本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高屈強(qiáng)比變形鎂合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，鑄造性能好，減震性好，電磁屏蔽性能高，易于切削加工和可回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。在汽車、電子、電器、交通、航空航天和國(guó)防、軍工領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。尤其在輕量化方面，具有難以替代的顯著優(yōu)勢(shì)，可以明顯減輕重量、節(jié)省燃油消耗。然而，鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，滑移系少，變形主要是通過(guò)基面滑移和錐面孿生實(shí)現(xiàn)，塑性變形能力差，絕對(duì)強(qiáng)度低，大大限制了其在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用范圍。

金屬材料的屈強(qiáng)比是指材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值。屈強(qiáng)比是衡量材料強(qiáng)度儲(chǔ)備的一個(gè)系數(shù)。在材料拉伸變形的過(guò)程中，當(dāng)受力超過(guò)屈服點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的塑性變形，使工件發(fā)生永久性變形，已不能滿足使用要求，甚至出現(xiàn)安全隱患。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)件材料，屈服強(qiáng)度越高，材料在屈服前的工作時(shí)間長(zhǎng)，可使材料的利用率提高，節(jié)約材料，減輕重量；同時(shí)，也意味著，材料的使用強(qiáng)度距離安全強(qiáng)度值越小，零件的可靠性高，可提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。若在高的屈強(qiáng)比下能保證一定的塑性，可使材料的安全使用性得到保障，這充分挖掘了材料的應(yīng)用潛力。

為了提高變形鎂合金的強(qiáng)度，常用的方法有合金化、加工變形和熱處理。復(fù)雜的加工變形往往不均勻，使組織存在較大應(yīng)力，而熱處理時(shí)，溫度控制范圍誤差大不易調(diào)控。眾多研究顯示，在鎂合金中，Ca具有很多類似稀土元素的特性，如細(xì)化晶粒、弱化基面織構(gòu)、提高耐蝕性、增強(qiáng)高溫穩(wěn)定性、提高抗蠕變性能等。而Mn添加至鎂-鋅合金中，能顯著細(xì)化變形合金的微觀組織，提高合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。因此復(fù)合添加Ca和Mn至鎂合金中不僅能顯著的改善合金的強(qiáng)度，提高屈強(qiáng)比，還能保證較高的塑性，較加工變形和熱處理可節(jié)約人力物力資源，也更易調(diào)控和操作，而且較稀土成本更低，更能擴(kuò)展其工業(yè)生產(chǎn)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種高屈強(qiáng)比變形鎂合金，同時(shí)本發(fā)明還提供了該變形鎂合金的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種高屈強(qiáng)比變形鎂合金，由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：Zn3~4%，Ca0.7~0.95%，Mn0.05~0.33%，其余為Mg和不可避免的雜質(zhì)。

進(jìn)一步，所述高屈強(qiáng)比變形鎂合金的制備方法，包括如下步驟：

（1）合金冶煉及鑄造：在體積比為1:99的SF₆和CO₂氣體保護(hù)下，將鎂錠放入坩堝中熔化，將純鋅、Mg-30%Ca中間合金、Mg-3%Mn中間合金在140~220℃預(yù)熱15~30分鐘后，加入熔化的鎂錠中，加入時(shí)應(yīng)迅速將純鋅、Mg-30%Ca中間合金及Mg-3%Mn中間合金壓入液面以下，待熔化后攪拌2~5分鐘，使成分均勻，靜置10~15分鐘，靜置完畢后，打撈熔體表面浮渣，待溫度降到710~730℃時(shí)，將熔體倒入250~350℃的模具中澆注成鑄錠，待鑄錠凝固后從模具中取出，投入冷水中冷卻；

（2）機(jī)加工：根據(jù)擠壓機(jī)擠壓筒的尺寸將上述鑄錠鋸切、車皮至合適尺寸；

（3）均勻化處理：用石墨粉包覆鑄錠，在330~370℃下保溫22~24h，之后升溫至410~450℃保溫10~12h，取出后水冷至室溫；

（4）熱擠壓：擠壓前將均勻化處理后的鑄錠和擠壓模具在300~330℃預(yù)熱1~2小時(shí)，擠壓溫度為300~330℃，擠壓比為25:1，擠壓速率為0.8~1m/min。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過(guò)添加Ca和Mn產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化作用，使合金的強(qiáng)韌性同時(shí)得到改善；并且Ca能弱化合金的基面織構(gòu)，提升材料的塑性。即只需要加入少量的Ca和Mn進(jìn)行配伍，就能明顯的提高合金強(qiáng)度和塑性，原料成本低。

2、本發(fā)明合金在擠壓過(guò)程中沿?cái)D壓方向析出大量的Mg-Zn-Ca三元相，均勻地分布在鎂基體中，形成第二相強(qiáng)化，較大比例的未再結(jié)晶區(qū)域具有較強(qiáng)的織構(gòu)，從而產(chǎn)生織構(gòu)強(qiáng)化作用。大量納米級(jí)的Mn粒子的彌散析出產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化作用，并且在熱擠壓過(guò)程中抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化效果。于是本發(fā)明制備的合金具有較高強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的同時(shí)，還保持了較高的塑性，其屈服強(qiáng)度大于250MPa，屈強(qiáng)比最高達(dá)0.98，明顯高于傳統(tǒng)商用ZK60鎂合金。

