一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法

1.本发明涉及合金技术领域，尤其是涉及一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。


背景技术：

2.镁合金是工程应用中重量最轻的金属结构材料，密度为1.75～1.90g/cm3，仅为铝合金的2/3，钛合金的2/5，钢铁的1/4。镁合金具有极高的比强度和比刚度，与其他结构用金属材料相比，使用镁合金替代现用铝合金即可实现减重30％以上，替代钢结构可减重50％以上，因此镁合金在汽车、电子电器、通讯、航空航天和国防军事等亟需轻量化的工业领域具有极高的应用价值和广阔的应用前景。然而由于镁合金是密排六方结构，其滑移系较少，所以塑性偏低，极易引起镁合金在加工过程中开裂，因此传统的镁合金在应用的过程中存在大规格镁合金构件成型性差的瓶颈问题，导致镁合金的推广应用受到巨大的阻碍。
3.当前，稀土元素是提升镁合金塑韧性的有效手段，例如在镁合金中添加y、nd、gd等稀土元素，可通过促进非基面位错开动，诱发位错的交滑移；元素ca是已经广泛应用于镁合金中，而在稀土镁合金中添加ca元素，可以显著弱化基面织构，降低镁合金塑性变形的各向异性，可以有效提升材料的塑性、易加工性和成型性。
4.金属材料传统的加工方法主要有挤压、轧制和锻造等。其目的在于通过剧烈形变而实现材料组织均匀细化。对于含钙稀土镁合金，虽然剧烈塑性变形能够提高合金强度，但也会导致合金延展性急剧下降，进而弱化合金塑性成形能力，限制其在轻量化制造中的广泛应用。如何提高变形稀土镁合金延伸率成为一个现实的难题。因此，开发一种安全、简便且处理周期短的高效热处理方法，提高含钙稀土镁合金延展性，对最终提高合金成型能力，降低大型镁合金构件制备成本，促进镁合金更广泛的应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法，也即利用变形后退火热处理工艺提高含钙稀土镁合金延伸率的方法。
6.基于现有技术中存在的镁合金存在的延展性低的问题，本发明提供了一种简便、成本低、经济且周期短的镁合金塑韧化的热处理方法。本发明的镁合金尤其是含钙稀土铸态镁合金(通过合金设计方法，进行相关元素选择，含有高固溶度稀土元素y的挤压变形稀土镁合金)，在将镁合金形变后进一步进行热处理，在保证牺牲小范围镁合金屈服强度和抗拉强度的前提下，显著提高镁合金延伸率，改善现有镁合金(尤其是含钙稀土铸态镁合金)低韧的现状。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明的第一个目的是提供一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将铸态镁合金进行均匀化处理；
10.(2)步骤(1)结束后，将铸态镁合金进行预热退火热处理；
11.(3)步骤(2)结束后，将铸态镁合金进行挤压变形处理，完成镁合金的形变；
12.(4)步骤(3)完成后，将形变后的镁合金进行时效热处理，得到具有超高延伸率的镁合金。
13.在本发明的一个实施方式中，所述铸态镁合金为含钙稀土铸态镁合金，
14.所述含钙稀土铸态镁合金包括1wt％～5wt％的钇和0.05wt％～0.2wt％的钙，余量为mg及杂质。
15.在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，均匀化处理处于氩气气氛下进行。
16.在本发明的一个实施方式中，均匀化处理过程中，温度400℃～500℃，时间为10h～24h；
17.优选地，时间为10h～16h；
18.更有选地，时间为12h。
19.在本发明的一个实施方式中，均匀化处理后，将镁合金置于室温水中淬火。
20.在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，预热退火热处理中，温度为350℃～450℃，时间为3h～8h；
21.优选地，时间为4h。
22.在本发明的一个实施方式中，预热退火热处理后，将镁合金置于挤压机盛锭筒中同步加热0.5h～2h至挤压变形处理的预定挤压温度。
23.在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，挤压变形处理过程中，挤压温度为350℃～450℃，挤压速度为0.4mm/s～0.6mm/s，挤压比为16：1～18：1。
24.在本发明的一个实施方式中，挤压变形处理过程中，挤压比为16：1。
25.在本发明的一个实施方式中，时效热处理过程中，温度为380℃～500℃，时间为10min～45min。
