一种低合金化高强韧性的镁铋锡合金及其加工方法

1.本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种低合金化高强韧性的镁铋锡合金及其加工方法。


背景技术：

2.镁合金由于其优异的比强度和低密度，近年来在汽车和航空航天等领域引起了人们的关注。然而，镁合金强度和韧性之间的低协同作用以及环境温度下的变形能力差从根本上阻碍了镁合金的广泛工业应用。因此，迫切需要开发具有优异的可加工性和良好的强度和韧性的新型低成本镁合金。
3.在一些研究中发现，通过添加适当的合金元素可有效改善镁合金的强度和韧性。但是，若加入少量的合金元素无法产生明显的强化作用；若加入过多，则会产生大量的第二相，使韧性变差。因此，选择适量的合金元素制备强度和韧性优良的镁合金是至关重要的。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种低合金化高强韧性的镁铋锡合金的加工方法，该方法是利用铋、锡和镁为原料加工成一种强度高且韧性优良的镁铋锡合金。
5.本发明低合金化高强韧性的镁铋锡合金的加工方法包括以下步骤：
6.(1)原料准备：称取以下质量百分数的金属原料：
7.铋0.3％-0.7％，锡0.3％-0.7％，其余为镁块；
8.(2)熔炼成锭：将称取的原料加入熔炼炉中，在sf6与co2的混合保护气气氛中熔炼，然后浇铸成圆柱型铸锭；
9.(3)固溶处理：将圆柱型铸锭进行加热固溶处理，所述固溶处理包括一级固溶处理和二级固溶处理，其中一级固溶处理温度为320℃，保温时间为1h；二级固溶处理温度为500℃，保温时间为3h；二级固溶处理后进行水淬出合理；
10.(4)挤压处理：将挤压模具进行预热，然后将固溶处理后的圆柱型铸锭放入挤压模具中，在温度为250℃下保温30min，保温结束后进行挤压，挤压速率为0.1mm/s，挤压比为25∶1，制得镁铋锡合金。
11.优选的，所述铋和锡以及镁块的纯度大于99.9％。
12.优选的，步骤(2)所述sf6与co2的体积比为40：1。
13.利用本发明所述加工方法获得一种镁铋锡合金，其平均晶粒尺寸为10.05～11.25μm，抗拉强度为273～282mpa，屈服强度为201.3～212.4mpa，伸长率为33.2～36.3％。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15.本发明以镁、铋、锡为原料，经过熔炼铸造、固溶处理、低温挤压，制备成低合金化高强韧性的镁合金。晶界通过阻碍位错运动，大大的增加了镁合金的强度。同时，《c a》位错的激活使镁合金的韧性大大提高。并且本发明相比于稀土镁合金和复杂而昂贵的韧性变形技术手段，具有成本低，工艺简单，流程短等优点，使得有一定的经济效益与应用潜力。
附图说明
16.图1为实施例2制得的镁铋锡合金的x射线衍射强度图谱；
17.图2为实施例2制得的镁铋锡合金的电子背散射衍射(ebsd)晶粒取向图；
18.图3为实施例2制得的镁铋锡合金的晶粒尺寸分布图；
19.图4为实施例2制得的镁铋锡合金的拉伸性能图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
21.实施例1
22.一种低合金化高强韧性的镁铋锡合金，其组成及其重量百分比含量为bi：0.3％；sn：0.3％，其余为镁以及无法避免的杂质。
23.一种低合金化高强韧性的镁铋锡合金的制备方法，包括以下步骤：
24.1)原料准备：镁块、铋颗粒、锡颗粒按照重量百分比含量配料，原料的纯度均为99.99％；
25.在本实施例1中，按下表1中将材料准备好，并用砂轮将镁块打磨光亮。将所有的原材料(mg、bi、sn)、浇注模具、精炼剂都放入干燥箱中进行干燥处理，至少在300℃放置半个小时。同时将坩埚、坩埚钳、搅拌棒的表面均匀刷涂料，涂料的配方如下表2所示。
