一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金及其制备方法，其包括按重量百分比计的以下元素组分：Al 3.0～6.0％，Ca 0.5‑1.0％，其余为Mg。与现有技术相比，本发明专利技术制备的非稀土镁合金棒材晶粒尺寸10～30微米，合金抗拉强度大于245MPa，屈服强度大于125MPa，最大延伸率为27％，均匀延伸率超过20％，材料的加工硬化能力(抗拉强度‑屈服强度)和均匀延伸率显著高于现有的任何非稀土镁合金。

【技术实现步骤摘要】
一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金及其制备方法
本专利技术属于镁合金材料制造
，涉及一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金及其制备方法。
技术介绍
镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，具有较高的比强度和比刚度等优势，在电子产品及汽车工业领域具有广泛的应用前景。镁合金最突出的优点是质轻，纯镁的密度为1.74gcm3，相当于铝的2/3，钢的1/4。如果将镁大范围应用，将会有效地缓解当今社会所面临的环境污染和能源枯竭两大问题。另外，镁资源储量丰富，地壳中含量约为2.7％，仅次于铝和铁，海水中更是有取之不尽、用之不竭的镁元素。在传统铝铁矿产资源日益消耗的今天，丰富的镁资源可以为工业可持续发展提供大力支持。镁合金目前应用的主要瓶颈为其室温均匀延伸率和变形加工能力偏低，难以制备形状复杂的结构件。目前应用最广的商用镁合金为Mg-Al-Zn系AZ31合金，其屈服强度约为100～200MPa，抗拉强度约为200～260MPa，但均匀延伸率通常低于12％，无法在室温下承受大变形加工。在镁中添加溶质合金元素是一种有效的提高镁合金室温塑性的方法。稀土元素，如Y、Gd、Nd等可以将镁合金的延伸率提高到15％以上，WE系列高性能镁合金(Mg-Y-Nd)已经得到商用，主要用于航天航空领域。稀土元素具有价格高、密度大的缺点，无法满足量大面广的民用应用(如汽车等)需求。因此，非稀土镁合金的设计与制备是目前镁合金领域的主要研发方向。钙元素被认为是一种有效的合金元素，在近年得到广泛关注。公开号为CN103114231A的中国专利技术专利提出了一种Mg-Al-Ca合金及制备方法，其元素组成为Ca：4～12wt.％，Al：5～10wt.％，其余为Mg，且Ca/Al质量比为0.8～1.2；其成分为Mg-5wt.％Al-5wt.％Ca的挤压态合金室温屈服强度为310MPa，抗拉强度为333MPa，但延伸率仅为3％。公开号为CN111155011A的中国专利技术专利提出了另一种Mg-Al-Ca合金及制备方法，其元素组成为Al：3.5～4.5wt.％，Ca：1～4wt.％，其余为Mg，其抗拉强度为276～333MPa，延伸率为16.84～19.12％。公开号为104046868A的中国专利技术专利专利技术了一种Mg-Al-Ca-Mn高强度导热镁合金，其化学成分组成为Mn：0.5～2.0wt.％，Ca：0.3～1.5wt.％，Al：0.3～1.0wt.％，其余为Mg，其屈服强度为338～358MPa，抗压强度为346～375MPa，延伸率为5～10％。可见，上述现有技术制备的Mg-Al-Ca合金仍存在着均匀延伸率较低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了提供一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金及其制备方法。所制得的镁合金棒材屈服强度不小于125MPa，抗拉强度不小于245MPa，最大延伸率为27％，均匀延伸率超过20％。可见，本专利技术的材料的加工硬化能力(抗拉强度-屈服强度)和均匀延伸率显著高于现有的任何非稀土镁合金。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术的技术方案之一提供了一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金，包括按重量百分比计的以下元素组分：Al3.0～6.0％，Ca0.5～1.0％，其余为Mg。当然，非稀土镁合金中还会包含一些不可避免的杂质元素，其含量一般小于0.02％。进一步的，各元素组分中，Al与Ca的质量比为3～6:1。本专利技术的技术方案之二提供了一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取各元素原料，并通过熔化、精炼、除渣、静置后，浇铸得到镁合金铸锭；(2)对镁合金铸锭进行均匀化热处理，随后淬火，得到均匀化铸锭；(3)将均匀化铸锭预热后，等温挤压，得到镁合金材料，即为目的产物。