CN102787287A

CN102787287A - 一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法

Info

Publication number: CN102787287A
Application number: CN2012102497166A
Authority: CN
Inventors: 杜军; 吕信裕; 李文芳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Dongguan magnesium magnesium alloy technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: CN102787287B

Abstract

本发明公开了一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法，包括将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭依次经过坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型。经本发明工艺制备的Mg₉₇ZnY₂合金与铸态相比其组织明显细化，强度性能显著提升。其中抗压强度从346MPa提升到487～534MPa，提高幅度约为40%～54%；而抗拉强度从157MPa提升到321～397MPa，提高幅度约为104%～152%，拉伸断裂应变从10.3%提高到12.7%～17.4%，提高幅度约为23%～71%。

Description

一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法

技术领域

本发明涉及一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法，涉及Mg₉₇ZnY₂(原子比)合金经切屑固化后挤压改善其强度性能的工艺方法，具体为将Mg₉₇ZnY₂坯锭切削加工制屑，然后经冷压密实、热压固结后再挤压成型制备合金棒料，从而显著改善该合金的强度性能。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，具有比重轻、比强度高、减振性好、电磁屏蔽性强、易于回收等优点，被认为是二十一世纪最富开发和应用潜力的“绿色工程”材料。但是，相对于钢铁材料，镁合金材料的力学性能还是较低，进一步提高其强度、塑性和韧性对于镁合金的推广运用非常重要。其中对镁进行稀土合金化处理是改善和提高镁合金力学性能的重要途径。2001年，日本研究者[Kawamura, et al. Materials Transactions, 2001, 42 : 1171]通过快速凝固粉末冶金方法制备出具有纳米晶结构的Mg₉₇Y₂Zn 合金，该合金具有极好的室温和高温抗拉强度，很高的塑性和高温稳定性。室温下其抗拉屈服强度达到480～610Mpa，延伸率5%～16%。室温屈服强度是商用AZ91-T6合金的4倍，也高于其他商用钛合金(Ti-6Al-4V)和商用铝合金(7075-T6)。其高温屈服强度在423 K时最高可达到510Mpa。经进一步研究表明，该合金中存在一种特殊的结构相—LPSO相（长周期堆垛结构），该合金相与基体Mg之间具有很好的共格关系，而且在快速凝固后粉末冶金成型后该合金相具有纳米尺度。因此，利用该方法制备的Mg₉₇Y₂Zn 合金具有很好的力学性能，并在保持高强度的同时具有良好的塑性和韧性。

LPSO相的形成是在一定的合金成分、温度、冷却速度等条件下，对于Re、Zn (Cu) 成分接近于一定原子比的无序固溶体（基体或第二相）中，当无序固溶体从高温缓冷到某一临界温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生有序化过程，形成有序固溶体。这种有序固溶体具有一种长周期有序堆垛结构，它包括成分有序化和堆垛层错有序化。对于Mg-Zn-Y合金，当其中Zn和Y原子比为1:2，且满足一定的凝固条件即可形成LPSO结构。据文献[高岩，等，.材料导报，2008，22（1）：94-98]，目前共有4种方法可制备含有LPSO结构的Mg₉₇ZnY₂合金：(1)快速凝固／粉末冶金(RS/PM)法；(2)熔体甩带(Melt-spun)法；(3)感应熔炼铜模铸造法；(4)普通铸造法。相对而言，普通铸造法是最易于实现且成本低廉的工艺方法，但是经该工艺制备的Mg₉₇Zn Y₂合金中其合金相粗大，且沿着晶界呈网状分布，不利于LPSO相发挥其强化作用，反而会削弱镁合金的力学性能，使得普通铸造法制备的Mg₉₇ZnY₂合金性能很低。如何进一步提高普通铸造法制备的Mg₉₇ZnY₂合金强度，发挥其合金相的强化功能，是此类合金强化的关键因素。

