[发明专利]一种低成本非稀土型高强镁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料和金属材料加工领域，特别涉及一种低成本非稀土型高强镁合金及其制备方法；该新型镁合金可作为潜在的耐热镁合金及生物医用镁合金材料。

背景技术

镁密度约为1.74g/cm³，是铝合金的2/3，钢铁的1/4。镁及镁合金具有资源丰富、节约能源、环境友好的三大优势。与其他金属结构材料相比，镁合金是最轻的商用金属结构材料，具有比强度比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，可回收等优点，在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的轻量化金属结构材料，同时也有被开发成生物医用材料和电池功能材料的前景，被誉为本世纪的绿色工程材料。

但是，绝对强度较低，耐蚀性差，室温成形能力差等原因大大限制了镁及其合金作为新型绿色材料的应用。目前大量使用的商用AZ系镁合金和ZK系镁合金经变形后的强度也一般不超过350MPa，难以满足高性能结构材料等的使用要求。因此，开发高强度镁合金对拓展镁合金的应用领域具有重要意义。

近年来，随着对交通运输工具轻量化要求的日益迫切，已有大量研究工作通过各种方法来制备高强镁合金，包括添加大量稀土元素，采用粉末冶金或大塑形变形等特殊加工方法。国内逐渐有一些高强镁合金被陆续开发出来，如中国专利公开号为CN103290292A公开了一种高强镁合金，其屈服强度可以达到350～380MPa，抗拉强度为410～450MPa，延伸率在6％以上，各组分质量百分含量为Cd1.0～15wt％,Bi2.0～10.0wt％,Zn5.0～13wt％,Y7.0～15.0wt％,Zr0.4～1.0wt％,Nb0.1～5.0wt％，杂质元素Si、Fe、Cu、和Ni的总量小于0.02wt％，因合金元素种类较多且稀土含量高，不可避免增加合金成本，同时为保证混合均匀，需额外采用电磁搅拌连续铸造的方法制备合金锭坯料，变形后对合金进行热处理进一步提高了合金成本。中国专利公开号CN1924054公开了一种新型高强镁合金，该镁合金用重量百分含量为3～20％的W₁₄Al₈₆和80～97％的Mg粉末复合，通过半固态流变锻压技术制备高强镁合金，其抗拉强度在305～492MPa之间，工艺比较复杂。中国专利公开号CN101892445A公开一种高强镁合金，其合金成分为Gd6～13wt％,Y2～6wt％,Zr0.3～0.8wt％,其抗拉强度大于600MPa，屈服强度大于540MPa，延伸率大于1％，但其需要采用非常规大塑性变形方法，且需进行20～100h的等温时效处理，制备工艺过程对生产条件要求较高，且含有大量稀土元素，这些都直接或间接增加了合金成本。

由此可见，为了更好地满足消费电子、汽车等行业对高强镁合金低成本、易加工、高性能的要求，迫切需要开发出能够运用简单可连续的生产加工过程制备不含稀土的低成本超高强度镁合金材料，这也将极大地拓展镁合金在未来进一步的推广应用，具有重大的经济和社会意义。

发明内容

本发明的目的为针对现有高强镁合金存在的大量使用多种稀土元素或高价合金元素导致成本过高，或是为了提高强度而采用特殊变形加工工艺以至难以实现大批量商业化生产等问题，提供一种低成本非稀土型高强镁合金及其制备方法。该合金为一种新型的Mg-Bi-Ca-Mn合金，在这个合金系中，用极其简单的加工手段，就可以得到超高强度的变形镁合金，其屈服强度达到390MPa以上，具有优良的综合力学性能，同时原材料及加工成本低廉，易实现大批量生产。

本发明的技术方案是：

一种低成本非稀土型高强镁合金，该合金为Mg-Bi-Ca-Mn镁合金，其化学成分质量百分比为：Bi2～10.0wt％，Ca0.1～1.5wt％，Mn0.1～1.0wt％，其余为镁及不可避免的杂质。

所述的低成本非稀土型高强镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)纯Mg锭、纯Bi块、Mg-Ca中间合金以及Mg-Mn中间合金为原料，经表面预处理后，按所述的镁合金成份的质量百分比各自备料；

2)将纯Mg锭放入熔炼炉的坩埚中，设定炉温710～760℃并保持，待其融化后，依次将预热到200～250℃的纯Bi块、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金加入到镁熔液中；保温5～15分钟，然后搅拌5～10分钟，再保温5～10分钟；最后采用金属模铸造或半连续铸造，制备成合金铸锭；

合金的熔化、搅拌、静置和铸造是在CO₂和SF₆的混合气体保护下进行的；