CN101348890A - 提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，将挤压塑性变形后的镁合金铸锭，在350℃～400℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；以及将经过前述技术方案处理后的变形镁合金，再加热至140℃～160℃时效，保温20～30小时，空冷至室温。本发明能在保证良好力学性能的同时成倍提高高强度变形镁合金的阻尼性能，成功解决了镁合金强度与阻尼性能的矛盾。经本发明所述的热处理工艺处理后的变形镁合金应用范围广泛，可满足高速列车、汽车、航空航天和国防军工等领域对高强高阻尼轻量化材料的实际需求。而且，本发明所用设备简单，成本较低，且容易操作。

Description

提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺

技术领域

本发明涉及变形镁合金材料的一种热处理工艺，特别涉及提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺方法。

背景技术

随着现代工业的迅猛发展，汽车、飞行器和机动武器等发展日趋轻量化、高速化和大功率化，由此引起的振动和噪声问题变得尤为突出。镁及镁合金具有密度低、比强度高、阻尼减振降噪能力强、导热和导电性能优异以及电磁辐射屏蔽能力强等一系列优点，可满足现代汽车、轨道交通、电子、通信、航空航天和国防军事工业等领域对轻量化、高速化、大功率化和节能降噪等的需求，因此高阻尼、高比强度的镁基功能结构一体化材料成为目前金属结构材料发展的一个重要方向。

目前，对提高镁合金强度的研究较多，而针对镁合金阻尼性能的研究相对较少，且由于镁及镁合金室温阻尼的产生主要是位错机制，因此普遍认为镁及镁合金的力学性能和阻尼性能是相互矛盾的。为此，迫切需要找到解决这一矛盾的方法。现在一般的思路是从高阻尼镁合金出发，通过添加合金元素和复合强化等手段来提高其力学性能，此类研究多集中于纯镁、镁锆合金、镁锰铜合金等高阻尼镁合金及其复合材料，但从目前的研究来看，仍然存在阻尼性能好但力学性能不够高、力学性能好但阻尼性能差或者工艺复杂性能不稳定等问题，不能满足工程应用的要求。如CN1888108(专利号为200610010326.8)公开了一种“高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法”，为了解决镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾，提出了向纯镁中添加固溶度小的铜和硅等合金元素，减少位错弱钉扎点的数量，提高阻尼性能。添加锆和锰等细化晶粒的合金元素，提高合金力学性能，不仅对铸锭进行常规热挤压，还进行强烈塑性变形(ECAP，MDF)，调整晶粒取向，并得到超细晶组织，同时提高强韧性和阻尼性能。但应该看到该技术并没有得到预想的效果，只能使得抗拉强度和屈服强度达到212MPa和135MPa，阻尼性能Q^-1达到0.023；而且还存在材料性能未通过工业化生产的检验，且工艺复杂等问题。

有鉴于此，本发明申请人考虑从目前商用的高强度变形镁合金入手，通过合适的热处理工艺来提高其阻尼性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺。经过所述热处理工艺，在保证良好力学性能的同时成倍提高高强度变形镁合金的阻尼性能，成功解决了镁合金强度与阻尼性能的矛盾。

本发明的目的是这样实现的：一种提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，其特征在于：将挤压塑性变形后的镁合金铸锭或镁合金材料经挤压成型后，在350℃～400℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温。

本发明提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，也可以是将挤压塑性变形后的镁合金铸锭或镁合金材料经挤压成型后，在350℃～400℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；然后再加热至140℃～160℃时效，保温20～30小时，空冷至室温。

另外，在上述两种方案中，对镁合金铸锭挤压塑性变形之前，还可以先进行均匀化处理，即在热处理炉中对镁合金铸锭进行均匀化处理，工艺参数为：温度350～400℃，时间8～20小时。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提高高强度变形镁合金阻尼性能的效果明显：挤压态的高强度变形镁合金通过本发明所述的热处理工艺，能在保证良好力学性能的同时成倍提高阻尼性能，解决了目前商用挤压态高强度镁合金由于阻尼性能较差，而限制其应用范围的问题。

