一种具有超塑性性能的镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属材料技术领域，具体涉及一种具有超塑性性能的镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：Bi：8.0

【技术实现步骤摘要】
一种具有超塑性性能的镁合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，具体涉及一种具有超塑性性能的镁合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]镁合金具有很多优点，比如轻质、电磁屏蔽性能、易回收的特点，被誉为“二十一世纪绿色金属工程材料”，逐渐被材料学家和工程技术人员所接受，用于替代钢材、铝合金等，是最具前景的金属结构材料。然而，镁是密排六方结构（hcp）金属，造成镁合金的室温塑性变形能力受限，只有当变形温度超过225℃时，柱面滑移和锥面滑移才能开动，改善镁合金的塑性。这严重影响了该合金在某些重要领域的应用，限制了该合金作为新型绿色金属材料的应用前景。然而，高温塑性变形不仅增加生产成本，而且有可能会降低材料的性能。因此，开发室温或较低温度下具有优异塑性变形能力的镁合金有利于实现镁合金在低温下、甚至室温下的塑性加工，提高产品性能和品质，同时降低生产的能耗成本，有利于镁及其合金作为新型绿色工程结构材料在汽车、轨道交通、航空等领域的广泛应用，具有重要的意义。
[0003]近年来，已有大量研究工作通过各种手段对室温塑性性能优异的镁合金进行研究。然而目前室温塑性性能较好的镁合金通常都使用了较高含量的稀土元素，合金的生产成本很高，并且通常力学性能并不理想，尤其是镁合金的超塑性性能鲜有提及。例如中国专利CN101381831A公开了一种高塑性镁合金，由于使用了价格昂贵的金属Li，同时还有较高的稀土元素。尽管合金的室温延伸率高达42
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49%，但是由于Mg
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Li合金的加工硬化强化效果非常有限，合金强度极低，因此其工程应用价值有限。另外由于合金中使用了大量的Y稀土元素和金属Li，造成合金的成本极高，因此该合金的实际应用价值受限。
[0004]由此可见，如何使用价格相对低廉的合金元素，控制合金设计和成本、运用简单的常规生产加工过程制备出具有优异室温塑性和具有超塑性特征的镁合金材料，在拓展镁合金的应用领域上意义重大。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的存在的技术题，本专利技术的目的在于提供一种具有超塑性性能的镁合金，通过在镁合金中添加价格相对低廉的金属Bi元素，成本较低；同时还加入了微量稀土元素即Gd和Zr元素，解决了现有技术中高强韧镁合金一般都含有大量稀土的问题，降低了连铸过程中材料开裂的风险，并可以起到强化作用，具有优异的室温塑性性能和超塑性性能；同时在浇铸和热处理过程中表现出优异的阻燃性能。本专利技术还提供了其制备方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一方面，本专利技术提供了一种具有超塑性性能的镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：Bi：8.0
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8.8%，Gd：1.0
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2.0%，Zr：0.4
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0.6%；杂质元素包括Fe<0.005%，Cu<0.015%，
Ni<0.002%；其余为Mg。
[0007]更优选的，合金中各组分及其质量百分比为：Bi：8.2
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8.6%，Gd：1.2
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1.8%，Zr：0.4
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0.6%；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02%；其余为Mg。
[0008]本专利技术提供的一种具有超塑性性能的镁合金，兼具超塑性特征、高强度和高塑性性能。本专利技术合金中含微量稀土元素Gd，解决了现有技术中高强韧镁合金一般都含有大量稀土的问题，降低了连铸过程中材料开裂的风险；合金中利用价格相对低廉的金属Bi元素，解决了特殊合金成分设计才能获得超塑性特征问题，避免了使用价格昂贵的金属锂制备具有HCP+BCC双相结构的Mg
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Li合金才能具有超塑性性能。同时由于采用了相对廉价的金属Bi和低稀土含量，解决了合金材料成本较高的问题。
[0009]Bi元素是一种在镁合金中具有沉淀析出强化效果的元素。根据Mg
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Bi二元相图可知，Bi元素在镁中的最大溶解度为8.85％，且溶解度会随着温度的下降而大幅下降，在200℃时溶解度减小到1％以下。Bi元素加入镁合金后，可以形成热稳定性较好的熔点为821℃的Mg3Bi2颗粒相，该相可以作为α
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Mg形核核心，达到细化镁合金基体相的目的，使合金强度提高的同时保持良好的塑性。同时适量Bi的添加可以提升镁合金的室温及高温力学性能，并提高镁合金的耐热性。随着Bi含量的增加，Mg3Bi2弥散分布于基体中，但当Bi元素含量大于3.2％，Mg3Bi2相开始粗化，即使通过塑性变形，比如锻造、热挤压后，合金基体中仍然可能存在较粗大Mg3Bi2相，不利于力学性能的发挥。最后，由于铸态合金中通常存在粗大共晶相和枝晶组织，若直接进行挤压容易产生过热过烧，组织不均匀，对塑性不利。为改善铸锭的组织均匀性和消除成分偏析，提高塑性成形能力，在进行塑性变形之前，必须考虑先对合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理后进行的锻造、热挤压可以改变镁合金晶粒平均晶粒尺寸、第二相尺寸和分布特性、织构组织等微观组织结构，改善合金力学性能。另外，当本专利技术镁合金中Bi含量远大于2％，铸态合金中Mg3Bi2相数量较多，固溶后可能仍存在Mg3Bi2相，但在锻造、热挤压过程中，合金中较粗大的Mg3Bi2相将发生碎化，与晶体内弥散分布的Mg3Bi2相共同作用，抑制再结晶晶粒的长大，增加再结晶的形核位置，使得合金晶粒细小均匀，进一步提高合金性能，尤其是塑性变形能力的性能。
