本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低稀土含量的高速擠壓鎂合金變形材及其制備工藝。

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(qiáng)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(diǎn)，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”。近年來(lái)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們對(duì)汽車節(jié)能、安全、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，使鎂合金在汽車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域越來(lái)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)?；瘧?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(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(guò)提高擠壓速度的手段降低鎂合金擠壓材的生產(chǎn)成本，對(duì)推廣變形鎂合金的應(yīng)用，拓展市場(chǎng)尤為重要。

中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)cn101805866a)公開(kāi)了一種高速擠壓的鎂合金變形材及其制備方法，該專利采用出口速度不小于15m/min的擠壓工藝生產(chǎn)擠壓材。該專利的擠壓材含有比較多的稀土金屬元素ce和y。中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)cn104032195a)公開(kāi)了一種含少量稀土元素(la)的鎂合金高速擠壓變形材，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。該專利的合金為mg-al系合金，采用出口速度不小于20m/min的快速擠壓工藝生產(chǎn)擠 壓材。然而，這些專利都屬于mg-al系合金，而且其擠壓速度仍然比工業(yè)鋁合金的擠壓速度低，擠壓材的室溫塑性和后續(xù)成形性能也未考慮。

目前市場(chǎng)上，采用高速擠壓生產(chǎn)(>20m/min)鎂合金擠壓材的種類甚少、尚無(wú)高速擠壓的mg-zn系擠壓材；擠壓材的室溫塑性和室溫成形性能也未考慮，生產(chǎn)的擠壓材無(wú)法滿足航空航天、汽車、高鐵、3c產(chǎn)品等領(lǐng)域的大量需求。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)高擠壓速度生產(chǎn)的mg-zn系擠壓材及其制備工藝，豐富低成本鎂合金擠壓材的種類，對(duì)推廣變形鎂合金商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前商業(yè)鎂合金(如mg-al-zn系及mg-zn-zr系合金)以及現(xiàn)有專利報(bào)道的擠壓材的擠壓速度低、擠壓材的室溫塑性差，導(dǎo)致生產(chǎn)和應(yīng)用成本高的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種低稀土含量的高速擠壓鎂合金變形材及其制備工藝，該擠壓材采用出口速度不小于24m/min的擠壓工藝生產(chǎn)，所得擠壓材表面光滑、無(wú)任何表面裂紋，同時(shí)擠壓材具有弱基面織構(gòu)或弱非基面織構(gòu)，其最大極密度值≤4，優(yōu)化的成分可以使擠壓材的室溫延伸率≥25％。本發(fā)明鎂合金擠壓材含少量或微量稀土元素，擠壓速度高，擠壓材室溫延伸率高，大大降低了擠壓材的生產(chǎn)和應(yīng)用成本，對(duì)推動(dòng)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。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種低稀土含量的高速擠壓鎂合金變形材，所述鎂合金為mg-zn-re系合金，以重量百分比計(jì)，其化學(xué)成分為：zn0.1～2.0wt.％，re0.1～0.9wt.％，鎂含量為平衡余量，re為稀土元素；該鎂合金的化學(xué)成分優(yōu)選為(wt.％)：zn1.0～2.0wt.％，re0.3～0.9wt.％，鎂含量為平衡余量。

所述鎂合金變形材采用出口速度不小于24m/min的高速擠壓工藝制備獲得，所得鎂合金變形材(擠壓材)的表面光滑、無(wú)表面裂紋，其織構(gòu)為弱基面織構(gòu)或弱非基面織構(gòu)，最大極密度值≤4；當(dāng)采用優(yōu)選的鎂合金成分時(shí)，所得鎂合金變形材(擠壓材)織構(gòu)為弱非基面織構(gòu)，最大極密度值≤4，其室溫延伸率≥25％。

本發(fā)明上述低稀土含量的高速擠壓鎂合金變形材采用如下步驟進(jìn)行制備：

1)以純mg錠、純zn錠、純r(jià)e錠為原料，按所述鎂合金成分進(jìn)行配料；

2)將合金配料放入熔煉爐的坩堝中熔化，鑄造制備成合金鑄錠；合金鑄錠采用 金屬模、砂型重力鑄造或半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)；

