CN102978552B - 铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法 - Google Patents
铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，步骤是：(1)铸态组织均匀化处理；(2)多向锻造阶梯温度反复预变形；(3)模锻热成形；(4)模锻冷整形；(5)人工时效热处理；(6)人工时效冷处理。本发明利用多向锻造阶梯温度反复预变形细化晶粒后，大幅度提高性能，再结合热模锻和冷模锻的工艺进行成形，使成形零件各部位的组织和性能相接近，避免了采用挤压工艺时零件存在各向异性的缺点，采用较小的设备就可以成形出高强度的耐热镁-钆-钇-钕-锆(Mg-Gd-Y-Nd-Zr)镁合金零件，节省能源；解决铸造的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金晶粒粗大，成形性能低的问题，实现了Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金成形与强韧化的协调统一，提高了产品性能。
Description
技术领域
本发明涉及稀土镁合金构件的塑性变形方法，特别是铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土镁合金构件的塑性变形方法。
背景技术
镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点，也有电磁屏蔽性好以及良好的切削加工性能、充型流动性等优点。但是一般镁合金的高温强度低、耐热性差，当温度升高，特别是在573～723K时，镁合金的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件材料在航天、航空和汽车等对节能减排有迫切要求的领域中得到应用。稀土元素具有特殊的价电子结构，一些重稀土元素在镁中具有较大的固溶度，能形成有效的强化相，具有显著时效强化特性，可大幅度提高镁合金的室温和高温力学性能。因此，高性能稀土镁合金的研究成为镁合金发展的重要方向。
常用的耐热镁合金系列有很多，其中Mg-RE(镁-稀土)系合金耐热性能最好。对Mg-Gd(镁-钆)系合金的研究始于20世纪80年代，研究发现含有Y(钇)和重稀土元素Gd(钆)的镁合金具有优异的力学性能、抗高温蠕变性能以及耐腐蚀性能，作为一种轻质结构材料，已经在航空航天和高性能赛车领域得到成功的应用。目前含稀土元素Y、Nd(钇、钕)的WE43(镁-4.0％钇-3.3％钕-0.5％锆)，WE54(镁-5.1％钇-3.3％钕-0.5％锆)合金是国外使用较多的耐热镁合金，其耐热温度可达350℃。Drits(多瑞特(中文音译人姓名))等提出Mg-Gd(镁-钆)系合金中添加Y能够进一步提高合金的高温性能；日本长岗技术科学大学的Anyanwu(安彦武(中文音译人姓名))等于2001年试制出Mg-Gd-Y-Zr(镁-钆-钇-锆)系合金，它具有非常优秀的力学性能和高温强度，其性能明显优于WE54和WE43合金，具有广阔的应用前景。但由于加入了大量昂贵的Gd，Y等稀土元素，使其使用成本较高，若进一步提高其力学性能，则可以降低单位使用成本，合金将进一步得到推广应用。对于该系合金，一般要求热变形加工，与普通镁合金相比，耐热、高强的稀土镁合金的变形有更大的困难，挤压过程中很容易产生开裂。稀土镁合金中第二相的强、硬化效果要远远高于普通的镁合金中第二相，尤其是稀土化合物热稳定性高对变形过程中基体的塑性流变阻碍作用大。
多向锻造大塑性变形能强烈细化组织，在多向锻造形变中材料随外加载荷轴向旋转变化而不断被压缩和拉长，通过反复变形达到细化晶粒、改善性能的效果，使材料力学性能得到很大提高。同时由于外加载荷轴变化使得锻件各方向变形程度和力学性能相同，避免了挤压、轧制等其它常规成形工艺通常出现的各向异性。Zherebt sov(朱尔博特.苏瑞(中文音译人姓名))等通过多向锻造工艺制备了具有均匀超细晶结构的大尺寸Ti26Al24V(钛-26铝-24钒)锻坯，其力学性能优越，同时各个方向性能相当，径向和切向的强度差异在2％以内，伸长率和断面收缩率一致。湖南大学陈振华等对AZ80(材料牌号)镁合金进行多向反复热锻，达到了较好细化晶粒的效果，同时材料的综合力学性能得到较大提高，锻压7个道次，其材料硬度、屈服强度和抗拉强度达到最大，分别为87.3HB、258.78MPa和345.04MPa，是锻前试样的1.43倍和2倍，伸长率是锻前的2.45倍。
多向锻造技术中主要通过控制变形温度、累积应变量、道次应变量、应变速率等因素，使亚晶粒尺寸随累积应变量变化逐渐细化。并且随着累积应变量的增加，在高应变下形成具有大角度晶界的新晶粒，材料组织得到充分细化。这种变形方式对材料变形时的流变应力行为和显微组织演变有很大影响。因此，成形该类零件前，采用多向锻造工艺进行预变形，使晶粒细化，对于该类稀土含量高的镁合金构件的顺利成形至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土镁合金塑性成形时所遇到的初始晶粒度大的问题，提出铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金的细晶强化的成形工艺，即铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金构件的塑性变形方法。
实现上述目的所采取的技术方案是：
铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土镁合金构件的塑性变形方法，步骤是：
