利用稀土元素镧改进的高强韧变形镁合金及其制备方法

本发明属于有色金属结构材料及其加工，具体涉及利用稀土元素镧改进的高强韧变形镁合金及其制备方法。

背景技术：

1、镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有低密度、高的比强度、良好的阻尼性能和加工性能，被广泛应用于航空航天、武器装备、汽车工业以及电子消费品等行业。但是，由于镁合金为密排六方结构，室温塑性差，严重限制其广泛应用。

2、金属材料的屈强比为屈服强度和极限抗拉强度的比值。对于传统的镁合金，通常屈服强度低，抗拉强度高，因此屈强比也低。屈强比越低，材料从开始塑性变形到最后断裂的形变量就越大，这样就可以有效避免因过载而导致的材料突然失效；因此，基于这个角度，屈强比越低材料服役越安全。但是屈强比过低，势必造成材料的浪费。但是对于工程结构件而言，材料的屈服强度和屈强比越大，抵抗变形的能力越强，可靠性越大。因此，开发具备高屈强比的高强韧变形镁合金对于拓宽镁合金在工业上的应用具有重要的工程意义。

3、传统的商用变形镁合金体系主要有az、am和zk系。az和am系虽然成本较低，但是其屈服强度也低，所以应用受限。zk系虽然具有高的屈服强度，但其塑性较差，屈强比也低。近年来，虽然发展了mg-re变形合金，具有高强高塑的特点，但其成本较高，限制了其广泛应用。mg-sn基合金近年来成为研究热点，其具有良好的塑性加工性能，易于低温变形，有效降低了加工成本。但是变形mg-sn基依然屈服强度低，无法满足承力结构件的强度要求。并且上述合金体系在高强韧的前提下，无法保证高屈强比。除此以外，研究人员开发了具有高强韧的高屈强比镁合金，如专利申请号201810934268.0一种高强度和高屈强比mg-al-ca-y-mn系镁合金及其制备方法和应用。但是此合金体系变形温度高，挤压温度在350-450ºc之间，提高了加工成本。鉴于此，本发明专利以mg-sn二元合金为基，添加少量的轻稀土la，以改善合金的强度和热加工性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明基于mg-sn基合金，通过添加廉价的稀土la，采用较低的加工温度，制备出具有高屈强比，且同时拥有高强韧的变形镁合金。

2、为了达到上述预期目标，本发明提供如下技术方案：

3、一种高强韧变形镁合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：sn：4.5～5.5%，la：0～0.5%，余量为镁和不可避免的杂质元素。

4、根据权利要求1所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn：4.5～5.5%，la：0.25%。

5、根据权利要求2所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn： 5.5%，la：0.25%。

6、根据权利要求1所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn： 4.5%，la：0.5%。

7、上述所指杂质元素包括：fe、cu、si、ni，各杂质元素质量百分比为：fe≤0.005%，cu≤0.0005%，si≤0.005%，ni≤0.0005%。

8、上述一种具备高屈强比的高强韧变形镁合金的制备方法如下：

9、（1）原料准备：将镁锭、锌锭、钐源、镱源和锆源去掉氧化层，按照配比备料，然后将其预热至200～300ºc。

10、（2）合金熔炼：将坩埚加热至550ºc时，加入镁锭并且通入保护气体，防止氧化。待镁锭融化，在720～730ºc时依次加入锡锭和镧源。

11、（3）精炼：上述步骤完成后，保温10～15min，然后加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的0.5%～1.0%；加精炼剂采用边加边搅拌的方式，待精炼剂充分融入熔体之后，降温至680～700ºc，然后静置，30～40min。

12、（4）出炉浇铸：静置完毕后，撇去熔体表面浮渣，然后以适当的浇铸速度将熔体浇入水冷钢制模具，即可得到合金铸棒。

13、（5）均匀化处理：挤压之间，一部分铸锭直接挤压；对另一部分铸锭进行均匀化处理，具体工艺参数为450ºc保温24h，然后热水淬火。

14、（6）挤压加工：首先对合金铸棒进行车削，去掉表面氧化层；挤压参数为：挤压温度150～200ºc，保温时间60～120 min，挤压比为17.64，挤压速度为0.1～0.2mm/s；挤压模具需在挤压前在挤压温度保温至少60min。按照如上变形参数即可得到高屈强比的高强韧变形镁合金棒材。

15、优选的是，所述（1）中的镧源为含镧20%的镁镧中间合金。

16、优选的是，所述（2）中的保护气体为sf6：co2体积比为1：200的混合气体。

17、优选的是，所述（2）中6号熔剂为本领域技术人员熟知的产品，可以通过商购获得，主要成分（质量百分数）为：kcl：54-56%，bacl2：14-16%，nacl：1.5-2.5%，cacl2：27-29%。所述的6号熔剂加入量为各原料总质量的1%～1.5%；所述的6号熔剂的加入方式没有特殊限制，优选采用边加边搅拌的方式。

18、本发明的所述技术方案获得的有益效果为：

19、（1）la添加到mg-sn二元合金显著细化了铸态合金的晶粒，改善了合金的热加工性能，如mg-sn二元合金在低温下（150ºc）挤压，无法实现；添加la之后，能够实现低温挤压。

20、（2）少量的la（0.25%）添加到mg-sn二元合金能够明显提升合金的强度，同时保持了较好的塑性和高的屈强比。

21、（3）本发明专利开发了屈服强度大于320mpa，延伸率高达18%，同时屈强比接近1的低成本高性能变形镁合金。

技术特征：

1.一种高强韧变形镁合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：sn：4.5～5.5%，la：0～0.5%，余量为镁和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn：4.5～5.5%，la：0.25%。

3.根据权利要求2所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn： 5.5%，la：0.25%。

4.根据权利要求1所述的一种高强韧变形镁合金，其特征在于，sn： 4.5%，la：0.5%。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高强韧变形镁合金的制备方法，其步骤在于：

6.根据权利要求5所述的高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的镧源为含镧20%的镁镧中间合金。

7.根据权利要求5所述的高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的保护气体为sf6：co2体积比为1：200的混合气体。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的高强韧变形镁合金的制备方法，其步骤在于：

9.根据权利要求8所述的高强韧变形镁合金的制备方法，其特征在于，制取的高强韧变形镁合金的抗拉强度330mpa，屈服强度329 mpa，屈强比0.997，延伸率18.0%。

技术总结本发明公开了利用稀土元素镧改进的高强韧变形镁合金及其制备方法，其组成及各组分的质量百分比为：Sn的含量为4.5～5.5%，La的含量为0～0.5%，余量为镁和不可避免的杂质元素，其中杂质元素包括：Fe、Cu、Si、Ni，各杂质元素质量百分比为：Fe≤0.005%，Cu≤0.0005%，Si≤0.005%，Ni≤0.0005%；本发明专利制备的变形镁合金具有高的屈服强度和高的屈强比，同时保持了良好的延伸率，屈服强度高于320MPa，延伸率18%，屈强比为0.997，同时，制备方法简单，合金成分简单，能够低温挤压成型，成本低，因此具有良好的工程应用前景。技术研发人员：张栋栋,张德平,白培康,刘宝胜,李科受保护的技术使用者：太原科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5