进一步的，镁合金铸锭的具体制备过程包括以下步骤：(1-1)取镁锭熔化为镁液后，加入铝锭和镁钙中间合金，直至熔化，得到混合熔体；(1-2)将混合熔体升温至740～760℃进行搅拌、精炼除气、除渣和保温静置，随后将熔体降温至720～740℃进行浇铸，即得到镁合金铸锭。更进一步的，浇铸所选模具为钢制模具，且浇铸前模具在150～250℃先预热30～120分钟。更进一步的，镁合金铸锭的熔炼制备过程中，从熔化至浇铸的全阶段通入流动的99vol.％CO2和1vol.％SF6混合气体。更进一步的，所述镁锭的纯度不低于99.95％，所述铝锭的纯度不低于99.95％，所述镁钙中间合金中，钙的重量百分数为15～25％。进一步的，步骤(2)中，均匀化热处理的工艺条件为：在400～480℃均匀化热处理12～48小时。进一步的，步骤(3)中，预热的温度为220～300℃。进一步的，步骤(3)中，挤压过程具体为：按照挤压比12～25挤压制得镁合金棒材作为镁合金产品，挤压速度控制为1～4mm·s-1。在材料制备过程中，合理的均匀化热处理温度可以有效去除铸锭内部的元素偏析，消除枝晶界面元素偏聚。若热处理温度过高会造成过烧现象；若热处理温度过低则不能完全消除偏析影响。同时，根据热力学计算，当热处理温度大于480℃时，材料会形成C36结构的(Mg,Al)2Ca相，该相对材料性能不利。同时，在其余条件相同的情况下，经过热力学计算，当Al与Ca的质量比过高时，Mg17Al12相的形成温度提高，在本专利技术的挤压温度范围内即会形成该相，而一般认为Mg17Al12相对镁合金性能不利。当Al与Ca的质量比分别过低时，热力学计算表明由于Ca相对含量的提高使得另一个脆性相Mg2Ca的形成。另外，较低的Al与Ca的质量比使得Al的消耗更完全，降低了Mg基体中固溶的Al含量，弱化了固溶强化以及固溶原子对<c+a>位错形核的促进作用。所以Al与Ca的质量比分别过高或过低均不能得到理想的材料。在材料制备过程中，合理的热挤压温度及之前的预热会得到具有合适晶粒尺寸的挤压棒材，且具有均匀的组织结构。若热挤压温度过高，则会造成挤压棒材晶粒粗大，使得材料强度降低；若热挤压温度过低，则会造成材料再结晶不完全，一般会表现出较低的韧性。本专利技术提出的Mg-Al-Ca三元合金是一种新型的不含稀土的变形镁合金。在该三元体系中，根据热力学计算，该合金会含有Mg基体和Al2Ca析出相两种相结构，且该材料的双相结构通过同步辐射和电子显微等表征方法确认。本专利技术提出的Mg-Al-Ca三元合金所含的Al2Ca析出相平均尺寸为600纳米，该析出相一方面可以阻碍位错滑移提高材料的加工硬化率，另一方面在拉伸过程中该析出相可以在其内部产生塑性形变，导致材料具有高延伸率。Al2Ca析出相的产生是该材料同时具有高均匀延伸率和高加工硬化的主要原因。本专利技术所采用的所有材料成本都相对廉价。合金元素铝和镁钙中间合金的熔点都很低，制备成本较小。该Mg-Al-Ca合金经过较为简单的熔炼、均匀化处理、热挤压工艺，其强度和商用镁合金AZ31相当，但加工变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金，其特征在于，包括按重量百分比计的以下元素组分：Al 3.0～6.0％，Ca 0.5～1.0％，其余为Mg。/n

【技术特征摘要】
1.一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金，其特征在于，包括按重量百分比计的以下元素组分：Al3.0～6.0％，Ca0.5～1.0％，其余为Mg。


2.根据权利要求1所述的一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金，其特征在于，各元素组分中，Al与Ca的质量比为3～6:1。


3.如权利要求1或2所述的一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取各元素原料，并通过熔化、精炼、除渣、静置后，浇铸得到镁合金铸锭；
(2)对镁合金铸锭进行均匀化热处理，随后淬火，得到均匀化铸锭；
(3)将均匀化铸锭预热后，等温挤压，得到镁合金材料，即为目的产物。


4.根据权利要求3所述的一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金的制备方法，其特征在于，镁合金铸锭的具体制备过程包括以下步骤：
(1-1)取镁锭熔化为镁液后，加入铝锭和镁钙中间合金，直至熔化，得到混合熔体；
(1-2)将混合熔体升温至740～760℃进行搅拌、精炼除气、除渣和保温静置，随后将熔体降温至720～740℃进行浇铸，即得到镁合金铸锭。


5.根据权利要求4所述的一种高均匀延伸率高加工硬化非稀土镁合金的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乐耘，曾小勤，朱高明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31