CN102127723A - 一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法 - Google Patents

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一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，是将镁合金铸锭或热变形材切割成矩形块状，放入炉中加热至400～460℃保温1～15小时后水淬冷却，然后从300～460℃开始，依次沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向进行逐道次降温多轴压缩变形，每道次变形后降温10～120℃，控制道次真应变量为0.4～1，应变速率为10-4～10-1s-1，当累积真应变量大于等于3时，在100～250℃下时效0.5～10小时，或在时效前进行一定应变量的冷变形，获得抗拉强度大于450MPa，延伸率大于25％的高强度、高韧性镁合金。本发明工艺设计合理，设备要求简单，操作方便，克服了现有技术通过细化晶粒提高镁合金强度时延性大幅度降低的问题；有良好的工业应用前景。

Description

一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法
技术领域
本发明公开了一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，特指利用降温多轴变形以及人工时效处理制备高强度、高韧性镁合金。属于镁合金加工技术领域。
背景技术
镁合金作为密度最低的金属结构材料，具有高比强、高比模和电磁屏蔽等优点，在汽车、电子、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。但是，相对于钢铁而言，镁合金低的强度和硬度严重地限制了其使用范围，因此制备出高强度、高硬度的镁合金具有十分重要的意义。
目前国内外制备的高强镁合金主要是通过添加合金元素与细化晶粒这两条途径来实现的，虽然添加合金元素可以在一定程度上提高镁合金性能，但其生产成本高，并会对镁合金的回收再利用造成困难，因此，通过塑性变形细化晶粒来提高其强度受到广泛关注。大量研究表明采用剧烈塑性变形制备出的超细晶粒镁合金具有很高的强度，是一种有效的强化手段。但是大多数剧烈塑性变形后，镁合金的延性会大幅度降低，严重地影响其后续加工能力，而且镁合金因为室温塑性差，变形通常在200℃以上的温度进行，晶粒细化至1～2μm已达到极限，镁合金很难继续通过细化晶粒来提高其强度。因此，如何在保证镁合金较高韧性的前提下进一步提高其强度成为一道亟待解决的难题。
镁合金剧烈塑性变形后强度得到提高而延性大幅度降低是本领域长期以来迫切希望解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种加工工艺合理、设备要求简单，操作方便，通过降温多轴变形以及人工时效处理使得镁合金同时具备高强度和高韧性的方法。
本发明一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法采用下述技术方案实现的：
第一步：固溶处理
将镁合金铸锭或热变形材切割成矩形块状，加热到400～460℃，保温1～15小时后，出炉水淬，进行固溶处理；
第二步：降温多轴变形
将第一步所得矩形试件分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次降温多轴压缩变形；其中，道次真应变量为0.4～1，应变速率为10-4～10-1s-1；首次变形前试件在300～460℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低10～120℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为100～300℃，变形后水淬；
第三步：人工时效
将第二步所得的试件加热到100～250℃，保温0.5～10小时后水淬冷却，进行人工时效；或
将第二步所得的试件在室温下进行真应变量小于0.2的压缩变形后，再在100～250℃下保温0.5～10小时后水淬冷却，进行人工时效；即获得抗拉强度大于450MPa，延伸率大于25％的高强度、高韧性镁合金。
本发明一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法中，所述道次真应变量为0.6～0.9，应变速率为10-3～10-2s-1；首次变形前试件在350～420℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低20～100℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为150～250℃；所述人工时效温度为120～220℃，保温1～8小时。
本发明一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法中，所述道次真应变量为0.8，应变速率为10-2s-1；首次变形前试件在380～400℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低60～80℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为180～220℃，所述人工时效温度为150～200℃，保温2～8小时。
本发明一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法中，所述压缩变形采用液压机进行。
本发明一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，主要适用与Mg-Al-Zn系镁合金或稀土镁合金。
本发明由于采用多轴压缩变形，使镁合金内部不易产生强的织构，能够保证镁合金变形后具有较好的延性，而且降温多轴变形后不仅可以通过细化晶粒提高镁合金强度，还可以利用降温变形中的动态析出强化相与随后人工时效处理时的静态析出强化相来进一步提高其强度，从而在保证高延性的同时获得更高的强度。
本发明的优点和积极效果简述于下：
本发明采用镁合金铸锭或热变形材为原材料，将其切割成矩形块状，分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行逐道次降温多轴压缩变形，随后进行人工时效处理，可制备出具有高强度、高韧性的镁合金；具有如下优点：