在切屑固态成型的工艺中，通常是用于废屑和边角料的回收处理。如公开号为CN1759946A的中国专利公开了一种镁合金废料的固态回收工艺，未涉及镁合金的强度提升与改善问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法，本发明提出对Mg-Zn-Y合金利用切屑固化后再挤压成型制备棒料以改善其强度性能的固态处理方法。基本过程为坯锭制屑、切屑冷压、热压固结、挤压成型等环节。基本原理为：具有网状结构且尺度粗大的合金相在切削加工、冷压固结过程中得到一定程度的细化，且基体晶粒会发生一定程度的塑性变形，而在随后的热压固结、特别挤压过程中合金相得到进一步细化，且基体会发生回复与再结晶过程中使得基体晶粒得以进一步细化，从而达到改善其力学性能的目的。在固态成型方法中，按一定的挤压比直接对坯锭进行挤压成型是工业生产中常用的方法，该方法可以在一定程度上改善其性能。但对于铸造成型的Mg₉₇ZnY₂合金，因其合金相呈网状分布且尺寸粗大，经普通的挤压成型易于产生裂纹，且合金相易于沿挤压方法呈方向性排列，产生纤维组织，不利于性能的改善。因此，本发明提出将坯锭首先制屑，并经冷压密实、热压固结后再挤压成型的固态处理工艺，可以在一定程度上克服现有技术存在的问题。

具体合金为经普通铸造法制备的Mg₉₇ZnY₂(原子比)合金坯锭。本发明首先是对坯锭制屑，然后对切屑进行冷压密实和热压固结，然后挤压成型制得合金棒料。本发明是基于加工过程中改善合金相的分布状态，细化合金相尺度，而基体相可以经过回复与再结晶过程实现晶粒尺度细化，从而最终达到改善合金强度的目的。

本发明的目的通过如下技术方案来实现。

为实现本发明，并保证所有实验样品的成分一致性，本发明实施过程中的所有实验样品均取自同一Mg₉₇ZnY₂合金坯锭。

一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法，包括将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭依次经过坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型。

所述坯锭制屑是将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭切削成切屑，切削参数优选为：刀具前角40～50°，切削速度40～60 r/min，切削厚度0.4～0.6mm。

所述切屑冷压是将切屑在600～1000MPa、常温下进行压制，保压时间2～5分钟。

所述热压固结是在400～1000 MPa下对切屑冷压的产品进行加热并保压，其中优选加热温度300～450℃、保压时间为10～30min。

所述的挤压成型是将热压固结的产品进行挤压成型，优选挤压比10:1～40:1、挤压温度为350～450℃、挤压压力为500～1200MPa。

在处理过程中需要取样进行组织观察和性能测试。其中性能测试包括拉伸和压缩性能，按国标GB/T2975分别加工成公称直径为6 mm的拉伸试样和公称直径为10 mm的压缩试样。根据应力-应变曲线可得相应的断裂强度和断裂应变，每组样品重复测试5次，取平均值即得强度值和断裂应变值。

本发明具有如下优点和有益效果：

经本发明制得的Mg₉₇ZnY₂合金棒料与其坯料相比，其合金相尺度明显细化，分布更加均匀。强度性能显著提升，其中抗压强度从346MPa提升到487～534MPa，提高幅度约为40%～54%；而抗拉强度从157MPa提升到321～397MPa，提高幅度约为104%～152%，拉伸断裂应变从10.3%提高到12.7%～17.4%，提高幅度约为23%～71%。