3)將制備的鑄錠經(jīng)均勻化處理后加工成擠壓坯料，所述均勻化處理工藝為：處理溫度300～550℃，處理時(shí)間1～48h；

4)將擠壓坯料加熱到擠壓變形溫度250～550℃；

5)采用熱擠壓工藝加工成擠壓材，擠壓出口速度為24～70m/min，擠壓比為5～80。

本發(fā)明低稀土(re)含量的高速擠壓鎂合金變形材及其制備工藝的設(shè)計(jì)原理如下：

本發(fā)明通過(guò)在鎂合金中添加微量稀土元素，如gd、y、ce、la等，各成分在優(yōu)化的配比下可產(chǎn)生明顯的織構(gòu)弱化效果，合金經(jīng)軋制和擠壓變形后形成非基面織構(gòu)，有利于提高變形材料的塑性和后續(xù)成形性能。鎂合金中添加稀土元素后，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>織構(gòu)組分，當(dāng)沿著擠壓方向受力時(shí)，這種織構(gòu)就可以啟動(dòng)大量的(0001)<11-20>基面滑移位錯(cuò)和{10-12}<10-1-1>拉伸孿生，從而顯著提高擠壓材的室溫塑性，同時(shí)改善拉壓屈服不對(duì)稱性。常用的稀土元素在鎂中的固溶度都比較大，又都使變形材的織構(gòu)得到弱化，因此本發(fā)明不限定稀土元素。

對(duì)于第三種元素的選擇，由于al元素與稀土結(jié)合能力強(qiáng)，容易生成第二相，從而影響稀土元素re在鎂中的固溶度，會(huì)降低織構(gòu)弱化的效果。因此，本發(fā)明選擇鎂合金中另一個(gè)常見(jiàn)的合金化元素zn。而且由于zn具有較大的原子半徑，對(duì)鎂合金的固溶強(qiáng)化也會(huì)有很好的效果。

鎂合金擠壓的速度極限主要取決于擠壓機(jī)的最大噸位及合金本身的固相線溫度。在低溫?cái)D壓時(shí)，材料發(fā)生塑性變形所需載荷超過(guò)擠壓機(jī)最大噸位則不能擠壓。在高溫?cái)D壓時(shí)，擠壓模局部溫度超出合金本身固相線溫度時(shí)擠壓材表面發(fā)生熔化，后續(xù)產(chǎn)生裂紋。其中合金固相線溫度取決于合金元素的選擇以及合金元素含量。而添加大量zn元素會(huì)明顯降低mg-zn系合金的固相線溫度，因此zn含量不宜超過(guò)2.0wt.％。對(duì)于re含量，從控制合金成本，以及合金本身的高溫加工塑性變形能力及所得擠壓材的室溫塑性考慮，應(yīng)低于1.0wt.％。

研究發(fā)現(xiàn)mg-zn-gd合金較低速度擠壓(出口速度≤12m/min)后，形成的織構(gòu)包括基面織構(gòu)組分和非基面織構(gòu)組分，其中基面織構(gòu)組分強(qiáng)度大于非基面織構(gòu)組分?；婵棙?gòu)組分對(duì)擠壓材在后續(xù)使用過(guò)程中的變形過(guò)程占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致低壓擠壓材不具有高的室溫塑性，因此，設(shè)想，如果擠壓后獲得典型的非基面織構(gòu)，可有效提高擠壓 材室溫塑性及后續(xù)成形性能。

目前，稀土元素對(duì)鎂合金織構(gòu)弱化的機(jī)理研究尚不十分清楚。盡管尚無(wú)直接的證據(jù)去證明，但是人們普遍認(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(cuò)和晶界遷移能力，從而影響再結(jié)晶過(guò)程中晶粒取向的變化。因此，我們?cè)O(shè)想，如果高速擠壓過(guò)程中特定的溫度和應(yīng)變場(chǎng)，影響晶界的稀土原子偏聚，創(chuàng)造更加有利于稀土固溶原子與位錯(cuò)、晶界等缺陷的交互作用或者促使其發(fā)生不同的變形機(jī)制(如二次孿生及剪切帶等)，從而影響擠壓的再結(jié)晶過(guò)程，最終可能導(dǎo)致擠壓材織構(gòu)的變化，形成典型的弱的非基面織構(gòu)。

