CN101857933A - 一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺，属于金属材料技术领域。该镁合金为Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范围为：锌0～5％；稀土RE 0.1～10％；镁含量为平衡余量。采用金属模、砂型重力铸造或半连续铸造方法生产铸锭，铸锭经均匀化退火处理后铣面，保温后开始轧制，将10～600毫米厚的板材轧制成0.1～5毫米的薄板，并进行热处理。轧制后或轧制+退火后板材沿轧制方向的伸长率δ≥30％，沿横向的伸长率≥36％。制备的板材具有较弱的基面织构、低的各向异性(平均各向异性因子在0.8～1.3之间)和较高的硬化指数(0.2～0.4)，保证了其具有良好的室温成形性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺，属于金属材料技术领域。具体是根据稀土元素(Gd或Y)对织构的弱化作用，向镁或镁锌二元合金中添加适量稀土并通过Zr或Mn细化铸锭组织，控制随后的热轧制工艺和热处理工艺来制备具有弱的基面织构、高的塑性和低的各向异性的镁合金薄板的加工技术，提高镁合金板材室温和低温塑性和成形性能。
背景技术
镁合金具有比重小、比强度高、高阻尼、高导热性以及减震性好、易于回收等优点越来越受到市场的青睐，尤其是，镁合金板材正在日益广泛地大量应用于汽车、航空航天和3C等工业领域。
镁合金板材主要用于二次加工来成型零件，二次成形工艺包括冲压、冲锻等，这些工艺具有较高的生产效率。镁的晶体属于密排六方结构，室温(和低温)滑移系少，导致室温和低温塑性比较差，工业用AZ31合金板材的室温纵向和横向塑性一般在15～25％，并且存在各向异性，平均各向异性因子一般大于2.5，横向塑性高于纵向塑性，应变硬化因子小于0.15，在室温和低温下加工成形的塑性不足，成形困难。因此，二次加工需要在高温或中温进行才能保证成形的流动性和稳定性，生产效率低，生产成本高。所以，开发具有室温(或低温)高塑性的适合室温(或低温)成型的镁合金板材对扩大镁合金的应用规模具有重要意义，成为目前镁合金板材开发的重点之一。
镁合金板材制备的最经济和高效的方式之一是热轧法，可以生产宽幅的薄板，通过反复轧制及热处理，可以获得晶粒细小、组织均匀，获得高强度、高塑性甚至在适当温度和应变速率条件具有的超塑性的镁合金板材。但是，现有商业镁合金板材在制备过程中会形成强烈的基面织构和组织性能的各向异性，这些特征引起其后续二次加工过程中流动应力高以及塑性流动稳定性差等缺点，无法在室温和低温进行二次加工成形；而且，由于各向异性引起镁合金板材强度和塑性强烈的拉压不对称性会导致其室温和低温弯曲过程中压缩一侧产生裂纹，使成形的零件报废。研究表明，基面织构较弱的镁合金板材在中低温条件下具有高的应变硬化速率(指数)，从而能够保证塑性流动的稳定性来获得较高的塑性。因此，可以通过优化板材的织构来提高镁合金的成形性能，织构组分中基面织构越弱，板材的可成形温度越低，成形性能越好。
基面织构的弱化与第二相颗粒促进的再结晶形核(Particle Stimulated Nucleation，PSN)有关，利用PSN已经在铝合金中成功弱化了材料的织构，并开发出新的具有高成形性能的铝合金。这种弱化材料织构的方法对开发高塑性的镁合金具有更积极的意义。根据镁合金的相平衡热力学原理和相图，设想通过添加稀土元素如Y、Nd，Gd等，获得含有细小的第二相颗粒的组织，通过轧制后退火，形成具有弱基面织构的镁合金板材，降低板材的各向异性、高的应变硬化指数、拉压不对称性以及保证二次加工过程中塑性流动的稳定性，提高板材的塑性及二次成形性能。
所以，要开发具有高塑性的能够实现室温(或低温)成形的镁合金板材，就需要通过设计新型的合金成分，并采用优化的热轧制工艺、中间退火和轧制后的最终退火工艺等技术来细化晶粒、获得均匀组织并调控织构，制备出低各向异性和弱织构、高应变硬化指数的具有高塑性的镁合金板材。
发明内容
针对目前镁合金板材存在的室温塑性差、各向异性大、应变硬化指数低的缺点，本发明提供一种高塑性、弱基面织构和低各向异性、具有室温成形性的新型镁合金的成分及其板材制备的轧制工艺，该工艺制备的镁合金板材具有弱的基面织构、高的应变硬化指数和低的各向异性因子，室温伸长率30～45％，其中沿横向和纵向分别为30～40％和35～45％。
本发明的技术方案是：
一种高塑性、低各向异性镁合金，该镁合金为Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范围为：锌0～5％；稀土RE 0.1～10％；镁含量为平衡余量。
本发明镁合金中，还可以含有0.01～1.0％的Zr元素，其优选范围为0.3～0.6％。
本发明镁合金中，还可以含有0.01～3％的Mn元素，其优选范围为0.5～1％。
本发明镁合金中，锌含量的优选范围为0.6～3％。
