CN102337441B - 一种超高强稀土镁合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，它涉及一种镁合金板材及其制备方法。本发明要解决现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均匀、性能差问题。本发明超高强稀土镁合金板材按质量分数由2.0%～17.0%Gd、3.0%～18.0%Y、0.5%～3.5%Zn、0.1%～1.5%Zr和76.0%～94.0%Mg制备而成。方法：首先采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭，其次采用均匀化退火处理，并切割成轧制坯料，再次采用开坯轧制得到轧制后的板材；最后经时效处理得到超高强稀土镁合金板材。本发明主要用于制备超高强稀土镁合金板材。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金板材及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，具有比强度和比弹性模量高、阻尼吸震降噪性能优越、铸造成型性好、易于回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色结构材料”，具有广泛的应用前景。近年来，镁及其合金作为轻质结构材料引起了广泛的关注。在众多镁合金中，稀土镁合金具有良好的蠕变抗力，因此，大量的精力被用于研究如何提高稀土镁合金的强度。WE54合金是目前应用最广泛的含Nd和Y的商业高强镁合金。这种合金具有时效硬化的特点，并且薄片状的析出物在时效初期均匀的分布在基体中，从而获得高的蠕变抗力。近期发现在高温情况下含Gd和Y元素的镁合金具有比常规WE系镁合金更高的强度。Anthony et al.优化了Gd和Y在合金中的含量，发现Mg-2.1Gd-0.6Y-0.2Zr(at%)合金在峰值硬度条件下表现出强度、延伸率与蠕变抗力相协调的良好综合性能，此外，在Mg-Gd-Y-Zr合金中添加Zn元素，可以形成长周期堆垛结构(LPSO)，可以进一步提高合金的强度及高温稳定性，因此这种合金的力学性能要优于商业WE54镁合金，具有取代常规镁合金的潜力。
但是密排六方结构的镁具有较低的对称性，也导致了力学性能中很高的各向异性。室温下，基面滑移占主导，而柱面锥面等滑移系统由于高的临界剪切应力而较难开动。所以六方结构的镁合金的可加工性受到了限制，各向异性也比立方结构金属显著得多，并且添加稀土元素后，形成大量细小析出相，阻碍位错运动，增加了材料的加工难度。现有的轧制方法，一般单道次压下量≤15%，无法生产出晶粒细小、组织均匀的超高强镁合金板材，并且轧制过程容易开裂，限制了超高强镁合金板材的尺寸，严重影响了板材的应用。因此现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均匀、性能差问题。
发明内容
本发明要解决现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均匀、性能差问题，而提供一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法。
一种超高强稀土镁合金板材按质量分数由2.0%～17.0%Gd、3.0%～18.0%Y、0.5%～3.5%Zn、0.1%～1.5%Zr和76.0%～94.0%Mg制备而成，且超高强稀土镁合金板材中Gd与Y的质量分数之和为m，5.0%≤m≤20.0%。
一种超高强稀土镁合金板材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备稀土镁合金铸锭：首先按质量分数2.0%～17.0%Gd、3.0%～18.0%Y、0.5%～3.5%Zn、0.1%～1.5%Zr和76.0%～94.0%Mg配比材料，且配比的材料满足Gd与Y的质量分数之和为m， 5.0%≤m≤20.0%，然后采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料：将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在400℃～550℃下进行6h～24h的均匀化退火处理，然后将经过均匀化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm～300mm、宽度为60mm～500mm、长度为100mm～3000mm的轧制坯料；三、轧制：将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为300℃～500℃，预热时间为5min～120min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为200℃～500℃，首先以轧制速度为1～10m/min、单道次压下量为10%～30%进行1～5道次开坯轧制，每道次轧制结束后在200℃～500℃保温2min～60min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为1～10m/min、单道次压下量为30%～80%继续轧制，每道次轧制结束后在200℃～500℃保温2min～60min，最后一道次的压下量为40%～50%，且终轧后板材的累计变形量≥90%，将终轧后板材进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理：在150℃～400℃下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为0.05～300h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。
本发明的优点：一、本发明制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均匀；二、本发明制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知：抗拉强度为460MPa～520 MPa，屈服强度为360MPa～430MPa，延伸率为4%～20%。
附图说明
