專利名稱：高含鋅量的鎂－鋅－錳系鎂合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料，特別涉及一種鋅含量遠(yuǎn)超過(guò)牌號(hào)為ZM21鎂合金并且力學(xué)及成型性能良好的鎂合金材料。
背景技術(shù)：
能源、資源和環(huán)境是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的三大主要問題。如何有效、合理利用和節(jié)約地球上有限的能源、資源，以及保護(hù)人類賴以生存的、現(xiàn)在卻日益惡化的環(huán)境是我們必須著手解決的迫切問題。
鎂合金作為目前工業(yè)應(yīng)用中密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的鑄造、減震、切削加工、尺寸穩(wěn)定性以及優(yōu)良的電磁屏蔽等性能。由于生產(chǎn)質(zhì)量、性能的提高和生產(chǎn)成本、價(jià)格的下降，鎂合金的應(yīng)用和研究重心已從軍工、航空工業(yè)等領(lǐng)域擴(kuò)展到民用(如汽車和電子等)工業(yè)領(lǐng)域。近年來(lái)鎂合金在汽車和電子工業(yè)中的應(yīng)用增長(zhǎng)速度高達(dá)15％～20％/年。目前，機(jī)械零件的輕量化，已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一，鎂合金的應(yīng)用和開發(fā)日益受到世界上各國(guó)政府和企業(yè)的高度重視，已逐漸發(fā)展為繼鋼鐵和鋁合金之后的第三大金屬材料。
然而，隨著鎂合金產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)有鎂合金材料強(qiáng)度低的問題也愈顯突出，成為制約鎂合金新產(chǎn)品開發(fā)與推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。鎂合金可分為含鋯的鎂合金和不含鋯的鎂合金兩大類。由于鋯對(duì)鎂的鑄造組織有顯著的細(xì)化作用，是鎂合金中有效的晶粒細(xì)化劑之一，因此目前大部分高強(qiáng)鎂合金材料都含鋯。含鋯的鎂合金具有較高的室溫和高溫性能，主要用于航空航天、軍事等特殊領(lǐng)域，但是其成本高，阻礙了含鋯的鎂合金的應(yīng)用，目前這類鎂合金用量還不及鎂合金總量的1％。不含鋯的鎂合金是目前鎂合金中最廣泛的金屬材料，雖然有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但其強(qiáng)度低、擠壓性能不好，其機(jī)械性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足將鎂合金擴(kuò)大到更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域的要求，因此發(fā)展新型價(jià)廉的不含鋯的高強(qiáng)度鎂合金具有非常重要的意義。
目前，普通不含鋯的鎂-鋅-錳系鎂合金中鋅的含量通常≤2％，因?yàn)殒V-鋅-錳系鎂合金的鑄錠在鑄造后的空冷過(guò)程中，隨溫度的降低，鋅在鎂合金中的溶解度下降(100℃時(shí)降為2％以下)。當(dāng)鋅含量超過(guò)2％時(shí)，過(guò)量的鋅不能固溶于鎂基體中，存在大量鎂-鋅或鎂-鋅-錳第二相，對(duì)材料的成型能力和韌性有不利的影響，因此普通不含鋯的鋅-錳系鎂合金中鋅的含量不超過(guò)2％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種高含鋅量的鎂-鋅-錳系鎂合金材料。所述鎂合金材料，其強(qiáng)度既可到達(dá)含鋯鎂合金系的強(qiáng)度，又兼有AZ系鎂合金良好的成型性能，且價(jià)格較低。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是該鎂合金材料由Mg、Zn、Mn組成，其各組分質(zhì)量百分含量為Zn5.0～6.5％；Mn0.8～1.5％；不可避免雜質(zhì)≤0.15％；剩余部分為鎂。
本發(fā)明較好的技術(shù)方案是鎂合金材料的各組分質(zhì)量百分含量為Zn5.8％；Mn1.25％；不可避免雜質(zhì)≤0.15％；剩余部分為鎂。
本發(fā)明不可避免的雜質(zhì)為AI、Cu、Ni、Si、Fe、Be，其總量≤0.15％。
按照通常鎂合金的冶煉方法取得上述鎂合金材料，進(jìn)行均勻化處理，在擠壓機(jī)上擠壓成棒材，同時(shí)快速冷卻，可以加工出各種鎂合金產(chǎn)品。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，牌號(hào)為ZK60是指其中鋯的含量約為0.45％的Mg-Zn-Zr系鎂合金。由于其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度高，延伸性好，因此主要用于航空航天、軍工等對(duì)金屬材料的力學(xué)性能要求高的領(lǐng)域，目前，其鑄錠的銷售價(jià)達(dá)5～7萬(wàn)元/噸。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，牌號(hào)為AZ31是指其中鋅的含量約為0.7～1.3％，鋁含量為2.5～3.5％的Mg-Al-Zn系鎂合金。雖然延伸性好，具有良好的成型性，但抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相對(duì)牌號(hào)為ZK60的鎂合金較低，因此主要用于交通工具和3C產(chǎn)品等對(duì)金屬材料力學(xué)性能要求較低的領(lǐng)域，其鑄錠的銷售價(jià)目前為2～3萬(wàn)元/噸。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，牌號(hào)為ZM21是指其中鋅的含量約為1.9％，錳的含量為0.85％的Mg-Zn-Mn系鎂合金，由于合金化程度比較低，目前極少用于工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明材料雖為Mg-Zn-Mn系鎂合金，但其中鋅含量為5.0～6.5％，大大高于通常Mg-Zn-Mn系鎂合金中鋅含量，試驗(yàn)證明本發(fā)明材料具有強(qiáng)度高，延伸性好，并且有良好的低溫?cái)D壓和成型性能，有利于節(jié)約能源。
本發(fā)明材料與Mg-Zn-Zr系鎂合金相比較，力學(xué)性能相近，但價(jià)格大大降低；與Mg-Al-Zn系鎂合金相比較，力學(xué)性能大大提高，價(jià)格與其相近；與Mg-Zn-Mn系鎂合金相比較，合金化程度提高，可以用于工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本鎂合金材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于AZ31，達(dá)到或接近ZK60水平，并且價(jià)格只相當(dāng)于ZK60鎂合金的三分之一左右，只相當(dāng)于普通Mg-Al-Zn系鎂合金的價(jià)格，即用普通Mg-Al-Zn系鎂合金的價(jià)格，可以得到力學(xué)性能相當(dāng)于ZK60的鎂合金材料。因此本材料的性價(jià)比高。
2.根據(jù)Hume-Rothery規(guī)則，溶質(zhì)與基體原子尺寸差大于15％，就不會(huì)形成濃度較大的固溶體。另一方面，相同電子價(jià)，相同晶體結(jié)構(gòu)的元素相互之間的固溶度大。由于鎂的原子半徑為1.6，常見電子價(jià)+2；鋅的原子半徑為1.53，常見電子價(jià)同為+2，因此鋅是符合在鎂基體中形成較大固溶度的元素之一。通過(guò)本發(fā)明鎂合金材料在擠壓加工前進(jìn)行均勻化處理，可使鑄錠中過(guò)量的鋅元素全部溶入鎂基體。在330℃、310℃時(shí)進(jìn)行熱擠壓，并采用擠壓后的快速冷卻技術(shù)，使合金的再結(jié)晶過(guò)程剛好完成，而晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，從而保持合金晶粒的細(xì)小，提高了合金的強(qiáng)韌性。此外，大量的鋅過(guò)飽和地固溶在基體中，為后續(xù)的時(shí)效強(qiáng)化提供了有利條件。
3.本發(fā)明材料，在后期處理的均勻化過(guò)程中可以使鋅元素固溶到鎂基體晶格中，最高固溶度達(dá)6.5％。在擠壓成型后快速冷卻，鋅原子與鎂基體形成固溶體，由于鋅與鎂的原子半徑和彈性模量不同使鎂基體晶格發(fā)生畸變，從而起到固溶強(qiáng)化作用。
4.與ZM21鎂合金相比，本合金材料提高了鋅含量，增強(qiáng)了第二相強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用，使本發(fā)明材料的力學(xué)性能有了明顯的提升。參見表1。
表1 AZ31、ZK60、ZM21合金成分(質(zhì)量百分含量)

