本发明专利技术提供一种可快速时效强化的Mg‑Sn‑Li系镁合金及其制备方法，合金成分为：Sn含量为2.5～6.5％，Li含量为0.3～2.5％，其余为Mg；合金还可再含有Ca、Sr、Si、Zr、Mn、Ag、Cu、Na元素中的至少一种。本发明专利技术合金通过固溶热处理可获得Mg基过饱和固溶体，然后通过快速时效热处理，可在5h内达到时效强化峰值70～120HV。本发明专利技术合金以纳米尺度的Mg‑Sn‑Li三元相为主要析出相，时效强化效果显著，综合性能好，除了可作为常规的结构和高温抗蠕变材料使用，还可作为生物医用材料用于制备人体植入医疗器件。
A Mg-Sn-Li Magnesium Alloy with Rapid Aging Strengthening and Its Preparation Method
【技术实现步骤摘要】
一种可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金及其制备方法
本专利技术涉及一种可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金的成分设计及其制备方法，属于有色金属材料及冶金领域。
技术介绍
Mg及其合金密度低、比刚度高、比强度高、阻尼性能好、生物相容性好，在交通运输、航空航天、医疗器械、国防等领域有广泛应用。目前最常用的商用镁合金是Mg-Al-Zn(AZ)系镁合金，然而由于合金组织中的主要第二相Mg17Al12的熔点低(458℃)，Mg-Al共晶温度低(437℃)等原因，AZ系镁合金的抗蠕变性能(或称耐热性)较低，长期服役温度一般不超过120℃。用Sn元素取代主合金化元素A1可以提高镁合金的耐热性能。传统Mg-Sn系镁合金的主要第二相是Mg2Sn，熔点高(770℃)，Mg-Sn共晶温度高(561℃)，抗蠕变性能优于AZ系镁合金。铸态Mg-Sn合金的力学性能较低，通过时效热处理可以显著提高合金的强度。然而绝大多数Mg-Sn系镁合金至少需要100h才能达到时效峰值，例如，Mg-10Sn合金在200℃时效800h都未达到硬度峰值，时效硬度低于56HV。这对工业生产不利，增加了生产成本、降低了生产效率。现有文献报道的，时效最快的Mg-Sn系合金是Mg-1.3Sn-1.2Zn-0.19Na镁合金，仍需要6.7h才能达到时效峰值。由此可见，目前Mg-Sn系镁合金存在的共性问题是时效峰值时间长、强化效率低，阻碍了这种镁合金的商业化推广。专利文献1提供了一种骨科植入镁合金材料及制备方法，其特征在于按重量百分比计化学成分为：Zn：1.5～3％，Mn：0.6～1.1％、Ca：0.3～0.8％、Si：0.3～0.45％、Sn：0.5～0.85％、Li：1～1.8％、Cr：2.5～3.5％、Mo：1.3～1.4％、Sc+La+Y：0.01～0.08％、Ti：0.5～0.8％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。该材料的制备加工方法中没有时效强化。该专利文献的实施例合金中，Cr是含量最高的合金化元素，因此所述合金是Mg-Cr系镁合金。专利文献2提供了一种具有阻燃性的Mg-Li-Sn合金及其加工工艺，其特征在于按重量百分比计化学成分为：Li：10.0～12.0％，Sn：2.0～9.0％，Sr：4.0～6.0％，Mn：0.2～0.8％，Dy：0.1～0.2％，Ho：0.2～0.3％，S：0.8～1.2％，B：0.2～0.4％，余量为镁。该合金的时效工艺为在真空条件下160℃保温2.4小时，但是并没说明时效的效果，无法确定这种镁合金有时效强化反应。专利文献3提供了一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金及其制备方法，其特征在于以科学计算指导合金成分设计，按重量百分比计化学成分为：Sn：0.01～7％，Li：0.05～3％，Zn：0.4～6.5％，其余为Mg。该合金必须含有Zn元素，可进行双级时效强化。现有技术文献专利文献1：CN201810202177.8一种骨科植入镁合金材料及制备方法，专利文献2：CN201710876112.7一种具有阻燃性的Mg-Li-Sn合金及其加工工艺，专利文献3：CN201910187857.1一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的课题：将Mg-Sn系镁合金到达时效硬度峰值的时间缩短至5h以内。以解决上述课题为目标的本专利技术的要旨如下所述。如无特别说明，成分百分比均默认为质量百分比。一种可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金，其特征在于组织特征是能够通过固溶处理得到Mg基单相固溶体，通过快速时效析出大量纳米尺度的Mg-Sn-Li析出相，产生显著时效强化效果；性能特征要求能够在15min～5h达到时效硬度峰值，峰值硬度为70～120HV，比固溶态硬度提高15～70HV，比Mg-Sn二元合金的时效硬度峰值提高10～70HV；所述镁合金成分为：Sn含量为2.5～6.5％，Li含量为0.3～2.5％，其余为Mg。进一步地，所述镁合金中还含有Ca、Sr、Si、Zr、Mn、Ag、Cu、Na元素中的至少一种，各元素含量为：Ca：0.1～2.5％，Sr：0.01～0.08％，Si：0.1～0.4％，Zr：0.3～1％，Mn：0.1～1.5％，Ag：0.1～2％，Cu：0.1～2％，Na：0.02～0.5％。