26.在本发明的一个实施方式中，步骤(4)中，时效热处理过程中，温度为400℃，时间为10min。
27.本发明的第二个目的是提供一种通过上述方法制备得到的具有超高延伸率的镁合金。
28.本发明通过简单、短时的热处理和热挤压复合工艺达到保证牺牲少量抗拉强度的前提下，显著提高镁合金的延伸率，进而提高镁合金的可加工性能，改善现有的镁合金合金塑性不理想的现状。本发明中的含钙稀土铸态镁合金为含有一定量y元素和少量固溶度有限的ca元素的镁合金。
29.本发明的具有超高延伸率的镁合金中，首先利用预制热处理使镁合金铸锭均匀化，使熔炼过程中产生的第二相重新固溶进基体，形成单相铸态镁合金，确保没有第二相阻碍位错运动，为位错不断开动提供更多的空间；当镁合金为含钙稀土铸态镁合金时，单相中固溶元素y和ca促进变形过程中大量的非基面滑移系(如柱面滑移系、锥面滑移系)开动，进一步弱化基面织构，充分发挥固溶元素提高镁合金延伸率的作用，从而达到镁合金增韧的目的；此外，形变后的镁合金经历短时二次时效热处理能够有效增加晶粒尺寸，可以降低晶界对于位错运动的阻碍作用，为位错运动提供更长、更多方向的路径，有效提高位错交滑移的可能性，从而一定程度上弥补挤压过程中晶粒细化导致镁合金塑性损失的问题。基于以
上三点增韧机制，本发明针对变形镁合金提供了一种经济、成本低，周期短的有效塑韧化方法。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.(1)通过简单的挤压前预热处理，在变形前有效消除合金基体内多余的第二相，使单相内固溶元素充分发挥弱化合金变形织构的作用，使新织构占比更多有利于非基面滑移系启动的取向；通过短时经济的挤压后二次时效热处理，提高晶粒尺寸至一定范围，降低晶界对于位错运动的阻碍作用，进一步提供镁合金中位错运动的有效路径，最终实现在牺牲较小合金屈服强度和抗拉强度的前提下，显著提高合金延伸率的目的，改善现有镁合金合金塑性和加工性不理想的现状。
32.(2)本发明中使用的氩气为实验室常用的惰性保护气体，价格低、易存储和运输、化学性能稳定、成本低廉、无毒无污染。
33.(3)本发明中所用的设备简单方便，实验周期短，操作简单，安全，有利于大规模工业化应用。
34.(4)采用本发明方法处理后的挤压态mg-y-ca合金较不做处理挤压态mg-y-ca合金抗拉强度降低了8.4％，延伸率提高了90％。
附图说明
35.图1为实施例1制备得到的具有超高延伸率的镁合金的反极图照片；
36.图2为对比例1制备得到的具有超高延伸率的镁合金的反极图照片；
37.图3为实施例1-2制备得到的具有超高延伸率的镁合金的晶粒尺寸统计；
38.图4为实施例1-4以及对比例1-2制备得到的具有超高延伸率的镁合金的应力应变曲线图。
具体实施方式
39.本发明提供一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
40.(1)将铸态镁合金进行均匀化处理；
41.(2)步骤(1)结束后，将铸态镁合金进行预热退火热处理；
42.(3)步骤(2)结束后，将铸态镁合金进行挤压变形处理，完成镁合金的形变；
43.(4)步骤(3)完成后，将形变后的镁合金进行时效热处理，得到具有超高延伸率的镁合金。
44.在本发明的一个实施方式中，所述铸态镁合金为含钙稀土铸态镁合金，
45.所述含钙稀土铸态镁合金包括1wt％～5wt％的钇和0.05wt％～0.2wt％的钙，余量为mg及杂质。
46.在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，均匀化处理处于氩气气氛下进行。
47.在本发明的一个实施方式中，均匀化处理过程中，温度400℃～500℃，时间为10h～24h；
48.优选地，时间为10h～16h；
49.更有选地，时间为12h。
50.在本发明的一个实施方式中，均匀化处理后，将镁合金置于室温水中淬火。
51.在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，预热退火热处理中，温度为350℃～450℃，时间为3h～8h；
52.优选地，时间为4h。
53.在本发明的一个实施方式中，预热退火热处理后，将镁合金置于挤压机盛锭筒中同步加热0.5h～2h至挤压变形处理的预定挤压温度。
54.在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，挤压变形处理过程中，挤压温度为350℃～450℃，挤压速度为0.4mm/s～0.6mm/s，挤压比为16：1～18：1。
55.在本发明的一个实施方式中，挤压变形处理过程中，挤压比为16：1。