綜上，本發(fā)明zn、re含量設(shè)計(jì)范圍分別為：zn0.1～2.0wt.％，re0.1～0.9wt.％。本發(fā)明鎂合金合金元素含量低，采用高速擠壓變形，提高擠壓生產(chǎn)效率，從而降低鎂合金擠壓材的生產(chǎn)成本，同時(shí)不增加擠壓變形過(guò)程中施加的載荷，從而減少對(duì)擠壓設(shè)備的損耗、節(jié)省設(shè)備的維護(hù)成本。另一方面，微量稀土元素re的添加，在高速擠壓條件獲得弱基面織構(gòu)或弱非基面織構(gòu)，且根據(jù)zn/re比例不同，擠壓過(guò)程中析出二元mgre、三元mgznre等細(xì)小第二相，有利于實(shí)現(xiàn)室溫高塑性、提高后續(xù)成形能力。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明鎂合金中稀土元素re含量低，僅為0.1～0.9wt.％，優(yōu)化成分為0.3-0.9wt.％，有效控制了合金的密度和成本；

2、本發(fā)明鎂合金擠壓材采用的擠壓出口速度大于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(wú)任何表面裂紋缺陷，保障了擠壓材成品率；

3、本發(fā)明鎂合金高速擠壓材為弱基面織構(gòu)或弱的非基面織構(gòu)，最大極密度值≤4，擠壓材室溫延伸率高(≥25％)，有利于提高其后續(xù)的塑性成形性能。

附圖說(shuō)明

圖1為鎂合金擠壓材的宏觀形貌照片。

圖2為鎂合金擠壓加工后的擠壓方向反極圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。需強(qiáng)調(diào)的是，以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并不是對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

1)采用金屬模重力鑄造，mg-zn-re，re(稀土)為gd，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：0.20％，gd：0.12％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在450℃保溫10h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275℃，然后將擠壓坯料放入擠壓筒內(nèi)加熱5min，擠壓坯料達(dá)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(wú)任何表面裂紋，見(jiàn)圖1；擠壓材織構(gòu)為弱的基面織構(gòu)，其最大極密度值為3.1，見(jiàn)圖2；擠壓材室溫延伸率為15.1％，見(jiàn)表1；

實(shí)施例2

1)采用金屬模重力鑄造，mg-zn-re，re(稀土)為gd，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：1.58％，gd：0.52％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在480℃保溫12h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(dá)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(wú)任何表面裂紋，見(jiàn)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2.1，見(jiàn)圖2；擠壓材室溫延伸率為28.1％，見(jiàn)表1。

實(shí)施例3

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)鎂合金成分和鑄造方法、坯料準(zhǔn)備工藝與實(shí)施例2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(dá)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；

2)擠壓材表面光滑，無(wú)任何表面裂紋，見(jiàn)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2.2，見(jiàn)圖2；擠壓材室溫延伸率為32.9％，見(jiàn)表1。

實(shí)施例4

1)采用金屬模重力鑄造，mg-zn-re，re(稀土)為gd，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：1.65％，gd：0.78％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在480℃保溫12h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(dá)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(wú)任何表面裂紋，見(jiàn)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(jiàn)圖2；擠壓材室溫延伸率為31.8％，見(jiàn)表1；

對(duì)比例1

1)采用金屬模重力鑄造，mg-al-zn-mn(商業(yè)鎂合金az31)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al：3.18％，zn：1.00％，mn：0.06％，鎂含量為平衡余量；

2)將鑄錠在415℃保溫16h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(dá)到變形溫度300℃后高速擠壓加工成棒材，擠壓出口速度為12m/min，擠壓比為20；

4)擠壓材表面粗糙，存在微裂紋，見(jiàn)圖1；擠壓材織構(gòu)為基面織構(gòu)，其最大極密度值為3.9，見(jiàn)圖2；擠壓材室溫延伸率為14.8％，見(jiàn)表1；

表1