加入Ca、Sr、Si或Zr可以细化本专利技术合金的晶粒，从而进一步提高本专利技术合金的强度和韧性；加入Mn可以去除Fe杂质提高本专利技术合金的耐蚀性；加入Ag、Cu能提高本专利技术合金的抗菌性；加入Na能够进一步缩短时效峰值时间。如上所述可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金的制备方法，其特征在于所述的合金可以进行快速时效热处理，其工艺为以下3种的任何一种：工艺1：铸造→均匀化热处理→塑性变形→固溶→淬火→快速时效；工艺2：铸造→均匀化热处理→固溶→淬火→塑性变形→快速时效；工艺3：铸造→均匀化热处理→固溶→淬火→塑性变形→短时预时效→塑性变形→快速时效。进一步地，所述的工艺中，铸造的熔炼温度在680～740℃进行，精炼3～20min；均匀化热处理在300～600℃进行，保温1～48h；固溶的温度为350～600℃，保温时间为10min～1h；通过所述固溶处理能够得到Mg单相固溶体，为后续通过快速时效析出大量纳米尺度的Mg-Sn-Li析出相创造必要的热力学条件。淬火在0～100℃水或矿物淬火油中进行；快速时效的温度为140～300℃，保温时间为15min～5h；短时预时效的温度为80～200℃，保温时间为1min～2h。进一步地，所述的工艺中，所述塑性变形包括挤压、轧制、拉拔和锻造中的至少一种且可以是任意2～4种工艺的组合，包括单道次变形和多道次变形。挤压的温度为150～450℃，单道次挤压比为10～80，多道次总挤压比为10～200；轧制的温度为-190～400℃，单道次变形量为2～60％，多道次总变形量为10～99％；拉拔的温度为100～400℃，单道次加工率为5～35％，多道次总加工率为60～99％；锻造的温度为250～420℃，变形量为10～80％。进一步地，所述工艺中的轧制温度在-190℃至-100℃时为深冷轧制，每道次轧制前需放入液氮中降温，降温时间为1～60min。进一步地，根据所述工艺1～3完成快速时效后，所述镁合金的晶粒尺寸<20μm，Mg-Sn-Li析出相的直径<30nm。室温拉伸屈服强度为200～500MPa，抗拉强度为250～550MPa，断后伸长率为1～30％，细胞毒性为0～2级，生物相容性良好。本专利技术提供的Mg-Sn-Li系镁合金与现有技术文献提供的含有Sn和Li的镁合金的显著区别及由此带来的优势至少是下面的一项：(1)本专利技术合金不含Zn元素和稀土元素；(2)本专利技术合金在5h内达到时效硬度峰值70～120HV，比固溶态硬度提高15～70HV，比Mg-Sn二元合金的时效硬度峰值提高10～70HV，强化效率高；(3)本专利技术合金中时效强化相是Mg-Sn-Li三元相，直径<30nm；而现有Mg-Sn合金中的时效强化相是Mg-Sn二元相；(4)本专利技术合金不含对人体有毒副作用的元素，例如：Al、Ni、Cr等，生物相容性好，可用于制造人体植入本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可快速时效强化的Mg‑Sn‑Li系镁合金，其特征在于组织特征是能够通过固溶处理得到Mg基单相固溶体，通过快速时效析出大量纳米尺度的Mg‑Sn‑Li析出相，产生显著时效强化效果；性能特征要求能够在15min～5h达到时效硬度峰值，峰值硬度为70～120HV；所述镁合金成分为：Sn含量为2.5～6.5％，Li含量为0.3～2.5％，其余为Mg。
【技术特征摘要】
1.一种可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金，其特征在于组织特征是能够通过固溶处理得到Mg基单相固溶体，通过快速时效析出大量纳米尺度的Mg-Sn-Li析出相，产生显著时效强化效果；性能特征要求能够在15min～5h达到时效硬度峰值，峰值硬度为70～120HV；所述镁合金成分为：Sn含量为2.5～6.5％，Li含量为0.3～2.5％，其余为Mg。2.如权利要求1所述的一种可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金，其特征在于所述镁合金中还含有Ca、Sr、Si、Zr、Mn、Ag、Cu、Na元素中的至少一种，各元素含量为：Ca：0.1～2.5％，Sr：0.01～0.08％，Si：0.1～0.4％，Zr：0.3～1％，Mn：0.1～1.5％，Ag：0.1～2％，Cu：0.1～2％，Na：0.02～0.5％。3.一种如权利要求1或2所述可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金的制备方法，其特征在于所述的合金要进行快速时效热处理，其工艺为以下3种的任何一种：工艺1：铸造→均匀化热处理→塑性变形→固溶→淬火→快速时效；工艺2：铸造→均匀化热处理→固溶→淬火→塑性变形→快速时效；工艺3：铸造→均匀化热处理→固溶→淬火→塑性变形→短时预时效→塑性变形→快速时效。4.如权利要求3所述可快速时效强化的Mg-Sn-Li系镁合金的制备方法，其特征在于所述的工艺中，铸造的熔炼温度在680～740℃进行，精炼3～20min；均匀化热处理在300～600℃进行，保温1～48h；固溶的温度为350～600℃，保温...
【专利技术属性】
技术研发人员：石章智，陈虹廷，刘雪峰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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