附图说明

图1 压制模具的主视图；

图2压制模具的俯视图；

图3为挤压底座的主视图；

图4为挤压底座的俯视图；

图5 铸态Mg₉₇ZnY₂合金光学微观组织图；

图6 铸态Mg₉₇ZnY₂合金XRD图谱；

图7铸态Mg₉₇ZnY₂合金压缩应力-应变曲线图；

图8 铸态Mg₉₇ZnY₂合金拉伸应力-应变曲线图；

图9挤压棒状Mg₉₇ZnY₂合金光学微观组织图；

图10 挤压棒状Mg₉₇ZnY₂镁合金XRD图谱；

图11 挤压棒状Mg₉₇ZnY₂合金压缩应力-应变曲线图；

图12 挤压棒状Mg₉₇ZnY₂合金拉伸应力-应变曲线图。

为更好地理解本发明的实施过程，下面介绍一下镁屑固态成型过程中所使用的模具结构特征。

图1、图2、图3和图4为实现本发明的固态处理方法所用的模具。本发明方法还可以采用现有技术中已有的模具，并不仅仅局限于本发明的模具。图1中，1为压缩轴的尾部、2为压缩轴的前部，3为两块垫片，4为底座。模具包括套管、压制底座、垫片，压缩轴和挤压底座；为方便压制或者挤压后底座从套管取出，底座与套管的连接方式为间隙配合连接，间隙度在10～20μm之间。压制底座的直径小于套管的内径1mm，垫片和挤压底座的直径经过研磨和套管的内径大小相当，挤压底座上开有直径小于垫片的通孔，压缩轴的前部伸入套管中，尾部置于套管外，在套管外壁预置一直径为7mm，深度为95mm的深孔放置热电偶，以控制处理过程中模具和样品的温度。经对比测试，深孔末端处的温度高于模具芯部的温度大约7～9℃。实验时把热电偶放进该深孔，从与热电偶相连的温控箱上直接读取热电偶的温度减去8℃就是压制材料的温度。把压缩轴设计成两段，是为了提高压缩轴抵抗压制过程中较大的压应力。两块垫片经过研磨与模具内壁间具有适当的配合，压制前首先将切屑放在两块垫片之间，然后进行压制。底座直径比模具外壁直径稍小，目的在于方便在热压固化完成时易于取出垫片。挤压底座留有一定直径的通孔，该通孔的直径分别为10mm、7mm和5mm，以实现不同的挤压比。整个实验过程包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结、挤压成型四个环节。利用普通车床对坯锭进行切削加工以制备切屑，然后将切屑置于模具两块垫片间，利用液压机进行冷压处理；在模具外面套一个加热炉对冷压固结样品加热，达到预定的温度时保温施加压力并保压，通过高温高压下的塑性流动与扩散粘结实现材料固结；热压固结后移掉底座，取出下端垫片，更换上挤压底座，加热到预定的温度进行挤压实验制备棒状材料。

具体实施方式

在陈述本发明的具体实施过程之前，首先给出普通铸造法制备的Mg₉₇ZnY₂合金坯锭和传统挤压成型法制备的Mg₉₇ZnY₂合金棒料的对比例，并测试其组织和性能。需要说明的是，对比例的目的仅仅在于更好地理解本发明的技术特点和有益效果。

对比例 1

实验材料为铸态Mg₉₇ZnY₂(原子比)合金，理论质量比为Mg-2.8%Zn-7.2%Y。利用普通铸造法制备获得直径为100mm的棒料。经分析测得该合金的实际成分如表1所示。光学显微组织如图2所示，可见其组织应主要由两相组成，其中呈不连续网状分布的应为合金相，而其余部分应为α-Mg相。经X射线衍射(XRD)分析(图3)，该合金主要由α-Mg和Mg₁₂ZnY相组成，而Mg₁₂ZnY即为具有LPSO结构的合金化合物，该化合物较为粗大且不连续地分布在晶粒晶界处，而α-Mg相的晶粒尺寸粗大。从铸态合金锭取样，分别进行常温压缩和拉伸性能测试，压缩应力-应变曲线如图4，而拉伸应力-应变曲线如图5。对五次测试结果取平均值可得铸态Mg₉₇ZnY₂(原子比)合金的压缩强度为346MPa；压缩断裂应变为24.7%；拉伸断裂强度为157MPa；拉伸断裂应变为10.3%。

