粗大的中間相越多鎂鋅合金的塑性越低，從而導(dǎo)致鎂鋅合金 在高溫下成形能力下降，室溫下的力學(xué)性能較低。
[0003] 鎂鋅二元合金中常見的中間相除了Mg7Zn3相和MgZn相之外還有Laves MgZn2相和 Mg4Zm相等，其中Laves結(jié)構(gòu)的MgZn2相和其他中間相相比具有較高的熱穩(wěn)定性(恪點約590 °C)和良好的力學(xué)性能，并且其晶體結(jié)構(gòu)與鎂同為六方結(jié)構(gòu)，與基體成半共格關(guān)系，其對提 高強(qiáng)度有顯著作用。
[0004] 劇烈塑性變形(severe plasticity deformation, SPD)是細(xì)化晶粒，降低中間相 的尺寸，減小材料的各向異性的有效方法。劇烈塑性變形方法包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equal-channel angular pressing, ECAP)、往復(fù)擠壓（cyclic-extrusion compression, CEC)、 三維鍛造(multi-directional forging, MDF)等。以往的研究發(fā)現(xiàn)，ECAP會誘發(fā)鎂鋅合金 中大量析出橢球狀或者球狀的Laves MgZn2相，這對于提高材料力學(xué)性能和高溫下的成形 性能都有幫助。而傳統(tǒng)的擠壓、乳制等加工條件下則不會有或者只有少量的Laves MgZn2相 析出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提出一中低成本的高性能鎂鋅合金的制作方法。
[0006] 本發(fā)明包括以下步驟： 1) 將鎂和鋅熔化后，經(jīng)過攪拌、精煉處理，澆鑄成合金鑄錠，所述合金鑄錠中鋅元素占 合金總質(zhì)量的4.0~12.0%; 2) 將合金鑄錠進(jìn)行均勾化熱處理； 3) 對均勻化熱處理后的合金鑄錠進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理，取得鎂鋅合金； 4) 將鎂鋅合金進(jìn)行固溶熱處理。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)原理:等通道擠壓(ECAP)可以細(xì)化鎂鋅合金的晶粒，使共晶相破碎并 分布均勾化，并大大提高laves MgZn2相析出的速度，析出的laves MgZn2相主要呈球形或橢 球形，這是通過擠壓、鍛造、乳制等普通塑性加工工藝無法得到的。在ECAP之后進(jìn)行固溶處 理可以使鑄態(tài)下析出的Mg7Zm共晶相分解，而laves MgZm相具有較高的熱穩(wěn)定性，因此在 熱處理之后會被保留下來。重復(fù)進(jìn)行劇烈塑性變形和固溶處理的過程可以使鎂鋅合金中元 素的分布更加均勻，消除了大塊狀的共晶相，取而代之的是細(xì)小的均勻分布的顆粒狀相，并 且中間相大部分轉(zhuǎn)化為具有更好強(qiáng)化效果的laves MgZn2相。經(jīng)過多道次劇烈塑性變形處 理的材料細(xì)化充分晶粒，晶粒尺寸可以降低到微米級甚至亞微米級。在第二相強(qiáng)化和細(xì)晶 強(qiáng)化機(jī)制的作用下，鎂鋅合金的力學(xué)性能也得到了顯著提高。
[0008] 本發(fā)明通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓細(xì)化晶粒、并將中間相轉(zhuǎn)換為laves MgZm相。
[0009] 本發(fā)明通過對鎂鋅合金同時進(jìn)行劇烈塑性變形和固溶熱處理的方法，降低鎂鋅合 金中塊狀共晶的尺寸，同時控制析出相的種類、尺寸和形貌，達(dá)到提高鎂鋅合金的室溫力學(xué) 性能和高溫成形性能的目的。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于通過劇烈塑性變形方法處理鎂鋅合金誘發(fā)laves MgZm相析 出，并通過適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砉に噷⑵渌虚g相溶解到基體中，重復(fù)進(jìn)行劇烈塑性變形和固 溶處理的工藝可以控制晶粒尺寸和中間相的尺寸、分布以及種類。該技術(shù)可以使鎂鋅合金 的中間相以均勾分布的直徑在100納米到200納米的顆粒狀1 aves MgZn2相為主，基體晶粒 尺寸在10微米以下，從而使其力學(xué)性能得到顯著提高。
[0011]進(jìn)一步地，本發(fā)明在所述步驟1)中，在攪拌時還加入鈣，錫，錳，鋁或稀土元素中的 至少一種。鈣:鈣作為合金元素主要與鎂形成Mg2Ca相，起到提高強(qiáng)度的作用；錫作為合金元 素可以起到固溶強(qiáng)化作用，錫也可與鎂形成Mg 2Sn相，提高合金強(qiáng)度;鋁在鎂中有一定的固 溶度可以起到固溶強(qiáng)化的作用，鋁與鎂可以形成MgnAhdg，也可以與鎂和鋅形成三元共晶 化合物，起到提高合金強(qiáng)度的作用；錳作為合金元素主要是與鋁、鐵結(jié)合形成三元化合物， 降低鐵在鎂合金中的有害影響;稀土元素在鎂合金熔煉過程中可以有效去除氧化物，降低 夾雜物的危害。稀土元素可以與鎂形成固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用。稀土元素可以與鎂以 及其他元素形成多種化合物，從而提高合金強(qiáng)度。