56.在本发明的一个实施方式中，时效热处理过程中，温度为380℃～500℃，时间为10min～45min。
57.在本发明的一个实施方式中，步骤(4)中，时效热处理过程中，温度为400℃，时间为10min。
58.本发明提供一种通过上述方法制备得到的具有超高延伸率的镁合金。
59.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
60.本领域中，纯镁延伸率为5％-9％，高延伸率镁合金的延伸率为10％-20％；因此本技术中定义为超高延伸率镁合金(本技术的延伸率大于30％)。
61.下述实施例中，若无特殊说明，所用试剂均为市售试剂，所用检测手段及方法均为本领域常规检测手段及方法。
62.实施例1
63.本实施例提供一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。
64.将成分为mg-5.00y-0.08ca的铸锭进行切削加工制成直径为60mm，高为60mm的圆柱试样后，进行均匀化处理：即将试样放置氩气保护的管式热处理炉中，随炉升温到450℃，保温12h，然后置于26℃室温水中淬火；将均匀化处理后的圆柱试样放入箱式热处理炉中，在400℃温度下预热4h后置入已预热的挤压机盛锭筒中，以0.5mm/s挤压速度和16：1挤压比实施热挤压变形处理，获得直径15mm棒材。将棒材加工成拉伸试片，再将挤压加工后的拉伸片进行时效热处理，将拉伸片放入箱式热处理炉中，在400℃温度下热处理10mins，然后置于26℃室温水中淬火，得到具有超高延伸率的镁合金(此处也称为“时效热处理的拉伸片”，下述相同)，其反极图照片如图1所示；将时效热处理的拉伸片在上述拉神试验机上进行拉伸测试(采用gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法)，直至拉断，得到抗拉强度195mpa，延伸率31.9％。
65.实施例2
66.本实施例提供一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。
67.将成分为mg-3.28y-0.20ca的铸锭进行切削加工制成直径为60mm，高为60mm的圆柱试样后，进行均匀化处理：即将试样放置氩气保护的管式热处理炉中，随炉升温到450℃，保温12h，然后置于26℃室温水中淬火；将均匀化处理后的圆柱试样放入箱式热处理炉中，在400℃温度下预热4h后置入已预热的挤压机盛锭筒中，以0.5mm/s挤压速度和16：1挤压比实施热挤压变形处理，获得直径15mm棒材。将棒材加工成拉伸试片，再将挤压加工后的拉伸片进行时效热处理，将拉伸片放入箱式热处理炉中，在400℃温度下热处理10mins，然后置于26℃室温水中淬火。将时效热处理的拉伸片在上述拉神试验机上进行拉伸测试(采用gb/
t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法)，直至拉断，得到抗拉强度153mpa，延伸率31.9％。
68.实施例3
69.本实施例提供一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。
70.其步骤同实施例1，不同之处为时效热处理过程，将拉伸片放入箱式热处理炉中，在400℃温度下热处理45mins，然后置于26℃室温水中淬火。将时效热处理的拉伸片在上述拉神试验机上进行拉伸测试。其抗拉强度为190mpa，延伸率为30.8％。
71.实施例4
72.本实施例提供一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。
73.其步骤同实施例2，不同之处为时效热处理过程，将拉伸片放入箱式热处理炉中，在400℃温度下热处理45mins，然后置于26℃室温水中淬火。将时效热处理的拉伸片在上述拉神试验机上进行拉伸测试。其抗拉强度为163mpa，延伸率为30.6％。
74.对比例1
75.将成分为mg-5.00y-0.08ca的铸锭进行切削加工制成直径为60mm，高为60mm的圆柱试样后，进行均匀化处理：即将试样放置氩气保护的管式热处理炉中，随炉升温到450℃，保温12h，然后置于26℃室温水中淬火；将均匀化处理后的圆柱试样放入箱式热处理炉中，在400℃温度下预热4h后置入已预热的挤压机盛锭筒中，以0.5mm/s挤压速度和16：1挤压比实施热挤压变形处理，获得直径15mm棒材，其反极图照片如图2所示；将棒材加工成拉伸试片，然后在拉神试验机上将加工后的拉伸试片进行拉伸测试(采用gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法)，直至拉断，得到抗拉强度213mpa，延伸率16.8％。