3、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，容易操作和調(diào)控，所采用的設(shè)備如熔煉爐、熱擠壓機(jī)等均為常規(guī)通用設(shè)備，具有可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的鎂合金的微觀組織照片；

圖2為實(shí)施例2制備的鎂合金的微觀組織照片；

圖3為實(shí)施例3制備的鎂合金的微觀組織照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例高屈強(qiáng)比變形鎂合金由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：Zn3.48%，Ca0.88%，Mn0.08%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。

上述組分的高屈強(qiáng)比變形鎂合金的制備方法如下：

（1）合金冶煉及鑄造：按照上述鎂合金成分含量進(jìn)行備料，所用原材料為工業(yè)純鎂錠、純鋅、Mg-30%Ca中間合金、Mg-3%Mn中間合金，在體積比為1:99的SF₆+CO₂氣體保護(hù)下，將鎂錠放入坩堝中熔化后，按所述合金成分配比量加入純鋅、Mg-30%Ca中間合金、Mg-3%Mn中間合金，加入前應(yīng)在140~220℃預(yù)熱15~30 分鐘，加入時(shí)應(yīng)迅速將其壓入液面以下，待熔化后攪拌2~5分鐘，使成分均勻，靜置10~15分鐘；靜置完畢后，打撈熔體表面浮渣，待溫度降到710~730℃時(shí)，將熔體倒入250~350℃模具中澆注成鑄錠，待鑄錠凝固后從模具中取出，投入冷水中冷卻；

（2）機(jī)加工：根據(jù)擠壓機(jī)擠壓筒的尺寸將上述鑄錠鋸切、車皮至合適尺寸；

（3）均勻化處理：用石墨粉包覆鑄錠，在330~370℃下保溫22~24h，之后升溫至410~450℃保溫10~12h，取出后水冷至室溫；

（4）熱擠壓：擠壓前將均勻化處理后的鑄錠和擠壓模具在300℃~330℃預(yù)熱1~2小時(shí)，擠壓溫度為300℃~330℃，擠壓比為25:1，擠壓速率為0.8~1m/min，擠壓后空冷至室溫，本實(shí)施例擠壓所得鎂合金棒材規(guī)格為Φ16。

實(shí)施例2

本實(shí)施例高屈強(qiáng)比變形鎂合金由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：Zn3.5%，Ca0.86%，Mn0.16%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)，制備方法同實(shí)施例1。

實(shí)施例3

本實(shí)施例高屈強(qiáng)比變形鎂合金由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：Zn3.39%，Ca0.84%，Mn0.23%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)，制備方法同實(shí)施例1。

性能檢測(cè)：

1、微觀組織檢測(cè)

圖1、圖2、圖3分別是實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3擠壓態(tài)鎂合金SEM照片，從圖1~3可以看出，隨著Mn含量的增加，第二相的數(shù)量逐漸增多，并且彌散析出的Mn顆粒也逐漸增多，其尺寸變得更小。另外，隨著Mn含量的增加，擠壓態(tài)合金的再結(jié)晶晶粒逐漸細(xì)化，于是合金的強(qiáng)度逐漸增加，并保持較好的塑性。

2、力學(xué)性能測(cè)試

表1是實(shí)施例1、2、3擠壓態(tài)鎂合金的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表1實(shí)施例1~3制備的鎂合金材料的室溫力學(xué)性能

從表1可以看出，隨著Mn含量的增加，合金的屈服強(qiáng)度得到大幅提升，抗拉強(qiáng)度也得到較大提升，屈強(qiáng)比逐漸增加，而延伸率略有下降。本發(fā)明的合金 (實(shí)施例1~3) 具有比商用高強(qiáng)變形鎂合金ZK60更高的屈服強(qiáng)度，屈強(qiáng)比比ZK60有明顯提高，同時(shí)延伸率也有不同程度的提高，這顯示了本發(fā)明的合金具有很高的屈強(qiáng)比和較高的塑性。

擠壓態(tài)合金的掃描照片顯示，本發(fā)明中的合金在擠壓過(guò)程中沿?cái)D壓方向析出大量的Mg-Zn-Ca三元相，均勻地分布在鎂基體中，形成第二相強(qiáng)化，提高材料的屈服強(qiáng)度，從而提高屈強(qiáng)比。較大比例的未再結(jié)晶區(qū)域具有較強(qiáng)的織構(gòu)，從而產(chǎn)生織構(gòu)強(qiáng)化作用。大量納米級(jí)的Mn粒子的彌散析出產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化作用，并且在熱擠壓過(guò)程中抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，有效細(xì)化再結(jié)晶晶粒，有益于提升合金的強(qiáng)度和塑性。另外，Ca和Mn的添加都能產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化作用，同時(shí)提高合金的強(qiáng)度和塑性，并且Ca能弱化合金的基面織構(gòu)，提升材料的塑性。綜上所述，本發(fā)明中的合金具有較高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的同時(shí)，還保持了較高的塑性。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。