1、采用降温多轴变形，可以更加迅速地细化镁合金晶粒。采用该方法不仅可以通过细化晶粒来提高镁合金强度，还可以利用降温变形中的动态析出强化相与随后人工时效时的静态析出强化相来进一步提高其强度。
2、镁合金在降温多轴变形中不容易形成强的织构，能够保证镁合金变形后具有较好的延性。
3、本发明工艺设计合理，设备要求简单，可制备出强度和延性综合机械性能优异的镁合金材料，有良好的工业应用前景。
综上所述，本发明工艺设计合理，设备要求简单，操作方便，可有效克服现有技术通过细化晶粒提高镁合金强度时存在的延性大幅度降低的问题；可制备出强度和延性综合机械性能优异的镁合金材料，有良好的工业应用前景。
附图说明
附图1(a)为本发明沿X、Y、Z轴方向进行降温多轴变形的原理示意图。
附图1(b)为本发明降温多轴变形的工艺曲线。
附图2为AZ61和AZ91镁合金不同道次降温多轴变形及人工时效后的硬度曲线。
附图3为本发明实施例1的AZ91镁合金降温多轴压缩变形8道次后(累积真应变量为3.2)，在220℃时效8小时后的组织。
附图4(a)为本发明实施例2的AZ61镁合金降温多轴压缩变形4道次后的金相组织(累积真应变量为4)。
附图4(b)为本发明实施例2的AZ61镁合金降温多轴压缩变形4道次后，在120℃时效3小时后的组织。
附图5(a)为本发明实施例3的AZ61镁合金降温多轴压缩变形5道次后的金相组织(累积真应变量为4)。
附图5(b)为本发明实施例3的AZ61镁合金降温多轴压缩变形5道次，再室温压缩至真应变量0.1后在150℃时效1小时后的组织。
附图6为本发明实施例3的AZ61镁合金降温多轴压缩变形5道次，再室温压缩至真应变量0.1后在150℃下的时效曲线。
其中：
附图2中，1-AZ61镁合金降温多轴压缩变形后的硬度曲线；2-AZ61镁合金降温多轴压缩变形+120℃，3h人工时效后的硬度曲线；3-AZ91镁合金降温多轴压缩变形后的硬度曲线；4-AZ91镁合金降温多轴压缩变形+220℃，8h人工时效后的硬度曲线；
附图3可以看出：AZ91镁合金降温多轴压缩变形8道次(累积真应变量为3.2)，并在220℃时效8小时后，组织中弥散地析出300～500nm的第二相粒子。该组织同时具备高的强度和延性，抗拉强度达498MPa，延伸率达26.2％。
附图4(a)可以看出：AZ61镁合金降温多轴压缩变形4道次后(累积真应变量为4)，晶粒细化至1～2μm，并伴随有少量第二相析出。
附图4(b)可以看出：AZ61镁合金降温多轴压缩变形4道次，在120℃时效3小时后，晶粒尺寸约为1～2μm，并有大量的第二相从晶界处析出。该组织抗拉强度达456MPa，延伸率达36.2％。
附图5(a)可以看出：AZ61镁合金降温多轴压缩变形5道次后(累积真应变量为4)，晶粒细化至1μm以下，并有少量第二相析出。
附图5(b)可以看出：AZ61镁合金降温多轴压缩变形5道次，再室温压缩至真应变量0.1后在150℃时效1小时，晶粒尺寸小于2μm，并有大量的第二相从晶界处析出。该组织抗拉强度达505MPa，延伸率达33.8％。
具体实施方式
下面，结合实施例，对本发明作详细介绍：
实施例1
将AZ91镁合金铸锭切割成矩形块状置于炉内加热到400℃保温12小时后水淬冷却，在380℃下保温8min后，将试件置于液压机的下平砧上，以X轴为压缩轴进行压缩变形，应变速率为10-3s-1；当X方向的真应变量达到0.4时，停止压缩并取出试件水淬，然后在260℃下保温8min，将试件旋转90度，以Y轴为压缩轴，再次压缩，当Y方向的真应变量达到0.4时，停止压缩并取出试件水淬，然后在240℃下保温8min，将试件旋转90度，以Z轴为压缩轴，再次压缩。当Z方向的真应变量达到0.4时，停止压缩并取出试件水淬，然后在230℃下保温8min，将试件旋转90度，以X轴为压缩轴，当X方向的真应变量达到0.4时，停止压缩并取出试件水淬。如此经过8次降温多轴变形后(累积真应变量为3.2)，在220℃下时效8小时。由附图3可看出，人工时效后镁合金中均匀、弥散地析出了尺寸为300～500nm的第二相粒子。结合附图2可知，此时镁合金的硬度达104Hv。经检测，其抗拉强度达498MPa，延伸率达26.2％。
实施例2
将AZ61镁合金挤压棒材切割成矩形块状置于炉内加热到450℃保温2小时后水淬冷却，在350℃下保温8min后，将试件置于液压机的下平砧上，以X轴为压缩轴进行压缩变形，应变速率为10-3s-1；当X方向的真应变量达到1时，停止压缩并取出试件水淬，然后在250℃下保温8min，将试件旋转90度，以Y轴为压缩轴，再次压缩。当Y方向的真应变量达到1时，停止压缩并取出试件水淬，然后在220℃下保温8min，将试件旋转90度，以Z轴为压缩轴，再次压缩。当Z方向的真应变量达到1时，停止压缩并取出试件水淬，然后在190℃下保温8min，将试件旋转90度，以X轴为压缩轴，当X方向的真应变量达到1时，停止压缩并取出试件水淬。如此经过4次降温多轴变形后(累积真应变量为4)，在120℃下时效3小时。由附图4可知，经降温多轴变形后镁合金晶粒细化至1～2μm，并伴随有少量第二相析出；人工时效后在晶界处继续析出第二相。结合附图2可知，此时镁合金的硬度达96Hv。经检测，其抗拉强度达456MPa，延伸率达36.2％。
实施例3
将AZ61镁合金挤压棒材切割成矩形块状置于炉内加热到460℃保温1.5小时后水淬冷却，在350℃下保温8min后，将试件置于液压机的下平砧上，以X轴为压缩轴进行压缩变形，应变速率为10-2s-1；当X方向的真应变量达到0.8时，停止压缩并取出试件水淬，然后在250℃下保温8min，将试件旋转90度，以Y轴为压缩轴，再次压缩。当Y方向的真应变量达到0.8时，停止压缩并取出试件水淬，然后在220℃下保温8min，将试件旋转90度，以Z轴为压缩轴，再次压缩。当Z方向的真应变量达到0.8时，停止压缩并取出试件水淬，然后在190℃下保温8min，将试件旋转90度，以X轴为压缩轴，当X方向的真应变量达到0.8时，停止压缩并取出试件水淬然后在170℃下保温8min，将试件旋转90度，以Y轴为压缩轴，再次压缩。当Y方向的真应变量达到0.8时，停止压缩并取出试件水淬。如此经过5道次降温多轴变形后(累积真应变量为4)，在室温下压缩至真应变量0.1，最后在150℃下时效2小时。由附图5可看出，降温多轴变形后，镁合金晶粒细化至1μm以下，并有少量第二相析出；人工时效后大量第二相从晶界处析出。由附图6可知，在此时效条件下的最佳时效时间为1～2小时，2小时时效后镁合金的硬度可达125Hv。经检测，其抗拉强度达505MPa，延伸率达33.8％。

