本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本高速擠壓鎂合金材料及其制備工藝。

背景技術(shù)：

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度和比剛度高、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性優(yōu)良、電磁屏蔽性能好、可回收等一系列優(yōu)點，被譽為“二十一世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”。近年來汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們對汽車節(jié)能、安全、環(huán)保意識的增強，使鎂合金在汽車等交通運輸領(lǐng)域越來越受關(guān)注。但是由于鎂合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其塑性加工性能較差，限制了其規(guī)模化應(yīng)用。

擠壓變形加工是一種細(xì)化材料晶粒和組織的有效熱加工方法；擠壓變形加工使材料在一次成形過程中承受較大的變形量，擠壓加工后不僅消除鑄錠中的氣孔、疏松和縮孔等缺陷，還改善擠壓產(chǎn)品性能，提高材料的強度與塑性，而且擠壓產(chǎn)品品種多、規(guī)格全，可以獲得板材、棒材、型材和管材。然而與鋁合金相比，鎂合金擠壓材生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重限制了其商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。生產(chǎn)相同規(guī)格的汽車用型材，鎂合金擠壓的成本甚至比鋁合金高3倍之多，這主要是鎂合金擠壓速度低所致。例如，典型商業(yè)鎂合金AZ31的擠壓出口速度在10-20m/min，是典型鋁合金的1/5-1/2，而具有較高強度的商業(yè)鎂合金AZ61、AZ80和ZK60合金的擠壓速度僅為典型鋁合金的1/10。所以通過提高擠壓速度的手段降低鎂合金擠壓材的生產(chǎn)成本，對推廣變形鎂合金的應(yīng)用，拓展市場尤為重要。

中國專利公開號CN101805866A公開了一種高速擠壓的變形鎂合金及其制備方法，該專利采用采用出口速度不小于15m/min的擠壓工藝生產(chǎn)，但該專利的擠壓材含有大量稀土金屬元素Ce和Y，導(dǎo)致材料密度較大，成本高。因此，中國專利公開號CN104032195A公開了一種高速擠壓含少量稀土元素的變形鎂合金，其化學(xué)成分為0.1～0.8wt.％Al，0.1～0.6wt.％Ca，0.1～0.6wt.％Mn，0.05～0.4wt. ％La，其余為Mg。該專利采用出口最高速度不小于20m/min的快速擠壓工藝生產(chǎn)，但是該專利中的擠壓材仍含有少量稀土元素La。

綜上所述，目前市場上，變形鎂合金種類甚少、而且擠壓速度低、價格居高、無法在航空航天、汽車、高鐵、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)高擠壓速度、且不含稀土元素及貴金屬元素的低成本鎂合金擠壓材及其加工制備工藝，降低變形鎂合金擠壓材的生產(chǎn)成本，對推廣變形鎂合金商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前商業(yè)鎂合金，如Mg-Al-Zn系及Mg-Zn-Zr系擠壓材的擠壓速度低、成本高的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本高速擠壓鎂合金材料及其制備工藝，該鎂合金材料中不含稀土元素及其它貴金屬元素，鎂合金擠壓材采用出口不小于24m/min的速度擠壓工藝生產(chǎn)，所得擠壓材表面光滑、無表面裂紋，同時擠壓材具有弱的非基面織構(gòu)，其最大極密度值≤4。本發(fā)明鎂合金擠壓材的合金元素的成本低，擠壓速度高，大大降低了擠壓材的成本，對推動變形鎂合金在航空航天、汽車、高鐵、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用有積極意義。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種低成本高速擠壓鎂合金材料，該鎂合金材料為Mg-Zn-Ca-Mn系合金，以重量百分比計，其化學(xué)成分為：Zn 0.1～0.9％，Ca 0.1～0.5％，Mn 0～0.5％，其余為Mg以及不可避免的雜質(zhì)；該鎂合金材料中，合金元素Zn、Ca和Mn元素的總含量≤1.5wt.％。

采取擠壓出口速度不小于24m/min的高速擠壓工藝制備鎂合金擠壓材。該鎂合金擠壓材的織構(gòu)為弱的非基面織構(gòu)，最大極密度值≤4；擠壓材表面光滑，無表面裂紋。

所述高速擠壓鎂合金材料采用熱擠壓工藝制備，其工藝具體包括如下步驟：

1)以純Mg錠、純Zn錠、純Mn錠(或Mg-Mn中間合金)以及純Ca(或Mg-Ca中間合金)為原料，按所需鎂合金擠壓材成分進行配料；

2)將合金原料放入熔煉爐的坩堝中熔化，制備成合金鑄錠；

3)將制備的合金鑄錠切割加工成擠壓坯料；

4)將擠壓坯料加熱到擠壓變形溫度250～500℃；

5)采用熱擠壓工藝加工成所需擠壓材，擠壓出口速度為24～100m/min，擠壓比為5～80。

上述步驟2)中，采用金屬模、砂型重力鑄造或半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)合金鑄錠。