76.对比例2
77.其步骤同实施例1，不同之处为合金成分为mg-3.28y-0.20ca。其抗拉强度为225mpa，延伸率为20.5％。
78.表1为实施例1-4和对比例1-2中不同含量的含钙稀土镁合金的化学组分，单位为wt.％，余量为mg及不可避免的杂质，以及不同镁合金试样经过处理后相应的拉伸力学数据。其中对比例1对应实施例1和3，对比例2对应实施例2和4。
79.表1实施例1-4以及对比例1-2的信息汇总表
[0080][0081]
对比表1数据，成分为mg-5.00y-0.08ca合金经过时效热处理10mins的样品，较未
热处理挤压的试样抗拉强度下降了8.4％，延伸率提高了90％；而同样成分的合金经过时效热处理45mins的样品，较未处理直接挤压的试样抗拉强度下降了28％，延伸率提高了90％。成分为mg-3.28y-0.20ca合金经过时效热处理10mins的样品，较未处理直接挤压的试样抗拉强度下降了15％，延伸率提高了50％；而同样成分的合金经过时效热处理45mins的样品，较未处理直接挤压的试样抗拉强度下降了27.5％，延伸率提高了49％。对该成分合金进行时效热处理后使得晶粒生长至10-30微米(图1-3)，且缺陷减少、元素偏析程度降低，使合金在拉伸过程中开启大量非基面滑移系(图1-3)，显著提高合金的延伸率(图4)。
[0082]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的解释，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铸态镁合金进行均匀化处理；(2)步骤(1)结束后，将铸态镁合金进行预热退火热处理；(3)步骤(2)结束后，将铸态镁合金进行挤压变形处理，完成镁合金的形变；(4)步骤(3)完成后，将形变后的镁合金进行时效热处理，得到具有超高延伸率的镁合金。2.根据权利要求1所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，所述铸态镁合金为含钙稀土铸态镁合金，所述含钙稀土铸态镁合金包括1wt％～5wt％的钇和0.05wt％～0.2wt％的钙，余量为mg及杂质。3.根据权利要求1所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，均匀化处理处于氩气气氛下进行。4.根据权利要求3所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，均匀化处理过程中，温度400℃～500℃，时间为10h～24h。5.根据权利要求1所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预热退火热处理中，温度为350℃～450℃，时间为3h～8h。6.根据权利要求1所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，挤压变形处理过程中，挤压温度为350℃～450℃，挤压速度为0.4mm/s～0.6mm/s，挤压比为16：1～18：1。7.根据权利要求6所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，挤压变形处理过程中，挤压比为16：1。8.根据权利要求1所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，时效热处理过程中，温度为380℃～500℃，时间为10min～45min。9.根据权利要求8所述的一种具有超高延伸率的镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，时效热处理过程中，温度为400℃，时间为10min。10.一种通过权利要求1-9任一所述的方法制备得到的具有超高延伸率的镁合金。

技术总结
本发明涉及合金技术领域，尤其是涉及一种具有超高延伸率的镁合金及其制备方法。本发明首先将铸态镁合金进行均匀化处理，进一步将铸态镁合金进行预热退火热处理，然后将铸态镁合金进行挤压变形处理，完成镁合金的形变；最后将形变后的镁合金进行时效热处理，得到具有超高延伸率的镁合金。本发明通过简单、短时的热处理和热挤压复合工艺达到保证牺牲少量抗拉强度的前提下，显著提高镁合金的延伸率，进而提高镁合金的可加工性能，改善现有的镁合金合金塑性不理想的现状。金塑性不理想的现状。金塑性不理想的现状。


技术研发人员：于铭迪 王静雅 谷立东 曾小勤
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/21