图1是对试验一步骤一至四得到产物进行性能测试得到的工程应变-工程应力曲线图，图中■表示步骤一得到稀土镁合金铸锭的工程应变-工程应力曲线图，图中●表示步骤二得到轧制坯料的工程应变-工程应力曲线图，图中▲表示步骤三得到轧制后板材的工程应变-工程应力曲线图，图中▼表示步骤一得到稀土镁合金板材的工程应变-工程应力曲线图；图2是试验一制备的稀土镁合金板材的1000倍光学显微组织；图3是对试验二步骤一至四得到产物进行性能测试得到的工程应变-工程应力曲线图，图中■表示步骤一得到稀土镁合金铸锭的工程应变-工程应力曲线图，图中●表示步骤二得到轧制坯料的工程应变-工程应力曲线图，图中▲表示步骤三得到轧制后板材的工程应变-工程应力曲线图，图中▼表示步骤一得到稀土镁合金板材的应变-应力曲线图；图4是试验二制备的稀土镁合金板材的1000倍光学显微组织。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种超高强稀土镁合金板材按质量分数由2.0%～17.0%Gd、3.0%～18.0%Y、0.5%～3.5%Zn、0.1%～1.5%Zr和76.0%～94.0%Mg制备而成，且超高强稀土镁合金板材中Gd与Y的质量分数之和为m，5.0%≤m≤20.0%。
本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均匀。
本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知：抗拉强度为460MPa～520MPa，屈服强度为360MPa～430MPa，延伸率为4%～20%。
具体实施方式二：本实施方式一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备稀土镁合金铸锭：首先按质量分数2.0%～17.0%Gd、3.0%～18.0%Y、0.5%～3.5%Zn、0.1%～1.5%Zr和76.0%～94.0%Mg配比材料，且配比的材料满足Gd与Y的质量分数之和为m，5.0%≤m≤20.0%，然后采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料：将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在400℃～550℃下进行6h～24h的均匀化退火处理，然后将经过均匀化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm～300mm、宽度为60mm～500mm、长度为100mm～3000mm的轧制坯料；三、轧制：将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为300℃～500℃，预热时间为5min～120min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为200℃～500℃，首先以轧制速度为1～10m/min、单道次压下量为10%～30%进行1～5道次开坯轧制，每道次轧制结束后在200℃～500℃保温2min～60min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为1～10m/min、单道次压下量为30%～80%继续轧制，每道次轧制结束后在200℃～500℃保温2min～60min，最后一道次的压下量为40%～50%，且终轧后板材的累计变形量≥90%，将终轧后板材进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理：在150℃～400℃下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为0.05～300h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。
本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均匀。
本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知：抗拉强度为460MPa～520MPa，屈服强度为360MPa～430MPa，延伸率为4%～20%。
采用下述试验验证发明效果：
试验一：一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备稀土镁合金铸锭：首先按质量分数8.3%Gd、3.8%Y、1.0%Zn、0.4%Zr和86.5%Mg配比材料，然后采用半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料：将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在510℃下进行12小时的均匀化退火处理，然后将经过均匀化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为30mm、宽度为120mm、长度为150mm的轧制坯料；三、轧制：将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为420℃，预热时间为40min， 然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为400℃，首先以轧制速度为7m/min、单道次压下量为20%进行1道次开坯轧制，每道次轧制结束后在420℃保温10min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为7m/min、单道次压下量为30%～80%继续轧制，每道次轧制结束后在420℃保温10min，最后一道次的压下量为50%，且终轧后板材的累计变形量96%，将终轧后板材采用20℃的水进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理：在200℃下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为28h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材采用20℃的水进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。