上述步驟3)中，鑄錠切割加工前經(jīng)均勻化處理，均勻化處理工藝為：首先在350～400℃條件下保溫1～24h，然后升溫至420～480℃保溫1～24h。

本發(fā)明低成本高速擠壓鎂合金擠壓材的設(shè)計原理如下：

與鋁合金相比，擠壓速度低是導(dǎo)致鎂合金擠壓材生產(chǎn)成本高，難以商業(yè)化推廣的主要原因。商業(yè)鎂合金，如Mg-Al-Zn系及Mg-Zn-Zr系合金，不能實現(xiàn)高速擠壓，主要是因為高速擠壓過程中升高的溫度超出材料本身的固相線溫度，導(dǎo)致材料過熱或熔化，最終擠壓材產(chǎn)生表面裂紋。降低合金元素含量，尤其是減少能降低合金固相線溫度的元素含量是提高鎂合金擠壓速度的有效方法。因此，合金元素的選擇及含量的控制對鎂合金材料本身成本、熱擠壓性能及擠壓材的組織、織構(gòu)及性能起著決定性作用。

鎂合金中常用的合金化元素有Al、Zn、Ca、Mn、稀土元素等。為控制鎂合金的成本(合金材料、冶煉成本等)，應(yīng)避免添加稀土元素及其它貴金屬元素。然而，微量稀土元素的添加能產(chǎn)生明顯的織構(gòu)弱化效果，例如，經(jīng)軋制和擠壓變形后的含稀土鎂合金形成非基面織構(gòu)。特別是，擠壓織構(gòu)與典型的基面纖維織構(gòu)不同，形成平行于擠壓方向的<11-21>非基面織構(gòu)組分，這種織構(gòu)被稱為“稀土”織構(gòu)。這種具有非基面織構(gòu)的鎂合金在沿著擠壓方向受力時，其非基面織構(gòu)就有利于啟動大量的(0001)<11-20>基面滑移位錯和{10-12}<10-1-1>拉伸孿生，從而顯著提高其室溫塑性，同時改善拉壓屈服不對稱性。目前，稀土元素對鎂合金織構(gòu)弱化的機理研究尚不十分清楚。人們普遍認(rèn)為，由于稀土原子與Mg原子具有較大的原子半徑差，容易在晶界偏析，阻礙位錯和晶界遷移能力，從而影響再結(jié)晶過程中晶粒取向的變化，但尚無直接的證據(jù)去證明這一解釋。

與稀土元素類似，Ca元素的原子半徑也比鎂的大，因此猜想鎂合金中加入Ca元素也可能同樣能起到弱化織構(gòu)的效果。但是，我們的研究發(fā)現(xiàn)在Mg-Zn合金中加入Ca元素后，在低速擠壓加工后，由于形成未完全再結(jié)晶組織，保留了大量具有強基面織構(gòu)的變形組織，從而形成強烈的基面織構(gòu)。我們設(shè)想，在Mg-Zn-Ca合金中，若采取高速擠壓工藝生產(chǎn)，由于擠壓過程中形成的溫度和應(yīng) 變場的作用，可能改變Ca固溶原子與位錯、晶界等缺陷的交互作用或者會發(fā)生不同的變形機制(如二次孿生及剪切帶等)，從而影響擠壓的再結(jié)晶過程，最終可能導(dǎo)致擠壓材織構(gòu)的變化，甚至獲得弱的非基面織構(gòu)。

另一方面，Zn和Ca元素的加入會在擠壓過程中動態(tài)析出細(xì)小彌散的第二相。根據(jù)Zn/Ca比例，會析出Ca₂Mg₆Zn₃、Mg₂Ca及不同的MgZn相等，這些析出相具有較高的熔點，可避免擠壓過程中因溫度上升而發(fā)生熔化開裂，保證可以實施高速擠壓。而且這些析出相尺寸細(xì)小，在晶內(nèi)和晶界均勻析出，不會損害擠壓材室溫塑性，同時晶界上的析出相可以釘扎晶界，有效阻礙擠壓過程中晶粒的長大。此外，Mn是用來控制鎂合金中鐵含量，改善抗腐蝕性能的重要合金化元素，本發(fā)明中Mn元素可以有效細(xì)化擠壓變形后的晶粒尺寸、促進擠壓變形過程中細(xì)小第二相的析出。