2、与本发明相近的热处理工艺一般都是用于改善镁合金的力学性能，而本发明将其运用于改善镁合金的阻尼性能，并取得了良好的效果，使高强度变形镁合金的阻尼性能大幅度提升，而力学性能也得到了保证。

3、本发明适用面广：可适用于多种牌号的商用高强变形镁合金体系(如AZ系或ZK系等)。

4、本发明成本较低：所采用的热处理炉为常用设备，且工艺简单成熟，容易操作，故成本较低。

附图说明

图1为均匀化处理的AZ61镁合金铸锭挤压后的金相组织照片；

图2为均匀化处理的AZ61镁合金铸锭挤压后，经375℃固溶2小时，再水淬的金相组织照片；

图3为均匀化处理的AZ61镁合金铸锭挤压后，经375℃固溶2小时，然后水淬；再经160℃时效24小时，空冷后的金相组织照片；

图4为未均匀化处理的AZ61镁合金铸锭，挤压后的金相组织照片；

图5为未均匀化处理的AZ61镁合金铸锭，挤压后经375℃固溶2小时，再水淬的金相组织照片；

图6为未均匀化处理的AZ61镁合金铸锭，挤压后经375℃固溶2小时，然后水淬，再经160℃时效24小时，空冷后的金相组织照片；

图7为均匀化处理的ZK60镁合金铸锭，挤压后的金相组织照片；

图8为均匀化处理的ZK60镁合金铸锭，挤压后经400℃固溶3小时，再水淬的金相组织照片；

图9为均匀化处理的ZK60镁合金铸锭，挤压后经400℃固溶3小时；然后水淬，再经160℃时效24小时，空冷后的金相组织照片；

下面参照附图并结合具体实施例，进一步阐述本发明，应说明的是：这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下的实施例。

具体实施方式

实施例1：一种提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺方法，该热处理工艺包括以下步骤：

(1)采用的镁合金原料：使用普通商业AZ61高强度变形镁合金铸锭为原料，合金成分(重量百分含量)为：5.81％Al、0.55％Zn、0.29％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

(2)镁合金铸锭的均匀化处理：在热处理炉中进行镁合金铸锭的均匀化处理，工艺参数为：温度390℃，时间8小时。

(3)挤压塑性变形：将均匀化处理后的镁合金铸锭在挤压机上进行挤压，工艺参数为：挤压温度350℃，挤压比为11，挤压速度为5m/min，且速度恒定。

图1是AZ61变形镁合金铸锭，经挤压塑性变形后的金相组织照片。从图中可以看到，挤压态的镁合金在晶界和晶内分布有较多的β-Mg₁₇Al₁₂相，并且在变形比较严重的晶粒间还分布着细小的动态再结晶组织。经挤压后的AZ61变形镁合金在室温下的抗拉强度为320.0MPa，屈服强度为203.4MPa，延伸率为13.7％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能(以损耗正切表示)Q^-1＝0.033。

(4)固溶热处理工艺：将挤压塑性变形后的变形镁合金在375℃固溶，保温2小时，水淬至室温。

图2是挤压态AZ61变形镁合金经过固溶热处理工艺后的金相组织照片。与以上步骤(3)所述的挤压态镁合金相比，其β-Mg₁₇Al₁₂相得到较充分的溶解，而且得到了较均匀、长大的静态再结晶组织。经本发明工艺固溶后的AZ61变形镁合金，在室温下的抗拉强度为319.3MPa，屈服强度为212.6MPa，延伸率为15.7％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.101。

现在一般认为变形镁合金经固溶热处理后强度会下降，这是由于固溶热处理所导致的第二相溶解和晶粒长大的结果。经过理论分析和大量实验，本发明通过对固溶温度和时间的合理选择，使镁合金中第二相的溶解和晶粒大小达到一个良好的平衡，从而使阻尼性能相对于挤压态大幅提高(达到3倍以上)，而且力学性能还略有上升。这是传统工艺技术所不具备的。

