CN104831137B

CN104831137B - 一种时效强化型镁合金及其热处理工艺

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Publication number: CN104831137B
Application number: CN201510273813.2A
Authority: CN
Inventors: 张静; 魏新; 黄浩; 邱斌
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104831137A

Abstract

本发明提供一种时效强化型镁合金及其热处理工艺，该合金各组份的重量百分比为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%，其余为镁和不可避免的杂质。所述合金铸锭经330~360℃×4~8h+400~420℃×16~20h双级均匀化处理，于360‑400℃热加工成型，对成型产品做400~430℃保温2~4h的固溶处理，水冷，随即进行80~100℃×3~5h+175~190℃×15~18h双级时效，可获得远远优于商用高强度ZK60镁合金的时效强化效应，明显提高合金强度。该合金不含贵重金属、成本低；打破了传统商用镁合金通过MgZn₂相实现时效强化的局限；通过适当热处理工艺的配合，可以促进合金中的析出相以细小弥散的形式析出、最大限度地发挥合金的时效强化潜力。

Description

一种时效强化型镁合金及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料和处理工艺，尤其涉及一种时效强化型镁合金及其热处理工艺。属于金属材料技术领域。

背景技术

镁是迄今为止最轻的商用金属结构材料，在3C、航空航天、交通运输等领域显示了巨大的应用潜力。但是，镁合金的发展应用远不及轻质金属铝，其主要原因之一是镁的绝对强度不足。时效强化是一种有效的强化金属材料的手段，可以大幅度提高金属材料的强度。目前的商用高强度镁合金包括Mg-Zn-Zr系（典型合金ZK60）和Mg-RE系（典型合金WE43），其强化镁的手段即是时效强化。

但是，Mg-Zn系合金中，时效强化相MgZn₂沿着镁基体基面析出，不能有效阻碍基面位错滑移，因此时效强化作用有限，限制了合金强度的提升效果；而且，合金中添加了作为晶粒细化剂的贵金属元素Zr，虽然其含量不高（≥0.45wt%），但是在一定程度上增加了合金成本。而以稀土为主要添加元素的Mg-RE合金系，虽然稀土强化相有较好的强化效果；但是，由于稀土价格昂贵，该类合金仅用于航空航天等领域，限制了合金的使用范围。如何开发出具有显著时效强化效应的低成本镁合金、大幅度提高镁合金的强度，是镁发展应用中的一个瓶颈问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种时效强化型镁合金及其处理工艺。

本发明的目的是这样实现的：一种时效强化型镁合金，其特征在于，所述镁合金由镁、锌、铜、锰组成，其重量百分组成为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%，其余为镁和不可避免的杂质。

进一步，按上述配方配料，以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料，采用半连续铸造法熔炼铸造；具体包括如下步骤：

首先，加热至720℃熔化工业纯镁，保温5~10min，扒渣，然后升温至750~780℃，加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌，当全部熔化后，静置10~20min；

然后，打渣加入六氯乙烷精炼剂，精炼3-5分钟；打渣后静置保温10~20min；

最后，降温至710~740℃浇注成铸锭。

本发明还提供一种时效强化型镁合金的热处理工艺，包括以下步骤：

1）将上述浇注获得的铸锭锯切车皮，于（330~360）℃×（4~8）h+（400~420）℃×（16~20）h的条件下进行双级均匀化处理；

2）在360-400℃热加工成型；

3）对热加工成型的型材进行固溶时效热处理，其中固溶处理在400~430℃保温2-4h；

4）水冷后，随即采用双级时效工艺，工艺参数为（80~100）℃×（3~5）h+（175~190）℃×（15~18）h。

其中，所述热加工包括热挤压、热轧、热锻等方式。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1．本发明时效强化型镁合金中的合金元素均为常用金属元素，其中铜、锰元素的含量均小于1.5%。与Mg-Zn-Zr系合金相比，不含晶粒细化剂Zr元素；与Mg-RE系合金相比，不含稀土元素，因此合金成本大大降低。

2．本发明时效强化型镁合金中的时效强化相为Mg₃Zn₄Mn三元相，打破了传统商用镁合金通过MgZn₂相实现时效强化的局限。该析出相具有明显的时效强化效应，强化效果好。

3．本发明时效强化型镁合金中含有一定量的Cu，Cu主要以Mg(Cu, Zn)₂化合物的形式存在，在热加工和热处理过程中，可以有效抑制再结晶晶粒长大，使合金保持稳定细晶状态，从而能够进一步提高合金强度，同时改善塑性。

