一种中温快速挤压高强高韧变形镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种中温快速挤压无稀土的含钙的高强高韧变形镁合金及其制备方法。

背景技术：

镁合金是一种低密度，高比强度的金属结构材料，且具有优越的减震性能、良好的机械性能等一系列优点，在汽车交通，电子3c，航空航天等领域应用广泛。目前得到广泛应用的镁合金体系包括mg-al，mg-zn，mg-y，mg-gd等。这些合金在综合性能提高的同时，也有一定的局限性。其中mg-al合金的高温应用受到限制，mg-re合金具有优异的力学性能和较好的高温服役能力，但是稀土元素高昂的价格和日渐稀缺的储量限制其在民用领域的大规模应用和推广。此外，镁合金室温塑形较差也限制了镁合金的应用和变形加工的发展。因此为推广镁合金材料，研发新型不含稀土的高强高韧镁合金的需求日益增加。在这样的背景下，mg-sn合金愈发受到了研究者们的关注。此外，针对目前应用广泛的mg-al系挤压合金无法采用快速挤压工艺的缺点，mg-sn系变形镁合金中的mg2sn相具有较高的熔点，在高速挤压的过程中并不会发生第二相溶解而导致合金型材变形开裂。

技术实现要素：

针对上述的不足，本发明提供了中温快速挤压高强高韧变形镁合金及其制备方法，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中温快速挤压高强高韧变形镁合金，该合金为mg-sn-zn-ca变形镁合金，原料组分及质量百分含量如下：

工业纯锡：3%~5%；工业纯锌：1%~2%；钙（以钙的质量分数计量）：0.1%~0.5%；余量为工业纯镁和微量杂质元素；制备所用的工业纯镁、工业纯锌以及工业纯锡纯度都在99%以上。

优选地，钙是以钙的质量分数计量，添加时以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加。

上述所述的一种中温快速挤压高强高韧变形镁合金的制备方法，按照下述步骤进行：

（1）清理干净合金化坩埚，将其预热至250℃-300℃，将所用原料预热至80℃-100℃，通入保护气体，将工业纯镁和工业纯锡投入合金化坩埚在710℃-730℃的温度范围内融化成合金液体；

（2）按原料配比，在步骤（1）中得到的合金液体中加入工业纯锌和镁钙中间合金，在710℃-730℃的温度范围内融化成合金液体；

（3）将在步骤（2）中得到的合金液体，在700℃-720℃静置30-40分钟，并充分搅拌1-3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮，得到合金液体；

（4）随后取出合金液体冷却至700℃，在气体保护的条件下将步骤（3）中得到的合金液体，浇注至预热到150℃-200℃的铁模中，制备出铸锭；

（5）均匀化处理：将步骤（4）所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，在300℃-330℃的条件下保温8-10小时，经1小时升温到470℃-500℃，保温12-14小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（6）挤压：将步骤（5）所均匀化处理后得到的镁合金铸锭，车皮之后放入电阻炉中在300℃~320℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上润滑剂，在250~320℃下放入挤压机进行挤压成型；即可得到高强高韧变形镁合金。

优选地，在熔炼过程中通入的保护气为sf6和co2混合气体，体积比例为1:100。

优选地，铸锭表面喷涂的涂料为氧化镁和氧化铝混合粉末，质量比例为3:1，采用无水乙醇混合，每10g混合粉末配用45-50ml无水乙醇。

优选地，模具型腔和顶杆所涂覆的润滑剂为聚乙烯蜡+石墨。

优选地，采用中温快速挤压工艺，挤压温度250~320℃，挤压比为32:1，挤压速度为8~12m/min。

附图说明

图1：实施例3制备的铸态合金金相图。

图2：实施例3制备的挤压合金sem图和eds分析。

图3：实施例3制备的挤压合金tem图，saed和eds分析。

图4：实施例3制备的挤压合金第二相tem高分辨图像和fft图像。

有益效果

1.本发明所提出的mg-sn-zn-ca合金是一种新型无稀土的含钙变形镁合金，采用的合金化元素都是价格低廉的金属且合金化元素的添加量较低。经过挤压加工后，合金的微观组织主要为α-mg和camgsn三元相。其中camgsn三元相体积分数高且分布弥散均匀，具有良好的强化效果。