实施例2：采用与实施例1同样的镁合金原料、镁合金铸锭均匀化处理、挤压塑性变形、固溶热处理工艺，而且工艺参数完全相同。所不同的是将实施例1所述的固溶热处理之后的变形镁合金再进行时效热处理，其工艺参数为：加热至160℃，保温24小时，空冷至室温。

经实施例2处理得到的AZ61变形镁合金，在室温下的抗拉强度为345.1MPa，屈服强度为236.0MPa，延伸率为12.0％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.092。

由于镁合金阻尼的产生主要是位错机制，因此普遍认为镁合金的力学性能和阻尼性能是相互矛盾的，即镁合金强度提高的同时往往会引起阻尼性能的明显下降。但本发明通过在固溶热处理的基础上，再选择合适的温度和时间进行时效热处理工艺，有效控制了第二相析出的形态、数量和分布，从而使力学性能相对于挤压态有明显提高，并且使阻尼性能也大幅提升(达到近3倍)，成功解决了镁合金力学性能与阻尼性能的矛盾。本发明在固溶热处理工艺基础上增加时效热处理工艺，虽会使工艺成本增加一些，但却能得到一种高强高阻尼的镁合金材料，以满足航空航天和国防军工的高端需求。

实施例3：与实施例1不同的只是没有实施镁合金铸锭的均匀化处理。本实施例所采用的镁合金原料、挤压塑性变形及固溶热处理工艺都与实施例1相同，工艺参数也一致。

本实施例中挤压塑性变形后AZ61变形镁合金的金相组织如图4所示，与图1对比可见，图4的晶粒较为细小，这是由于挤压前未进行均匀化处理所致。经挤压塑性变形后的AZ61变形镁合金在室温下的抗拉强度为311.9MPa，屈服强度为187.9MPa，延伸率为13.8％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.031。

本实施例中，经本发明固溶热处理工艺后的AZ61变形镁合金的金相组织如图5所示，由于没有实施均匀化处理，其晶粒较图2也细小些。经本发明工艺固溶后的AZ61变形镁合金在室温下的抗拉强度为313.8MPa，屈服强度为176.0MPa，延伸率为19.9％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.071。

虽然本实施例与实施例1相比，没有在挤压前进行均匀化处理。但经本发明所述的固溶热处理工艺处理后，AZ61变形镁合金仍能在保证良好力学性能的基础上成倍提高阻尼性能(是挤压态的2倍以上)。可见，无论镁合金铸锭在挤压前是否进行了均匀化处理，本发明所述的固溶热处理工艺都能达到良好效果。

实施例4：与实施例2不同的是没有实施镁合金铸锭的均匀化处理。但本实施例所采用的镁合金原料、挤压塑性变形、固溶热处理工艺和时效热处理工艺都与实施例2相同，工艺参数也一致。

本实施例中经时效热处理工艺后的AZ61变形镁合金的金相组织如图6所示，在晶界和晶内都有β-Mg₁₇Al₁₂相析出。经本发明工艺时效后的AZ61变形镁合金在室温下的抗拉强度为332.3MPa，屈服强度为199.3MPa，延伸率为17.4％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.054。

虽然本实施例与实施例2相比，没有在挤压前进行均匀化处理。但本发明所述的固溶+时效热处理工艺，仍使得AZ61变形镁合金力学性能相对于挤压态明显增加，并且阻尼性能也大幅提高(达到近2倍)，说明本发明所述工艺对挤压前没有实施均匀化处理的镁合金铸锭仍然有良好效果。

实施例5：使用普通商业ZK60高强度变形镁合金铸锭为原料，合金成分(重量百分含量)为：5.6％Zn、0.54％Zr、杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

本实施例采用与实施例1相同的镁合金铸锭的均匀化处理、挤压塑性变形和固溶热处理工艺。但挤压塑性变形和固溶热处理的具体工艺参数不同。本实施例中的挤压塑性变形的工艺参数为：挤压温度380℃，挤压比为11，挤压速度为5m/min，且速度恒定。本实施例中的固溶热处理工艺参数为：400℃固溶，保温3小时，水淬至室温。