本发明镁合金中，稀土为稀土元素中的一种或两种以上的混合物，其优选范围为0.8～2％。
一种高塑性、低各向异性镁合金板材的热轧制工艺，具体步骤如下：
1)采用金属模、砂型重力铸造或半连续铸造方法生产圆或方铸锭；
2)将铸锭在300～550℃保温1～50小时的均匀化退火处理后铣面，将铣面后的坯料在300～550℃保温；将轧辊预热到室温～320℃，开始轧制，每道次的压下量为1～50％，每轧制1～6道后回炉加热到温后保温1～180分钟再继续轧制，最后一道的压下量为5～50％，总压下量80～90％；
优选的参数范围如下：
将铸锭在400～500℃保温10～16小时后铣面，将铣面后的坯料在350～450℃保温；将轧辊预热到75～150℃，开始轧制，每道次的压下量为15～30％，每轧制2～5道后回炉加热到温后保温10～20分钟再继续轧制，最后一道的压下量为10～20％，总压下量80～90％。
3)轧制后的板材在200～450℃保温0.5～50小时进行退火处理，随后进行产品切边、覆塑料保护膜或表面化学处理并包装。
优选的参数范围如下：
轧制后的板材在300～400℃保温0.5～3小时进行退火处理。
本发明具有如下优点：
1、本发明开发了一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺，该工艺简单，易于控制。该工艺制备的板材具有较弱的基面织构、低的各向异性、高的应变硬化速率，室温伸长率达到30～45％，可以满足板材的室温成型要求。
2、本发明制备工艺包括铸锭轧制前的均匀化处理、轧制工艺和轧制后的退火工艺等，最终将10～600毫米厚的板材轧制成0.1～5毫米的薄板。轧制后，或轧制+退火后，板材沿轧制方向的伸长率δ≥30％，沿横向的伸长率≥36％；制备的板材具有较弱的基面织构、低的各向异性(平均各向异性因子在0.8～1.3之间)和较高的硬化指数(0.2～0.4)，保证了其具有良好的室温成形性能。
附图说明
图1(a)-(b)为轧制板材组织和轧制板材退火后组织图。其中，(a)ZG11轧制板材组织；(b)ZG11轧制板材退火后组织。
图2为ZG11、ZG21、ZW21三种合金轧制板材宏观图。
图3为ZG21轧制板材组织图。
图4为轧制板材退火后基面(0002)织构。其中，(a)ZG11合金，MAX.2.9表示最大相对强度为2.9；(b)ZG21合金，MAX.4.7表示最大相对强度为4.7；(c)ZW21合金，MAX.2.9表示最大相对强度为2.9。
图5(a)-(b)为轧制退火处理后板材沿(a)轧制方向和(b)横向的力学性能。其中，图5(a)轧制方向；图5(b)横向。
具体实施方式
实施例1
1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Gd经常规的镁合金熔炼浇注为150mm×200mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：1.1％，Gd：0.9％，镁含量为平衡余量，简写为ZG11；
2)将铸锭在450℃保温10小时均匀化处理后，将铸锭切为150mm×100mm×20mm的坯料并铣面，将铣面后的坯料在450℃保温待轧；轧辊温度为室温25℃，开始轧制，第一道次的压下量为20％，随后每道的压下量为18％，每轧制两道后回炉加热到温后保温5～10分钟取出继续轧制，直到板材厚度为3mm，总压下量85％，由于发生了完全动态再结晶板材具有均匀细小的晶粒尺寸，见图1(a)；
3)轧制后的板材进行350℃保温1小时的退火处理，仍然是均匀的等轴晶组织，见图1(b)，随后进行产品切边、覆塑料保护膜并包装。
4)参考国标GB 6397-86的§3.6.2对于板材试样的规定制备的板材的拉伸力学性能样品，板材在热处理退火后的基面织构及力学性能分别见附图4(a)、附图5(a)-(b)。轧制的ZG11板材沿轧制方向的抗拉强度≥225MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥32％；沿横向的抗拉强度≥224MPa，屈服强度≥105MPa，伸长率≥36％。板材及AZ31的各向异性因子及硬化速率指数分别见表1和表2，前者比商业AZ31镁合金板材小，后者比AZ31高。
实施例2
1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Gd经常规的镁合金熔炼浇注为150mm×200mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：2.1％，Gd：0.9％，镁含量为平衡余量，简写为ZG21；
2)将铸锭在420℃保温10小时均匀化处理后，将铸锭切为150mm×100mm×20mm的坯料并铣面，将铣面后的坯料在400℃保温待轧；将轧辊预热到100℃，开始轧制，第一道次的压下量为20％，随后每道次的压下量为15％，每轧制两道后回炉加热到温后保温5～10分钟继续轧制，直到板材厚度为3.2mm，总压下量84％，板材表面无任何裂纹，见图2，具有很好的可轧性；