2.本发明制备的mg-sn-zn-ca挤压合金中主要的第二相camgsn三元相尺寸在3~5μm，成短棒状或颗粒状，尺寸均匀弥散且具有独特的包覆结构:camg2相包裹纳米相mg2sn。第二相的弥散强化促进合金性能的提高。

3.本发明采用较为简单的中温快速挤压的加工工艺，通过合理调控预热温度和挤压温度，在中温下实现快速、大挤压比挤压加工，挤压速度最高可达12m/min，平均挤压比32:1，一次成型的挤压型材表面平整光洁，没有明显的缺陷和裂纹，致密度高。所获得的挤压合金强度超过大部分的az系列变形镁合金，与传统的商用稀土变形镁合金we43相当，塑形优于we43。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：4%；zn：1%；ca：0.1%（以纯钙的质量分数计量，以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加）；余量为mg。

（2）清理干净合金化坩埚，将其预热280℃，将所用原料预热至100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在720℃进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯锌和镁钙中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃的铁模中，制备出铸锭。

（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂上涂料，涂料采用50ml无水乙醇混合10g质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末制成，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在300℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡+石墨，在320℃下进行挤压；挤压比为32:1，挤压速度为8m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为243.6mpa，延伸率为10.1%；压缩强度519.4mpa，压缩断裂应变15.5%。

实施例2

（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：4%；zn：1%；ca：0.3%（以纯钙的质量分数计量，以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加）；余量为mg。

（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至280℃，将所用原料预热至100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在720℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯锌和镁钙中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到180℃的铁模中，制备出铸锭。

（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，涂料采用50ml无水乙醇混合10g质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末制成，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在300℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡+石墨，在300℃下进行挤压；挤压比为32:1，挤压速度为10m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为255.1mpa，延伸率为11.0%；压缩强度545.9mpa，压缩断裂应变15.0%。

实施例3

（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：4%；zn：1%；ca：0.5%（以纯钙的质量分数计量，以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加）；余量为mg。

（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至280℃，将所用原料预热至100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在730℃进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯锌和镁钙中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到150℃的铁模中，制备出铸锭。

（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，涂料采用48ml无水乙醇混合10g质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末制成，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到480℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在300℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡+石墨，在280℃下进行挤压；挤压比为32:1，挤压速度为12m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为261.5mpa，延伸率为13.2%；压缩强度555.9mpa，压缩断裂应变18.4%。

实施例4

（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：4%；zn：1.5%；ca：0.3%（以纯钙的质量分数计量，以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加）；余量为mg。

（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至300℃，将所用原料预热至100℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在720℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯锌和镁钙中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到200℃的铁模中，制备出铸锭。

（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，涂料采用48ml无水乙醇混合10g质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到500℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在300℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡+石墨，在300℃下进行挤压；挤压比为32:1，挤压速度为10m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为258.3mpa，延伸率为9.86%；压缩强度521.1mpa，压缩断裂应变14.6%。

实施例5

（1）按照质量百分比称取合金原料：sn：5%；zn：1%；ca：0.5%（以纯钙的质量分数计量，以mg-20wt.%ca中间合金的形式添加）；余量为mg。

（2）清理干净合金化坩埚，将其预热至280℃，将所用原料预热至80℃，体积比为1:100的sf6和co2混合气体保护下，先对工业纯镁和工业纯锡在720℃的温度范围内进行熔炼，待全部融化后，加入的工业纯锌和镁钙中间合金，待原料完全融化后将熔体在720℃静置35分钟，并充分搅拌3分钟，打掉表面的浮渣和氧化皮。随后取出熔体冷却至700℃，在气体保护的条件下浇注至预热到180℃的铁模中，制备出铸锭。

（3）将所制备的铸锭表面均匀喷涂涂料，涂料采用50ml无水乙醇混合10g质量比为3:1的氧化镁和氧化铝的混合粉末，在330℃的条件下保温10小时后，经1小时升温到500℃，保温12小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样；

（4）将均匀化处理后的铸锭，车皮之后在300℃下预热2小时，在模具型腔和顶杆涂覆上聚乙烯蜡+石墨，在300℃下进行挤压；挤压比为32:1，挤压速度为8m/min，制备出挤压型材，该合金抗拉强度为263.8mpa，延伸率为11.2%；压缩强度544.8mpa，压缩断裂应变15.2%。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。