一种高强高弹性模量变形镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强高弹性模量变形镁合金及其制备方法，由以下质量百分数的元素组成：Zn：6.5～15.0％；Zr：0.3～0.5％；Sr：0.1～0.5％；Sc：0.01～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。将原料经过熔炼、雾化、热压烧结、挤压成形和时效处理获得所述镁合金。弹性模量达到56‑67GPa。

A High Strength and High Elastic Modulus Deformed Magnesium Alloy and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高强高弹性模量变形镁合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料制备
，具体涉及一种高强高弹性模量变形镁合金及其制备方法。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。作为目前实际应用中最轻的金属结构材料，镁合金具有质轻、减震、电磁屏蔽性能好、良好的切削加工性等的优点，在航空航天、电子产品、汽车等行业具有重要应用价值和广泛应用前景，被人们誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。根据成型方式不同，镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。相对于铸造镁合金，变形镁合金经过塑性变形，通过材料结构的控制、热处理工艺的应用，得益于组织细化和加工硬化作用，可获得更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，从而满足多样化工程结构件的应用需求，因此变形镁合金相比于铸造镁合金具有更大的发展潜力。然而，变形镁合金的发展和应用仍然存在以下问题：(1)镁合金为典型密排六方结构，变形能力较差；(2)相对于变形铝合金或钢铁材料，变形镁合金的弹性模量和强韧性仍需要进一步提高；(3)部分高强度变形镁合金含有大量稀土元素(如Mg-Gd-Y系列)，成本高，难以适应大面积工业应用。因此有必要开发低成本高强度的变形镁合金及其制备工艺，从而拓展镁合金的应用领域。目前应用最多的商业变形镁合金系主要有AZ、ZK、AM以及Mg-RE系，其中AZ与AM系列变形镁合金以Al为主合金元素，合金强度相对较低；Mg-RE系列变形镁合金以Mg-Gd-Y-Zr合金为代表，以稀土为主合金元素，强度高，但是合金成本高。ZK系列镁合金是变形镁合金的中主要商业系列之一，具有较高的力学性能。合金中主合金元素Zn在镁合金中具有显著的时效强化效果，但是Zn含量一般低于6％。由于Zn元素超过6.2％后，镁合金进入亚共晶区域，在组织中形成大量的共晶Mg-Zn相，呈连续或半连续分布于枝晶间或晶界处，会增加合金热裂性和降低合金的塑性变形能力，同时降低合金变形后的力学性能。弹性模量(刚度)是结构材料应用的一个重要性能指标，目前上述应用的商业变形镁合金弹性模量在40-50GPa之间，相对于钢铁材料(100-200GPa)和铝合金(70-100GPa)具有很大劣势。现有专利中，申请公布号为CN201410334746.6的中国专利公开了一种高强度、高韧性稀土镁合金，该合金含有7-12％Zn元素和多种稀土元素，主要发挥了稀土元素的强化作用，但未充分发挥Zn元素的强化作用，总体力学性能较低，抗拉强度低于300MPa。申请公布号为CN201410559437.9的中国专利公开了一种准晶增强多元镁合金及其制备方法，合金中含有6.0-16％Zn、1.4-3.6％Y、0.1-0.5％Ho、0.1-0.5％Er、0.05-1.2％Mn、0.02-1.6％Ti、0.05-1.8％Zr，采用铸造加挤压的制备方式，合金主要通过Mg-Zn-RE准晶相实现合金强化，成分中稀土含量高导致成本较高。申请公布号为CN200710011501.X的中国专利公开了一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及制备方法，采用铸造加挤压的制备方式，合金主要通过Mg-Zn-Y准晶相实现合金强化，成分中稀土含量高导致成本较高。申请公布号为CN201110186910.X的中国专利公开了一种具有高强度和高屈强比的镁合金及其制备方法，合金含有5.0～9.0％Zn，0.5～1.5％Mn，1～10％Sn本专利技术材料通过塑性成形及成形后选择合理的热处理工艺条件可获得高强度和高屈强比，具有良好的低温挤压性和成型性能，Sn元素在合金中发挥了强韧化作用。申请公布号为CN201410245828.3的中国专利公开了一种超塑性镁合金及其制备方法，合金中含有10～30wt.％Zn和10～15wt.％Er，通过熔炼工艺和挤压工艺进行制备获得，合金具有良好的塑性，但是该合金含有大量贵重稀土元素Er，成本高。申请公布号为CN201310718357.9的中国专利公开了一种高锌变形镁合金及其制备加工方法。所专利技术镁合金含有8～12％Zn，0.5～1.5％Ca，0.5～1.0％MM，通过合金熔炼(机械搅拌+超声处理)，半固态挤压，均匀化处理，再变形和时效变形热处理制备获得，合金具有良好的室温力学性能和耐热性。该专利技术合金含有稀土元素，且制备过程需要经过多次熔体处理、变形处理和热处理，制备工艺相对较为繁琐，造成成本较高。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的一个目的是提供一种高强高弹性模量变形镁合金及其制备方法。解决现有技术中镁合金力学性能尤其是弹性模量和强度较低等问题，所述镁合金材料为高强度、高弹性模量的变形镁合金材料，通过熔体雾化、热压烧结、挤压成形以及后续的时效强化处理获得高强度和高弹性模量。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种高强高弹性模量变形镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Zn：6.5～15.0％；Zr：0.3～0.5％；Sr：0.1～0.5％；Sc：0.01～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。在一些实施例中，由以下质量百分数的元素组成：Zn：9～11.0％；Zr：0.4～0.5％；Sr：0.3～0.5％；Sc：0.05～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。本专利技术的设计思路为：采用Zn作为第一组分，其质量百分含量为6.5～15.0％。在目前商业合金中，Zn元素在镁合金中具有显著的时效强化效果，由于在Mg-Zn二元平衡相图中，Zn元素在镁中最大固溶度为6.26％，超过6.26％后，Mg-Zn合金进入亚共晶区域，在组织中形成大量的共晶Mg-Zn相，呈连续或半连续分布于枝晶间或晶界处，会增加合金热裂性和降低合金的塑性变形能力，因此Zn含量一般低于6％。本专利技术为获得高的合金强度和弹性模量，设计Zn含量在6.5～15.0％，结合后续的具有快速凝固特征的熔体雾化工艺，可以提高Zn元素在镁基体中的固溶含量，从而更大程度的利用Zn元素在镁合金中的强化作用；同时获得超细合金组织，提高了合金的塑性变形能力；另外高Zn含量导致的基体中的高固溶含量Zn原子和在组织中的大量共晶相，可以使得本合金具有优异的弹性模量。(2)Zr元素作为Mg-Zn合金的晶粒细化元素，含量为0.3～0.5％，可以显著细化合金晶粒。(3)Sr元素作为微量元素，含量为0.1～0.5％，由于本专利技术合金为亚共晶合金，在枝晶间和晶界处易于形成半连续或连续分布的共晶相，作为表面活性元素，Sr元素能变质合金中的共晶相，将其变为断续状分布，从而提高合金塑性变形能力；同时微量Sr元素对具有一定的晶粒细化作用。(4)Sc元素作为微量元素，含量为0.01～0.1％，微量Sc元素对Mg-Zn合金中具有时效强化效果的GP区和Mg-Zn纳米相的析出过程具有显著的促进和加强作用，可以有效的提高时效强化效果。一种高强高弹性模量变形镁合金的制备方法：具体步骤为：利用纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Sr中间合金和Mg-Sc中间合金为原材料，通过熔炼、雾化、热压烧结、挤压成形和时效处理获得所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高弹性模量变形镁合金，其特征在于：由以下质量百分数的元素组成：Zn：6.5～15.0％；Zr：0.3～0.5％；Sr：0.1～0.5％；Sc：0.01～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。

