[发明专利]一种高强度、大塑性镁合金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，具体涉及一种利用微合金化制备的高强度、大塑性镁合金及其制备方法。属于金属材料类及冶金领域。

背景技术

镁合金在航空航天、军工、电子、机械、汽车及其它行业中有着广泛的应用前景，主要是由于其具备密度低、抗冲击性能、电磁屏蔽性能优良、比强度比刚度高、机加工性能好等特点。我国大力开发镁合金产业，不但具有强大的资源优势，还有着巨大的市场需求。

然而，近年来镁合金替代铝合金等材料，在各行业中的应用发展比较缓慢，主要原因是目前镁合金还存在着以下显著的技术缺点：

(1)抗拉强度低：目前商用镁合金抗拉强度均＜280MPa，尤其是高温力学性能较差，当温度升高时，其强度和抗蠕变性能大幅度下降，限制了其在结构、承重等领域的应用；

(2)韧性差：目前商用镁合金延伸率普遍＜10%，限制了其加工成型性能。若要提高强度，则延伸率将大大下降，如强度最高的ZK61镁合金，其强度虽然可达275-305MPa，但其延伸率仅为4-7%；

(3)化学活性高、易于氧化燃烧：在350℃将发生燃烧，难于热加工成型；

(4)抗腐蚀性差：基体在空气中易氧化：一般在3-5天基体表面将发生氧化变灰至黑。

因此，开发镁合金制备新技术，研制开发具有优良综合性能（轻质、高强、高韧、耐热、耐蚀）的新型镁合金，无疑具有非常重要的工程价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种优化的高强度、高韧性镁合金及其制备方法，通过添加合金元素Al、Zn、Ti、RE(Nd、Y、Ce、Gd)，在适当的熔炼及热处理工艺条件下，通过细晶强化提高材料强度韧性，通过弥散强化提高材料热强性，通过置换固溶、间隙固溶提高材料强度的强化作用，使该镁合金具有比传统商业镁合金更优异的强度、延伸率和硬度等力学性能。

本发明的技术方案是：以Mg、Al、Zn为主要添加元素，采用Al为第一组分，因为Al密度小，且可热处理强化，在Mg固溶体中的极限固溶度为12.7wt %，在室温时的固溶度为2wt%，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Al 的加入量选定为3-6wt % ；采用Zn为第二组分，Zn在Mg中最大固溶度为6.2wt%，但Zn含量超过2.5%时对防腐性能有负面影响，同时为避免合金密度增加太多，Zn含量一般控制在2wt%以下，Zn能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高镁合金的疲劳极限。采用RE、Ti作为微量合金化元素，通过弥散强化以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。

本发明所提供的一种高强度、大塑性镁合金，其组分（wt%）为：3-6% Al、1-3% Zn、1.0-2.0%Ti、0.35-0.8% RE(Nd、Y、Ce、Gd)，杂质元素：Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02 %，余量为Mg。

本发明提供的高强度、大塑性镁合金制备方法包括熔炼工艺和热处理工艺。

Mg-Al-Zn-Ti-RE合金的熔炼工艺为：将纯镁、铝、锌、中间合金Mg-RE和Al-Ti先预热至100-180℃，然后将纯镁、铝锭、锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在650-760℃保温25-45分钟，再升温至760-840℃加入Mg-RE、Al-Ti中间合金，待Mg-RE、Al-Ti中间合金熔化后将镁液升温至770-860℃保温30-50分钟；再降温至650-800℃，静置10-20分钟后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至150-300℃，制得本发明Mg-Al-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金。

热处理工艺为：将制得的Mg-A-Zn-Ti-RE高强度、大塑性镁合金进行固溶强化处理，温度为410-440℃，时间为4-10小时，淬水；将经固溶强化处理后的镁合金进行时效处理，温度为170-190℃，时间为20-40小时。

本发明所具有的实质性特点为：

(1)利用微合金化，形成细小弥散、均匀分布的稳定第二相，有效提高了镁合金的室温拉伸强度及延伸率。以Mg-3Al-2Zn-2Ti-0.6RE(30%Nd、60%Y、10%Ce)为例，经过热处理后室温抗拉强度为295MPa，延伸率为23.5 %；以Mg-6Al-2Zn-2Ti-0.8RE(30%Nd、50%Y、20%Gd)为例，经过热处理后室温抗拉强度为360MPa，延伸率为19%；而AZ系列商用形变镁合金的室温抗拉强度最高为305MPa，延伸率为11 %。Mg-Al-Zn-Ti-RE合金的机械性能明显高于AZ系列商用形变镁合金。