26.表1化学物质材料质量、形状、纯度
27.化学物质材料质量(g)形状纯度(％)mg418.52固体块状99.99bi1.264固体颗粒状99.99sn1.264固体颗粒状99.99
28.表2涂料配方
29.滑石粉(g)水(ml)水玻璃(g)8025020
30.2)熔炼成锭：将步骤1)准备的原料加入熔炼炉中，在sf6与co2的混合保护气气氛中熔炼，然后浇铸成圆柱型铸锭；其中，sf6与co2的体积比为40：1；
31.在本实施例中，具体的熔炼过程采用以下步骤：
32.a、首先，将坩埚预热至300℃左右；然后，将坩埚放入电阻炉中加热到320℃，并保温半小时。先对坩埚预热，再对坩埚涂刷覆盖剂，直至内壁覆盖剂均匀。随即把已打磨、称好质量并且干燥后的镁块放在坩埚里，将镁块与坩埚一起放入电阻炉，向电阻炉通入保护气；然后，待电阻炉升温至715℃，保温30min，使镁块充分融化。将已干燥的bi、sn颗粒放入坩埚中，再加一块50g～80g的镁块，使加入的合金元素充分接触镁熔体；
33.b、将电阻炉升温至750℃，保温20min，使得bi、sn两种合金元素有足够长的时间在熔融的镁合金液中得到充分扩散，使合金成分均匀化；待保温结束后，将电阻炉温度降至740℃后，先进行扒渣处理，然后进行精炼。精炼时需要对合金液上下剧烈搅拌，同时缓慢加
精炼剂(精炼剂成分如下表3所示)，整个精炼过程维持1-2min；
34.c、因精炼后导致电阻炉炉温降低，所以需要把电阻炉重新升温至740℃，保温25min，保温结束后等待炉温降至710℃，再进行扒渣处理。随后开始往已预热金属模具中开始浇铸(模具预热温度为180℃)，浇铸时需一直通入保护气，最终铸成圆柱型的铸锭。
35.表3精炼剂的成分配比
36.主要成分mgcl2kclbacl2caf2百分比(％)464185
37.3)固溶处理：
38.固溶处理之前进行机械加工，随后进行二级固溶：先将固溶温度设定为320℃，保温时间为1h；之后再将固溶温度设定为500℃，保温时间为3h；固溶处理后进行水淬；
39.4)挤压处理：挤压前，先对于步骤3)固溶处理的试样在预磨机上进行砂纸打磨，使其表面光亮。待温度达到预设的挤压温度523k后，将步骤3)固溶处理后的试样打磨光亮并放入挤压模具，保温30min，保温结束后进行挤压，挤压参数：挤压温度为250℃，挤压速率为0.1mm/s，挤压比为25∶1。制成的合金平均晶粒尺寸(ags)为11.25μm，延伸率为33.2％左右，抗拉强度为273mpa，屈服强度为201.3mpa。
40.实施例2
41.一种低合金化高强韧的镁铋锡合金，其组成及其重量百分比含量为bi：0.5％；sn：0.5％，其余为镁以及无法避免的杂质。反应产物中各元素含量如图1中的xrd图谱所示，图1中纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角2θ，镁铋锡合金主要由
ɑ-mg相组成，几乎不存在mg2sn相和mg3bi2相。
42.一种低合金化高强韧镁铋锡合金的制备方法，其步骤与实施例1相同，区别仅在于原料中元素含量不同，即镁铋锡合金组成及其重量百分比含量为bi：0.5％；sn：0.5％，其余为镁以及无法避免的杂质。
43.如图2所示，镁铋锡合金为混晶组织。如图3所示，本实施例2制成的合金的平均晶粒尺寸(ags)为10.05μm。如图4所示，延伸率为36.3％左右，抗拉强度为282mpa，屈服强度为212.4mpa。
44.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。