表1 铸态Mg₉₇ZnY₂合金的实测成分

元素名称	钇（Y）	锌（Zn）	镁（Mg）
				元素含量（质量%）	6.89	3.06	90.04

对比例 2

从铸态坯锭取样，直径为32mm，然后直接挤压。直接放上挤压底座，把加工好的铸态坯锭放进模具，加上垫片在压机下挤压成棒状材料。实验参数：挤压温度410℃，挤压比10:1。Mg₉₇ZnY₂合金坯锭直接挤压成型后的棒状材料的力学性能与铸态相比得到一定程度提高。压缩强度为435MPa；压缩断裂应变17.2%；拉伸断裂强度245MPa；拉伸断裂应变12.7%。

为更好地理解本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，对比例和实施例并不是对本发明保护范围的限制。

实施例 1

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为600MPa，并保压2分钟；将模具和样品一同加热至400℃并保温，并施加压力800MPa，并保持20分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比10:1、挤压温度为400℃、挤压压力为800MPa。挤压后棒状材料的光学显微组织如图6，XRD图如图7，压缩实验曲线图如图8，拉伸实验曲线图如图9。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均是在同一模具中进行，如图1所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行压实。热压后让温度降到室温，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

经该实施例制备的合金样品光学显微组织如图9所示。从图中可以看出组织得到明显的细化。XRD分析物相表明该合金主要由α-Mg和Mg₁₂ZnY相组成，而Mg₁₂ZnY即为具有LPSO结构的合金化合物，该化合物较为粗大且不连续地分布在晶粒晶界处，与铸态金相组织相比，化合物相和α-Mg相的晶粒尺寸都得到显著细化。力学性能得到较大提高，压缩强度503 MPa，与原材料比较提高45%；压缩断裂应变13.4%，与原材料比较降低45%；拉伸强度为358 MPa，与原材料相比提高128%；拉伸断裂应变15.3%，与原材料相比提高48%。

实施例 2

本实施例的工艺流程与实施例1相同，其区别在于各工艺的参数不同。

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为800MPa，并保压3分钟；将模具和样品一同加热至350℃并保温，并施加压力400MPa，并保持30分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比10:1、挤压温度为400℃、挤压压力为800MPa。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均也是图所示的模具中进行，如图1所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行压实。热压后让温度降到室温，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

经该实施例得到的Mg₉₇ZnY₂合金组织与实施例1所获得的合金组织相近，而各项性能指标分别为：压缩强度496 MPa，与原材料比较提高43%；压缩断裂应变14.7%，与原材料比较降低40%；拉伸强度321 MPa，与原材料相比提高104%；拉伸断裂应变14.2%，与原材料相比提高37%。

实施例 3

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为1000MPa，并保压5分钟；将模具和样品一同加热至450℃并保温，并施加压力800MPa，并保持20分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比10:1、挤压温度为400℃、挤压压力为800MPa。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均是在同一模具中进行，如图所示1所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行压实。热压后让温度降到室温，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

实施例得到的Mg₉₇ZnY₂合金组织与实施例1所获得的合金组织相近，而各项性能指标分别为：压缩强度515 MPa，与原材料比较提高48%；压缩断裂应变14.3%，与原材料比较降低42%；拉伸强度345 MPa，与原材料相比提高119%；拉伸断裂应变15.6%，与原材料相比提高51%。

实施例 4

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为800MPa，并保压3分钟；将模具和样品一同加热至400℃并保温，并施加压力800MPa，并保持20分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比10:1、挤压温度为400℃、挤压压力为800MPa。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均是在同一模具中进行，如图1所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行压实。热压后让温度降到室温，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

该实施例得到的Mg₉₇ZnY₂合金组织与实施例1所获得的合金组织相近，而各项性能指标分别为：压缩强度487 MPa，与原材料比较提高40%；压缩断裂应变12.9%，与原材料比较降低47%；拉伸强度352 MPa，与原材料相比提高124%；拉伸断裂应变12.7%，与原材料相比提高23%。