[0012]所述均勻化熱處理的溫度<325°C?？捎行煞制?。在合金的鑄造凝固過程 中，在基體晶界上容易形成粗大的共晶組織，粗大的共晶在材料的塑性變形過程中容易發(fā) 生開裂，造成材料加工性能下降。均勻化處理可以使共晶中的溶質(zhì)原子通過擴(kuò)散發(fā)生迀移， 是共晶尺寸降低。鑄態(tài)鎂鋅合金中中間相成分為Mg51Zn20相（即Mg7Zn3相）和MgZn相，其熔 點分別為341°C和325°C，在此溫度以上熱處理，MgZn相會熔化并在冷卻過程中形成孔洞，不 利于后續(xù)塑性加工，因此鎂鋅合金均勻化處理溫度要求在325°C以下。
[0013] 所述等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理為多道次，各道次的變形溫度為200±50°C。
[0014] 等通道擠壓是一種劇烈塑性變形技術(shù)，通過對試樣的多道次加工可以提高試樣的 應(yīng)變量，從而細(xì)化晶粒尺寸，并使材料的第二相分布均勻，但是連續(xù)多道次等通道擠壓會導(dǎo) 致材料加工硬化，容易開裂，因此對鎂鋅合金而言，連續(xù)等通道擠壓的次數(shù)不宜超過6道次。 鎂鋅合金的變形溫度一般不低于150°C，在低于150°C下鎂鋅合金極易開裂，隨著溫度的提 高鎂鋅合金的加工性能明顯提高，但是在高溫下等通道擠壓對晶粒的細(xì)化效果不佳，而當(dāng) 溫度超過300°C時，鎂鋅合金的中間相，如Mg51Zn20相和MgZn相的強(qiáng)度顯著下降，從而造成 材料在變形過程開裂，因此加工溫度應(yīng)選擇在盡可能低的溫度范圍。
[0015] 所述固溶熱處理的溫度< 325 °C，時間為1~2小時。固溶溫度在325 °C以下是為了 避免Mg51Zn2Q相和MgZn相熔化并形成孔洞，時間在1~2小時是為了將亞穩(wěn)態(tài)的Mg 51Zn2Q相和 MgZn相溶解，并且避免基體的晶粒長大過快。
[0016] 對步驟3)和4)進(jìn)行至少兩次循環(huán)操作。等通道擠壓使鎂鋅合金過飽和固溶體中析 出Laves MgZm相，細(xì)化基體晶粒。而固溶熱處理會導(dǎo)致鎂鋅合金中的Mg5iZn2Q相和MgZn相溶 解，晶粒有所長大，并消除加工硬化。進(jìn)行兩次以上循環(huán)操作的目的是，將Mg 51Zn2Q相和MgZn 相充分溶解并轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更加穩(wěn)定的Laves MgZm相，形成以Laves MgZm相為主要中間 相的鎂鋅合金顯微組織，從而提高鎂鋅合金性能。
【附圖說明】
[0017] 圖1為Mg-6Zn(鋅重量百分比6%)合金經(jīng)過不同的等通道轉(zhuǎn)角擠壓以及等通道轉(zhuǎn)角 擠壓與固溶熱處理組合工藝處理后的力學(xué)性能圖。
【具體實施方式】
[0018] -、制備工藝： 1、 先將鎂和鋅熔化，然后加入其它元素，經(jīng)過攪拌、精煉處理等澆鑄成合金鑄錠。
[0019] 該合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:鋅4.0~12.0%，其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)，同 時該合金中還可以添加鈣，錫，錳，鋁和稀土元素中的一種或者幾種。
[0020] 下表為各實例的原料配比表(單位為:kg)
2、 將以上各合金鑄錠分別進(jìn)行325°C以下的均勻化處理，消除成分偏析。
[0021 ] 3、將均勾化處理后的各鑄錠進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓（equal-channel angular pressing，ECAP)，可以進(jìn)行多道次加工，各道次的變形溫度在200±50°C。
[0022] 4、將劇烈塑性變形處理后的鎂鋅合金進(jìn)行固溶熱處理，熱處理溫度在325°C以下， 時間在2小時以內(nèi)，然后再將材料進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓。
[0023] 以上第3、4的操作可以循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。