图7是ZK60变形镁合金铸锭经挤压塑性变形后的金相组织照片。从图中可以看到，挤压后的晶粒变形较大，在晶界和晶粒处分布有较多的β相，并且在变形比较严重的晶粒间还分布着细小的动态再结晶组织。经挤压后的ZK60变形镁合金在室温下的抗拉强度为334.9MPa，屈服强度为246.6MPa，延伸率为12.7％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.022。

本实施例中经固溶热处理工艺后的ZK60变形镁合金的金相组织如图8所示，与图7相比，β相得到较充分的溶解，晶界变得细小，而且得到了较均匀、长大的静态再结晶组织。经本发明工艺固溶后ZK60变形镁合金在室温下的抗拉强度为328.0MPa，屈服强度为221.0MPa，延伸率为15.1％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.062。

通过以上实例结果可知，本发明所述的固溶热处理工艺，也能在保证良好力学性能的同时成倍提高ZK60变形镁合金的阻尼性能(是挤压态的近3倍)。因此，本发明所述工艺的适用面广，可适用于多种牌号的商用高强变形镁合金体系(如AZ系或ZK系等其他)。

实施例6：采用与实施例5同样的镁合金原料、镁合金铸锭均匀化处理、挤压塑性变形和固溶热处理工艺，而且工艺参数完全相同。所不同的只是将实施例5所述的固溶热处理之后的变形镁合金再进行时效热处理，其工艺参数为：加热至160℃，保温24小时，空冷至室温。

经实施例6处理得到的ZK60变形镁合金，在室温下的抗拉强度为329.0MPa，屈服强度为254.7MPa，延伸率为17.2％；在频率为1Hz、应变振幅为3.5×10^-3时，合金的阻尼性能Q^-1＝0.041。

通过以上结果可以看到，经过本实施例所述工艺后，ZK60镁合金的屈服强度和延伸率都有明显提高，而且阻尼性能也成倍增加(大约是挤压态的2倍)。说明本发明所述的固溶+时效热处理工艺对ZK60变形镁合金仍然有效。

表1上述实施例中高强度变形镁合金阻尼性能和力学性能比较

通过以上实施例及表1分析可知：普通商业高强度变形镁合金通过本发明所述的热处理工艺，能获得阻尼和力学性能均较好的高强度变形镁合金，成功解决了镁合金强度与阻尼性能的矛盾。经本发明所述的热处理工艺处理后的高强度变形镁合金应用范围广泛，可满足高速列车、汽车、航空航天和国防军工等领域对高强高阻尼轻量化材料的实际需求。而且，本发明所用工艺设备简单，成本较低且易于操作。

由于篇幅的原因，本发明仅以典型的高强变形镁合金AZ61和ZK60为实施对象，但并不排除本发明方法同样对其他类似的高强变形镁合金具有等同的效果；本发明所述工艺的适用面广，可适用于AZ系或ZK系等多种牌号的商用高强变形镁合金体系。

同样，对本发明固溶的温度、保温时间也不限于实施例的取值。固溶的温度根据高强变形镁合金体系的不同，可选350℃～400℃左右的任何值，如350℃、360℃、375℃、380℃或400℃等；保温时间也是根据高强变形镁合金体系的不同，可选2～4小时，如2小时、3小时、3.5小时或4小时等等。本发明工艺方法尤其适合经过挤压塑性变形后，抗拉强度为280～450MPa的高强度镁合金提高阻尼性能。

Claims (4)

1、提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，其特征在于：将挤压塑性变形后的镁合金铸锭，在350℃～400℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温。

2、提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，其特征在于：将挤压塑性变形后的镁合金铸锭，在350℃～400℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；然后再加热至140℃～160℃时效，保温20～30小时，空冷至室温。

3、根据权利要求1或2所述的提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，其特征在于：所述镁合金铸锭在挤压塑性变形之前，先经过均匀化处理，即在热处理炉中对镁合金铸锭进行均匀化处理，工艺参数为：温度350～400℃，时间8～20小时。

4、根据权利要求1或2所述的提高高强度变形镁合金阻尼性能的热处理工艺，其特征在对于：经过挤压塑性变形后的变形镁合金，为抗拉强度280～450MPa的高强度镁合金。

Images