Claims (4)

1.一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，采用下述技术方案实现：
第一步：固溶处理
将镁合金铸锭或热变形材切割成矩形块状，加热到400～460℃，保温1～15小时后，出炉水淬，进行固溶处理；
第二步：降温多轴变形
将第一步所得矩形试件分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次降温多轴压缩变形；其中，道次真应变量为0.4～1，应变速率为10-4～10-1s-1；首次变形前试件在300～460℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低10～120℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为100～300℃，变形后水淬；
第三步：人工时效
将第二步所得的试件加热到100～250℃，保温0.5～10小时后水淬冷却，进行人工时效；或将第二步所得的试件在室温下进行真应变量小于0.2的压缩变形后，再在100～250℃下保温0.5～10小时后水淬冷却，进行人工时效；即获得抗拉强度大于450MPa，延伸率大于25％的高强度、高韧性镁合金。
2.根据权利要求1所述的一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，其特征在于：所述道次真应变量为0.6～0.9，应变速率为10-3～10-2s-1；首次变形前试件在350～420℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低20～100℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为120～250℃，所述人工时效温度为120～220℃，保温1～8小时。
3.根据权利要求1所述的一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，其特征在于：所述道次真应变量为0.8，应变速率为10-2s-1；首次变形前试件在380～400℃下保温5～10分钟；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低60～80℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为180～220℃，所述人工时效温度为150～200℃，保温2～8小时。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，其特征在于：所述压缩变形采用液压机进行。
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