5.由于金屬擠壓時(shí)需要根據(jù)金屬的材料和工藝調(diào)整其擠壓溫度，本鎂合金具有良好的低溫?cái)D壓性，擠壓溫度設(shè)定為310℃的試樣，其力學(xué)性能優(yōu)于330℃時(shí)的試樣。參見表2。
表2 本發(fā)明鎂合金材料的主要擠壓參數(shù)

本發(fā)明材料力學(xué)性能與ZK60接近，而成型性能較高，可部分替代ZK60用于對(duì)金屬材料的力學(xué)性能要求高的工業(yè)生產(chǎn)，如航空航天、軍工等。通過(guò)對(duì)金屬擠壓成型可以加工出尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。
本發(fā)明所述力學(xué)性能是指金屬材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。


圖1、圖2為編號(hào)B的鎂合金鑄態(tài)、均勻化放大不同倍數(shù)的微觀組織照片；圖3、圖4為編號(hào)B的鎂合金坯料溫度在330℃和310℃下擠壓態(tài)放大不同倍數(shù)的微觀組織照片。
下面參照附圖并結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解的是，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，在本發(fā)明的構(gòu)思前提下對(duì)本發(fā)明制備方法的簡(jiǎn)單改進(jìn)，都屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
具體實(shí)施例方式
用下列配方，按鎂合金的通常冶煉方法，即可得到本發(fā)明所述的含鋅高的Mg-Zn-Mn系鎂合金材料(以下為質(zhì)量百分含量)表3 本鎂合金材料化學(xué)組成