实施例 5

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为800MPa，并保压3分钟；将模具和样品一同加热至400℃并保温，并施加压力800MPa，并保持20分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比25:1、挤压温度为350℃、挤压压力为1200MPa。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均是在同一模具中进行，如图所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行热压。热压后等温度降下来，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

经该实施例得到的Mg₉₇ZnY₂合金组织与实施例1所获得的合金组织相近，而各项性能指标分别为：压缩强度524 MPa，与原材料比较提高51%；压缩断裂应变12.8%，与原材料比较降低48%；拉伸强度386 MPa，与原材料相比提高146%；拉伸断裂应变16.8%，与原材料相比提高63%。

实施例 6

本实施例采用包括坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型等环节的固态处理工艺过程。具体处理工艺为(注意：此实施例可取各工艺参数的中间值)：将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭在普通车床上进行切削加工以制备切屑，切削参数为：刀具前角45°，切屑速度50 r/min，切屑厚度0.5mm；然后置入模具在常温进行压制密实，压力为800MPa，并保压3分钟；将模具和样品一同加热至400℃并保温，并施加压力800MPa，并保持20分钟，以实现合金的粘塑性结合与扩散粘结。最后对样品进行挤压成型，得到一圆柱棒料，其中挤压比45:1、挤压温度为450℃、挤压压力为500MPa。上述工艺中的切屑冷压密实、热压固结与挤压成型均是在同一模具中进行，如图1所示。装上底座和垫片，往模具里放入垫片后装进镁屑45g再放入另外一块垫片，装进压杠放在压机上进行冷压。冷压后，把加热炉套在模具外面加热，达到预定的温度保温进行压实。热压后让温度降到室温，移开加热炉，把整个模具放在一个刚圈上利用压机挤出下垫片，再把圆饼状热压合金挤进去换上挤压底座进行挤压，就可得到最终的棒状材料。

经该实施例得到的Mg₉₇ZnY₂合金组织与实施例1所获得的合金组织相近，而各项性能指标分别为：压缩强度534 MPa，与原材料比较提高54%；压缩断裂应变13.1%，与原材料比较降低47%；拉伸强度397 MPa，与原材料相比提高153%；拉伸断裂应变17.4%，与原材料相比提高69%。实施例得到样品的力学性能数据由表2所示。

表2 样品的力学性能

	抗拉强度(MPa)	拉伸断裂应变(%)	压缩强度(MPa)	压缩断裂应变(%)
					对比例1	157	10.3	346	24.7
对比例2	245	12.7	435	17.2
					实施例1	358	15.3	503	13.4
实施例2	321	14.2	496	14.7
					实施例3	345	15.6	515	14.3
实施例4	352	12.7	487	12.9
					实施例5	386	16.8	524	12.8
实施例6	397	17.4	534	13.1

Claims

1.一种改善Mg-Zn-Y合金强度性能的固态处理方法，其特征在于，包括将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭依次经过坯锭制屑、切屑冷压、热压固结和挤压成型。

2.根据权利要求1所述的固态处理方法，其特征在于，所述坯锭制屑是将Mg₉₇ZnY₂合金坯锭切削成切屑，切削参数为：刀具前角40～50°、切削速度40～60 r/min，切削厚度0.4～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的固态处理方法，其特征在于，所述切屑冷压是将切屑在600～1000MPa、常温下进行压制，保持2～5分钟。

4.根据权利要求1所述的固态处理方法，其特征在于，所述热压固结是在400～1000 MPa下对切屑冷压的产品进行加热并保压，其中加热温度300～450℃、保持10～30min。

5.根据权利要求1所述的固态处理方法，其特征在于，所述的挤压成型是将热压固结的产品进行挤压成型，挤压比10:1～40:1、挤压温度为350～450℃、挤压压力为500～1200MPa。