4．本发明时效强化型镁合金的热处理工艺，采用双级均匀化处理使合金元素Zn、Mn尽可能固溶于基体中，一方面提高其在基体中的固溶度，另一方面减小铸锭中粗大初生化合物相对塑性变形的不利影响；热加工过程中，未溶化合物被破粹、尺寸细化，在随后的固溶热处理中进一步溶入基体、提高合金元素的固溶度；时效热处理首先采用较低温的短时时效，以增大析出相析出的驱动力、提高形核率，随后适度提高温度进行充分时效析出，从而促进析出相以细小弥散的形式析出、最大限度地发挥合金的时效强化潜力。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种时效强化型镁合金，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌8.0%、铜1.5%、锰1.0%，其余为镁和不可避免的杂质。

本发明的时效强化型镁合金采用以下制备工艺来制取：以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料，采用半连续铸造法熔炼铸造。

在电阻坩埚炉中加热至720℃熔化工业纯镁，保温5min，扒渣，然后升温至760℃，加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌，当全部熔化后，静置15min，打渣后加入六氯乙烷精炼剂，精炼3-5分钟，打渣后静置保温15min，之后降温至720℃左右浇注成型。

本发明提供的热处理工艺方法，包括以下步骤：

1）将浇注获得的铸锭锯切车皮，之后采用340℃×6h+420℃×16h进行双级均匀化处理；

2）在385℃热挤压，挤压比25，得到Ф16的合金棒材；

3）对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理，其中固溶处理在420℃保温2h；

4）水冷，随即双级时效，工艺参数为90℃×4h+180℃×16h。

对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能，得到其屈服强度分别为217和372MPa，时效后强度增量为155 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金，其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa，时效后强度增量仅为54MPa。可见，本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应，大大提高了合金强度。

实施例2：一种时效强化型镁合金，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌7.3%、铜1.0%、锰0.8%，其余为镁和不可避免的杂质。采用与实施例1相同的制备工艺制备。

1）将浇注获得的铸锭锯切车皮，之后采用330℃×8h+400℃×20h进行双级均匀化处理；

2）在360℃热挤压，挤压比25，得到Ф16的合金棒材；

3）对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理，其中固溶处理在400℃保温4h，

4）水冷，随即双级时效，工艺参数为80℃×5h+175℃×18h。

对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能，得到其屈服强度分别为225和387MPa，时效后强度增量为165 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金，其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa，时效后强度增量仅为54MPa。可见，本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应，大大提高了合金强度。

实施例3：一种时效强化型镁合金，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌6.8%、铜0.9%、锰1.2%，其余为镁和不可避免的杂质。采用与实施例1相同的制备工艺制备。

1）将浇注获得的铸锭锯切车皮，之后采用360℃×4h+410℃×18h进行双级均匀化处理；

2）在400℃热挤压，挤压比25，得到Ф16的合金棒材；

3）对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理，其中固溶处理在430℃保温3h；

4）水冷，随即双级时效，工艺参数为100℃×3h+185℃×15h。

对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能，得到其屈服强度分别为211和380MPa，时效后强度增量为169 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金，其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa，时效后强度增量仅为54MPa。可见，本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应，大大提高了合金强度。

综上，本发明实施例1至3在室温条件下Ф16棒材的力学拉伸性能如表1所示。为了便于比较，表1中列出了ZK60镁合金的力学性能数据。

表1 合金的拉伸力学性能

由表1可以看出，本发明（实施例1至3）的合金，尤其是经过本发明提供的固溶时效热处理后，具有明显的时效强化效应，大大提高了合金强度。性能较目前常用的商用高强度变形镁合金ZK60具有更好的性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种时效强化型镁合金的热处理工艺，其特征在于，按配方配料，以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料，采用半连续铸造法熔炼铸造；所述配方为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%，其余为镁和不可避免的杂质；具体包括如下步骤：

1）加热至720℃熔化工业纯镁，保温5~10min，扒渣，然后升温至750~780℃，加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌，当全部熔化后，静置10~20min；

2）打渣加入六氯乙烷精炼剂，精炼3-5分钟；打渣后静置保温10~20min；

3）降温至710~740℃浇注成铸锭；

4）将步骤3）浇注获得的铸锭锯切车皮，于（330~360）℃×（4~8）h+（400~420）℃×（16~20）h的条件下进行双级均匀化处理；

5）在360-400℃热加工成型；

6）对热加工成型的型材进行固溶时效热处理，其中固溶处理在400~430℃保温2-4h；

7）水冷后，随即采用双级时效工艺，工艺参数为（80~100）℃×（3~5）h+（175~190）℃×（15~18）h。