【技术特征摘要】
1.一种高强高弹性模量变形镁合金，其特征在于：由以下质量百分数的元素组成：Zn：6.5～15.0％；Zr：0.3～0.5％；Sr：0.1～0.5％；Sc：0.01～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：由以下质量百分数的元素组成：Zn：9～11.0％；Zr：0.4～0.5％；Sr：0.3～0.5％；Sc：0.05～0.1％；其余为镁，镁合金为亚共晶合金，合金中的共晶相为断续状分布。3.一种高强高弹性模量变形镁合金的制备方法，其特征在于：具体步骤为：利用纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Sr中间合金和Mg-Sc中间合金为原材料，通过熔炼、雾化、热压烧结、挤压成形和时效处理获得所述镁合金。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：将混合料分别进行预热，依次向电阻炉中加入纯镁、纯锌并加热，然后再加入Mg-Zr中间合金、Mg-Sr中间合金和Mg-Sc中间合金，降温、保温、降温、浇铸成锭；将母锭超声雾化得到雾化粉体；雾化后的粉体压制成块体，块体进行热压烧结；将热压烧结后的块体依次进行预热、挤压成型；挤压材进行时效处理，冷却；优选的，混合料预热的温度为150-250℃；优选的，预热的时间为30～60min；优选的，熔炼的过程中，电阻炉中加热的温度为720～750℃；优选的，熔炼的过程中，第一次降温后的温度为700-730℃；优选的，熔炼的过程中，保温的时间为20～30min...

【专利技术属性】
技术研发人员：周吉学，李培亮，马百常，张素卿，赵国辰，王瑨，程开明，吴建华，唐守秋，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37