取上述編號(hào)為B的含鋅、錳的鎂合金材料按下列步驟分別進(jìn)行機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)1.熔煉在半連續(xù)鑄造設(shè)備上進(jìn)行。用熔劑覆蓋后開始加熱，溫度在700℃時(shí)母料全部熔化，然后按B的材料配比加入合金元素Zn、Mn。加料后進(jìn)行攪拌并繼續(xù)加熱至750℃，靜置保溫20分鐘，之后降溫至690～720℃澆鑄，即得B的鎂合金材料鑄錠。
2.機(jī)加工根據(jù)擠壓機(jī)擠壓筒的尺寸進(jìn)行鋸切、車皮等機(jī)加工至合適尺寸；3.均勻化處理330℃預(yù)熱24小時(shí)；4.擠壓加工在擠壓機(jī)上擠壓成棒材，快速冷卻。幾種常見的典型鎂合金擠壓參數(shù)見表4。
表4 AZ31、ZK60、ZM21、本發(fā)明編號(hào)為B的材料主要擠壓參數(shù)

5.力學(xué)性能測(cè)試根據(jù)國(guó)標(biāo)GB228-2002的標(biāo)準(zhǔn)，將本發(fā)明上述編號(hào)B的鎂合金材料經(jīng)過(guò)擠壓和熱處理的加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出性能數(shù)據(jù)見表5。
表5 B合金擠壓棒材力學(xué)性能

ZK60、AZ31、ZM21力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表6。
表6 AZ31、ZK60、ZM21合金擠壓棒材力學(xué)性能

對(duì)比表4，本鎂合金在擠壓加工前，只需將坯料加熱至降低溫度即可，由表5可以看出，坯料溫度較低的試樣其力學(xué)性能好。對(duì)比表5、6，本鎂合金的延伸率等基本同于其它三種合金；抗拉和屈服強(qiáng)度與AZ31和ZM21合金相比提高25％；與ZK60鎂合金相比抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)，屈服強(qiáng)度略有下降。
參見圖1、圖2，在鑄造過(guò)程中，由于非平衡結(jié)晶所帶來(lái)的各種偏析和存在于晶界及枝晶網(wǎng)絡(luò)上的金屬間化合物，使得鑄坯的化學(xué)成分和組織很不均勻，造成熱塑性的降低和加工性能的削弱。為改善鑄錠化學(xué)成分和組織的不均勻性，提高其成型性，需要在鑄造后對(duì)鑄坯進(jìn)行均勻化退火處理。經(jīng)過(guò)均勻化處理的鑄錠，粗大的枝晶消失，晶粒平均直徑由400～500μm，下降到15～30μm，晶粒得到細(xì)化，鑄錠的化學(xué)成分和組織更加均勻，晶界內(nèi)部出現(xiàn)明顯的第二相組織。
參見圖3、圖4，可以看到擠壓產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果。鎂合金的形變?cè)俳Y(jié)晶溫度很低，在擠壓溫度范圍內(nèi)(230～400℃)，鎂合金發(fā)生完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。對(duì)比圖2，通過(guò)這種動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，合金的擠壓試樣微觀組織得到細(xì)化，晶粒平均直徑有所下降。且較低坯料溫度的試樣，晶粒更加細(xì)小、均勻，晶粒的平均直徑在6～10μm左右。
因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，按照表3取編號(hào)為A、C的含鋅、錳的鎂合金材料按上述步驟分別進(jìn)行機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)，其性能與編號(hào)為B材料的性能相近。
結(jié)論加入高含量鋅的鎂-鋅-錳系鎂合金，具有良好的低溫?cái)D壓性，強(qiáng)度高于AZ31、ZM21合金，與ZK60合金力學(xué)性能相近，且不含貴重合金元素，造價(jià)低廉，可以部分替代ZK60鎂合金材料。
權(quán)利要求
1.一種高含鋅量的鎂-鋅-錳系鎂合金材料，其特征在于該鎂合金材料由Mg、Zn、Mn組成，其各組分質(zhì)量百分含量為Zn5.0～6.5‰；Mn0.8～1.5％；不可避免雜質(zhì)≤0.15％；剩余部分為鎂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含鋅量的鎂-鋅-錳系鎂合金材料，其特征在于鎂合金材料的各組分質(zhì)量百分含量為Zn5.8‰；Mn1.25‰；不可避免雜質(zhì)≤0.15‰；剩余部分為鎂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高含鋅量的鎂－鋅－錳系鎂合金材料，其特征在于該鎂合金材料由Mg、Zn、Mn組成，其各組分質(zhì)量百分含量為Zn5.0～6.5‰；Mn0.8～1.5％；不可避免雜質(zhì)≤0.15％；剩余部分為鎂。本發(fā)明所述的鎂合金材料，其強(qiáng)度既可到達(dá)含鋯鎂合金系的強(qiáng)度，又兼有AZ系鎂合金良好的成型性能，且價(jià)格較低。
文檔編號(hào)C22C23/04GK101020981SQ200710078329
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者張丁非, 丁培道, 袁煒, 彭建, 石國(guó)梁 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)