3)轧制后的板材在320℃保温3小时的退火处理，组织见图3，随后进行产品切边、覆塑料保护膜并包装。
4)参考国标GB 6397-86的§3.6.2对于板材试样的规定制备的板材的拉伸力学能样品，板材在热处理退火后力学性能见附图4(b)。ZG21轧制板材沿轧制方向的抗拉强度≥235MPa，屈服强度≥148MPa，伸长率≥34％；沿横向的抗拉强度≥203MPa，屈服强度≥95MPa，伸长率≥45％。板材及AZ31的各向异性因子及硬化速率指数分别见表1和表2。前者比商业AZ31镁合金板材小，后者比AZ31高。
实施例3
1)采用金属模重力铸造，Mg-Zn-Y经常规的镁合金熔炼浇注为150mm×200mm×200mm的铸锭，合金成分重量百分比为Zn：2.0％，Y：1.1％，镁含量为平衡余量，简写为ZW21；
2)将铸锭在450℃保温10小时均匀化处理后，将铸锭切为150mm×100mm×20mm的坯料并铣面，将铣面后的坯料在450℃保温待轧；将轧辊预热到25℃，开始轧制，第一道次的压下量为18％，，随后每道的压下量为18％，每轧制两道后回炉加热到温后保温5～10分钟继续轧制，直到板材厚度为3mm，总压下量85％；
3)轧制后的板材在350℃保温1小时进行退火处理，随后进行产品切边、覆塑料保护膜并包装。
4)参考国标GB 6397-86的§3.6.2对于板材试样的规定制备的板材的拉伸力学能样品，合金在热处理退火后力学性能见附图4(c)。ZW21轧制板材沿轧制方向的抗拉强度≥235MPa，屈服强度≥157MPa，延伸率≥28％；沿横向的抗拉强度≥226MPa，屈服强度≥104MPa，伸长率≥35％。板材及AZ31的各向异性因子及硬化速率指数分别见表1和表2。前者比商业AZ31镁合金板材小，后者比AZ31高。
表1.轧制板材的各向异性因子
| 合金 | rRD | r45 | rTD | ravg | Δr |
| ZG11 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 0.96 | 0 |
| ZG21 | 1.1 | 1.4 | 0.6 | 1.1 | -0.56 |
| ZW21 | 1.0 | 1.0 | 0.7 | 0.93 | -0.16 |
| AZ31 | 1.2 | 2.0 | 3.2 | 2.1 | - |
表1中，rRD沿轧制方向的各向异性因子；r45代表沿与轧制方向成45度的各向异性因子；rTD代表沿横向的各向异性因子；ravg代表平均各向异性因子；Δr代表平面各向异性因子。
表2.轧制板材沿不同方向的硬化因子
| 合金 | RD | 45 | TD |
| ZG11 | 0.25 | 0.34 | 0.37 |
| ZG21 | 0.25 | 0.31 | 0.42 |
| ZW21 | 0.24 | 0.32 | 0.40 |
| AZ31 | 0.14 | - | - |
| ZM21 | 0.213 | - | 0.185 |
表2中，RD代表轧制方向；45代表与轧制方向成45度的方向；TD代表横向。
Claims (10)
1.一种高塑性、低各向异性镁合金，其特征在于：该镁合金为Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范围为：锌0～5％；稀土RE 0.1～10％；镁含量为平衡余量。
2.按照权利要求1所述的镁合金，其特征在于：该镁合金还含有0.01～1.0％的Zr元素。
3.按照权利要求1所述的镁合金，其特征在于：该镁合金还含有0.01～3％的Mn元素。
4.按照权利要求1所述的镁合金，其特征在于：该镁合金中，稀土RE为稀土元素中的一种或两种以上的混合物。
5.一种高塑性、低各向异性镁合金板材的热轧制工艺，其特征在于：采用金属模、砂型重力铸造或半连续铸造方法生产铸锭，铸锭经均匀化退火处理后铣面，保温后开始轧制，将板材热轧成板厚0.1～5mm的板材，退火处理后产品经切边、覆塑料保护膜或化学处理，包装。
6.按照权利要求5所述的热轧制工艺，其特征在于：铸锭均匀化退火处理温度300～550℃，保温时间为1～50小时。
7.按照权利要求5所述的热轧制工艺，其特征在于：铸锭经铣面后，开始轧制温度为300～550℃，轧辊预热温度为室温～320℃。
8.按照权利要求5所述的热轧制工艺，其特征在于：轧制时，每道的压下量为1～50％，最后一道的压下量为5～50％，总压下量80～90％。
9.按照权利要求8所述的热轧制工艺，其特征在于：每轧制1～6道后回炉加热，加热温度为320～500℃，到温后保温1～180分钟再进行轧制。
10.按照权利要求5所述的热轧制工艺，其特征在于：轧制后，退火温度为200～450℃，时间为0.5～50小时。
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