[0010]然而，单独添加Bi元素，对镁合金力学性能和变形能力的提高效果有限，当Bi含量过高时，反而会使合金综合性能下降。基于此，本申请还加入Gd和Zr元素，以弥补性能的不足。Gd元素的加入可以形成Mg5Gd相，起到异质形核核心的作用，并可以起到第二相的强化的双重作用。同时以中间合金形式加入适量的Zr元素时，确保Zr元素完全进入熔体而无偏析，对铸造金属的晶粒起细化作用。Zr元素的加入，主要目的是细化基体组织和较粗大的Mg3Bi2相，发挥细晶强化效果。
[0011]另外，本专利技术中镁合金组成元素的加入顺序与加入时间也是本专利技术的一个关键，采用这样的顺序，可以充分发挥合金元素各自的作用，同时避免烧损，避免合金元素的偏析。
[0012]因此，对于本申请中一种具有超塑性性能的镁合金即Mg
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Bi
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Gd
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Zr合金而言，综合力学性能依靠微量稀土合金元素的加入可以起到强化相的成分和细化晶粒的保证，并为后续热处理、塑性成形加工和性能保证提供了成分和组织保障。
[0013]一方面，本专利技术提供了一种具有超塑性性能的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Bi元素采用工业纯镁锭、工业纯铋块的形式添加，所述Gd、Zr元素分别采用Mg
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Gd中间合金和Mg
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Zr中间合金的形式添加；步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超塑性性能的镁合金，其特征在于，合金中各组分及其质量百分比为：Bi：8.0
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8.8％，Gd：1.0
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2.0％，Zr：0.4
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0.6％；杂质元素包括Fe<0.005％，Cu<0.015％，Ni<0.002％；其余为Mg。2.根据权利要求1所述的一种具有超塑性性能的镁合金，其特征在于，合金中各组分及其质量百分比为：Bi：8.2
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8.6％，Gd：1.2
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1.8％，Zr：0.4
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0.6％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。3.一种根据权利要求1或2所述的具有超塑性性能的镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Bi元素采用工业纯镁锭、工业纯铋块的形式添加，所述Gd、Zr元素分别采用Mg
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Gd中间合金和Mg
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Zr中间合金的形式添加；步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在720
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730℃下熔化、搅拌、扒渣后加入Mg
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Gd中间合金和Mg
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Zr中间合金，然后加入工业纯铋块；待上述原料全部熔化后搅拌10
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15min，并升温至720
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740℃，通入氩气3
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5min进行精炼除气处理；最后将合金熔体经除渣后静置10
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15min，以便于杂质沉降，待熔体温度降为680
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690℃再次扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为Φ100
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350mm的半连续铸造的铸锭；步骤三，固溶及均匀化处理；将步骤二中制备的半连续...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春杰，马东，王鲁东，郭灿，武向权，张忠明，
申请(专利权)人：鹤壁海镁科技有限公司，
类型：发明
国别省市：