本试验步骤一所述的材料为2#镁锭、Mg-30wt%Gd中间合金、Mg-30wt%Y中间合金、1#锌锭和Mg-25wt%Zr中间合金。
在室温下对本试验每个步骤得到产物的性能测试，得到工程应力-工程应变曲线图，如图1所示，通过图1可知本试验步骤三制备的轧制后的板材抗拉强度为403MPa，屈服强度为318MPa，延伸率为13.7%；通过图1可知本试验步骤四最终制备的超高强稀土镁合金板材抗拉强度为517MPa，屈服强度为426MPa，延伸率为4.5%。
对本试验制备的超高强稀土镁合金板材采用光学显微观察，得到1000倍的光学显微组织，如图2所示，通过图2可知本试验制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均匀。
试验二：一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备稀土镁合金铸锭：首先按质量分数8.3%Gd、3.8%Y、1.0%Zn、0.4%Zr和86.5%Mg配比材料，然后采用半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料：将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在510℃下进行12小时的均匀化退火处理，然后将经过均匀化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm、宽度为120mm、长度为100mm的轧制坯料；三、轧制：将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为400℃，预热时间为25min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为400℃，首先以轧制速度为6m/min、单道次压下量为20%进行1道次开坯轧制，每道次轧制结束后在400℃保温7min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为6m/min、单道次压下量为30%～80%继续轧制，每道次轧制结束后在400℃保温7min，最后一道次的压下量为60%，且终轧后板材的累计变形量90%，将终轧后板材采用20℃的水进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理：在200℃下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为32h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材采用20℃的水进行淬火处理，即得到超高强稀土镁 合金板材。
本试验步骤一所述的材料为2#镁锭、Mg-30wt%Gd中间合金、Mg-30wt%Y中间合金、1#锌锭和Mg-25wt%Zr中间合金。
在室温下对本试验每个步骤得到产物的性能测试，得到工程应力-工程应变曲线图，如图3所示，通过图3可知本试验步骤三制备的轧制后的板材抗拉强度为393MPa，屈服强度为311MPa，延伸率为16.5%；通过图3可知本试验步骤四最终制备的超高强稀土镁合金板材抗拉强度为466MPa，屈服强度为405MPa，延伸率为2.8%。
对本试验制备的超高强稀土镁合金板材采用光学显微观察，得到1000倍的光学显微组织，如图4所示，通过图4可知本试验制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均匀。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤一中所述的材料为纯Mg锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、纯Zn锭、Mg-Zn中间合金和Mg-Zr中间合金。其它与具体实施方式二相同。
Claims (1)
1.一种超高强稀土镁合金板材的制备方法，其特征在于超高强稀土镁合金板材的制备方法是按以下步骤完成的：
一、制备稀土镁合金铸锭：首先按质量分数8.3%Gd、3.8%Y、1.0%Zn、0.4%Zr和86.5%Mg配比材料，然后采用半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料：将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在510℃下进行12小时的均匀化退火处理，然后将经过均匀化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为30mm、宽度为120mm、长度为150mm的轧制坯料；三、轧制：将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为420℃，预热时间为40min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为400℃，首先以轧制速度为7m/min、单道次压下量为20%进行1道次开坯轧制，每道次轧制结束后在420℃保温10min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为7m/min、单道次压下量为30%～80%继续轧制，每道次轧制结束后在420℃保温10min，最后一道次的压下量为50%，且终轧后板材的累计变形量96%，将终轧后板材采用20℃的水进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理：在200℃下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为28h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材采用20℃的水进行淬火处理，即得到高抗拉强度、高延伸率稀土镁合金板材；步骤一所述的材料为2#镁锭、Mg-30wt%Gd中间合金、Mg-30wt%Y中间合金、1#锌锭和Mg-25wt%Zr中间合金。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130605 Termination date: 20131027 |