綜上，本發(fā)明選擇價格便宜、成本低的常用合金元素Zn、Ca及Mn，且采用低合金化，添加量少，合金的Zn、Ca及Mn的含量均不超過1wt.％。低合金化是為了保證可以實施高速擠壓變形，從而降低鎂合金擠壓材的生產(chǎn)成本，同時可以降低擠壓變形過程中施加的載荷，減少對擠壓設(shè)備的損耗、節(jié)省設(shè)備的維護成本。另一方面，擠壓材要獲得優(yōu)良的成形性能，應(yīng)獲得弱的非基面織構(gòu)，且避免粗大脆性相形成，或者盡可能減少這些相的數(shù)量。因此，本發(fā)明Zn、Ca、Mn含量設(shè)計范圍分別為：Zn 0.1～0.9wt.％，Ca 0.1～0.5wt.％，Mn 0～0.5wt.％，而且合金元素總含量不超過1.5wt.％。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的鎂合金中不含稀土元素及其它昂貴金屬、且合金元素含量少，合金元素總含量最大不超過1.5wt.％，合金密度小、成本低；

2、本發(fā)明鎂合金擠壓材采用的擠壓出口速度不小于24m/min，擠壓生產(chǎn)效率高，降低了擠壓產(chǎn)品成本，且擠壓材表面光滑、無任何表面裂紋缺陷，保障了擠壓材成品率；

3、本發(fā)明高速擠壓變形后的鎂合金為弱的非基面織構(gòu)，有利于改善擠壓材室溫塑性、拉壓屈服不對稱性，提高其后續(xù)的塑性成形性能。

附圖說明

圖1為鎂合金高速擠壓加工后的宏觀形貌照片。

圖2為鎂合金擠壓加工后的擠壓方向反極圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。需強調(diào)的是，以下實施例僅用于說明本發(fā)明，而并不是對本發(fā)明的限定。

實施例1

1)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Ca-Mn經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為80mm×180mm×200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn：0.21％，Ca：0.30％，Mn：0.14％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在400℃保溫10h，隨之升溫至450℃保溫10h的均勻化處理，然后將均勻化處理的鑄錠切割成相應(yīng)的擠壓坯料；

3)將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度400℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱8min，擠壓坯料達到變形溫度400℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為60m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋，見圖1；擠壓材織構(gòu)為弱的非基面織構(gòu)，非基面織構(gòu)組分處于<2-1-12>和<2-1-11>取向之間，其最大極密度值為1.8，見圖2。

實施例2

1)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Ca-Mn經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為80mm×180mm×200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn：0.43％，Ca：0.14％，Mn：0.28％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在380℃保溫6h，隨之升溫至440℃保溫4h的均勻化處理，然后將均勻化處理的鑄錠切割成相應(yīng)的擠壓坯料；

3)先將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度300℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱5min，擠壓坯料達到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為60m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋，見圖1；擠壓材織構(gòu)為弱的非基面織構(gòu)非基面織構(gòu)，非基面織構(gòu)組分處于<2-1-14>和<2-1-12>取向之間，其最大極密 度值為2.3，見圖2。

實施例3

1)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Ca-Mn經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為80mm×180mm×200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn：0.53％，Ca：0.24％，Mn：0.27％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在400℃保溫12h，隨之升溫至450℃保溫12h的均勻化處理，然后將均勻化處理的鑄錠切割成相應(yīng)的擠壓坯料；

3)先將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度300℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱5min，擠壓坯料達到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為24m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋，見圖1；擠壓材織構(gòu)為弱的非基面織構(gòu)，非基面織構(gòu)組分處于<2-1-14>和<2-1-12>取向之間，其最大極密度值為2.3，見圖2。

實施例4

1)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Ca-Mn經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為80mm×180mm×200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn：0.71％，Ca：0.36％，Mn：0.07％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在400℃保溫12h，隨之升溫至450℃保溫12h的均勻化處理，然后將均勻化處理的鑄錠切割成相應(yīng)的擠壓坯料；

3)先將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度300℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱5min，擠壓坯料達到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為24m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋；擠壓材織構(gòu)為弱的非基面織構(gòu)，非基面織構(gòu)組分處于<2-1-14>和<2-1-12>取向之間，其最大極密度值為2.1，見圖2。

對比例1

設(shè)計實驗鎂合金成分和鑄造方法、坯料準(zhǔn)備工藝與實施例1相同；

1)先將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度300℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi) 加熱5min，擠壓坯料達到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為1.2m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋；擠壓材織構(gòu)為典型的強基面織構(gòu)，其基面組分平行于<10-10>取向，其最大極密度值為14，見圖2。

對比例2

設(shè)計實驗鎂合金成分和鑄造方法、坯料準(zhǔn)備工藝與實施例4相同；

1)先將擠壓模具加熱到擠壓變形溫度300℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱5min，擠壓坯料達到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為1.2m/min，擠壓比為20；

2)擠壓材表面光滑，無任何表面裂紋；擠壓材織構(gòu)為典型的強基面織構(gòu)，其基面組分平行于<10-10>取向，其最大極密度值為19，見圖2。

表1