[0024]二、結(jié)果分析： 以Mg-6Zn(鋅重量百分比6%)合金為例，將鑄態(tài)的Mg-6Zn合金記為1號;經(jīng)過在200°C等 通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次的記為2號;經(jīng)過在200°C等通道轉(zhuǎn)角擠壓6道次的記為3號;經(jīng)過兩次等 通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次的（200 °C等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次，然后在320 °C均勻化處理1小時，再進(jìn) 行200°C等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次)記為4號；經(jīng)過三次等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次的（200°C等通道 轉(zhuǎn)角擠壓2道次，然后在320°C均勻化處理1小時，200°C等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次，最后在320°C 均勻化處理2小時，再進(jìn)行200°C等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次)記為5號。4號和5號采用了本技術(shù)的 方法。
[0025]圖1為Mg-6Zn(鋅重量百分比6%)合金經(jīng)過不同的等通道轉(zhuǎn)角擠壓以及等通道轉(zhuǎn)角 擠壓與固溶熱處理組合工藝處理后的力學(xué)性能圖。
[0026]圖中YS代表室溫屈服強(qiáng)度，UTS代表室溫抗拉強(qiáng)度，E1.代表室溫斷裂延伸率;as-casted代表鑄態(tài)試樣，200-2p代表鑄態(tài)合金經(jīng)過200°C下2道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理后的試 樣，200-6p代表鑄態(tài)合金經(jīng)過200 °C下6道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理后的試樣，2*200-2p代表2 次200°C下2道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓的樣品，而連續(xù)2次200°C等通道轉(zhuǎn)角擠壓之間有一次320 °C下1小時的固溶熱處理，3*200-2p代表3次200°C下2道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓的樣品，每連續(xù)2 次200 °C等通道轉(zhuǎn)角擠壓之間有一次320 °C下1小時的固溶熱處理。
[0027] 從圖1可見:經(jīng)過200Γ2道次等通道擠壓后，合金強(qiáng)度有明顯上升，而繼續(xù)進(jìn)行到6 道次擠壓后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不但沒有上升，反而略有下降，這是由于MgZn2相長的粗化 造成的。而采用兩次等通道轉(zhuǎn)角擠壓2道次的的試樣4,強(qiáng)度比2號和3號樣品的強(qiáng)度都有提 高，延伸率略有下降，樣品5號的強(qiáng)度則繼續(xù)上升。這說明對于鎂鋅合金，本技術(shù)可以在細(xì)化 晶粒的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮鎂鋅合金中MgZn 2相析出強(qiáng)化的作用，和傳統(tǒng)的連續(xù)等通道轉(zhuǎn)角擠 壓相比能更好的提高鎂鋅合金的強(qiáng)度。
【主權(quán)項】
1. 一種高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將鎂和鋅熔化后，經(jīng)過攪拌、精煉處理，澆鑄成合金鑄錠，所述合金鑄錠中鋅元素占 合金總質(zhì)量的4.0~12.0%; 2) 將合金鑄錠進(jìn)行均勾化熱處理； 3) 對均勻化熱處理后的合金鑄錠進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理，取得鎂鋅合金； 4 )將鎂鋅合金進(jìn)行固溶熱處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于在所述步驟1)中，在攪 拌時還加入鈣，錫，錳，鋁或稀土元素中的至少一種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于所述均勻化熱處理的 溫度彡325 °C。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于所述等通道轉(zhuǎn)角擠壓 處理為多道次，各道次的變形溫度為200 ± 50°C。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于所述固溶熱處理的溫 度<325°C，時間為1.5小時~2小時。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述高性能鎂鋅合金的制備方法，其特征在于對步驟 3)和4)進(jìn)行至少兩次循環(huán)操作。
【文檔編號】C22C1/02GK105886804SQ201610317857
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】嚴(yán)凱, 金朝陽, 費洪旗, 程宏輝, 黃新
【申請人】揚州大學(xué)