(1)铸态组织均匀化处理：将铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件置于加热炉中，在一定温度下保温一定时间以进行均匀化处理，以消除Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金组织中严重的枝晶偏析和共晶组织，提高材料的变形性；
(2)多向锻造阶梯温度反复预变形：将上述(1)步均匀化处理后的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件进行多道次多向锻造变形，锻造方式采用在锻造过程中载荷轴向不断旋转变化，并且随变形道次的增加，变形量逐渐减小，变形温度逐渐降低，控制总的累积应变量到一定的变形程度；
(3)模锻热成形：将上述(2)步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件在模具中进行模锻热成形，模锻热成形的温度较上述(2)步中最后一次预变形温度降低30～50℃；
(4)模锻冷整形：将上述(3)步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件在模具中再进行一次冷整形，一方面对工件进行形状的校正，另一方面加速过饱和固溶体的分解，进一步起到形变强化的作用；
(5)人工时效热处理：将上述(4)步模锻冷整形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件直接进行人工时效热处理；
(6)人工时效冷处理：将上述(5)步热处理后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件进行控制冷却处理，冷却温度均为时效温度以下。
优选的，在实施上述(2)步之前增加一步控制冷却：将上述(1)步均匀化处理后的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件先进行冷却。
优选的，在实施上述(3)步之前增加一步控制冷却：将上述(2)步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。
优选的，在实施上述(4)步之前增加一步控制冷却：将上述(3)步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。
本发明突出的实质性特征和显著的效果是：
(1)利用多向锻造阶梯温度反复预变形细化晶粒后，大幅度提高性能，再结合热模锻和冷模锻的工艺进行成形，使成形零件各部位的组织和性能相接近，避免了采用挤压工艺时零件存在各向异性的缺点，采用较小的设备就可以成形出高强度的耐热Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金零件，节省能源。
(2)解决铸造的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金晶粒粗大，成形性能低的问题，实现了Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金成形与强韧化的协调统一，提高了产品性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造前的均匀化热处理曲线；
图2是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造阶梯温度反复预成形方法示意图；
图3-1是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造前初始截面示意图；
图3-2是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造过程中的截面变化示意图一；
图3-3是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造过程中的截面变化示意图二；
图4是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金冷整形时的压力-时间曲线；
图5是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金成形后的时效热处理温度-时间曲线。
具体实施方式
以铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr(镁-9钆-4钇-1钕-0.4锆)稀土镁合金构件为例，
(1)镁合金铸棒下料：将耐热铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金根据成形构件毛坯的体积，锯切下料，下料毛坯的体积为成形构件热锻件体积；表面车削加工成铸棒直径为φ60mm～φ500mm，如图3-1所示：铸棒直径为φ150mm；
(2)铸态组织均匀化处理：在中温热风循环炉中对铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金坯件进行加热保温，保温温度为530±5℃，保温24小时进行均匀化处理，以消除铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金组织中严重的枝晶偏析和共晶组织，提高材料的变形性(如图1所示)；
(3)多向锻造阶梯温度反复预变形：将上述(2)步均匀化处理后的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金坯件进行多道次多向锻造变形，锻造方式采用在锻造过程中载荷轴向不断旋转变化，并且随变形道次的增加，变形量逐渐减小，变形温度逐渐降低，控制总的累积应变量到一定的变形程度；如图3-1和图2所示，将均匀化处理后的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金直径为φ150mm、长度L400mm的圆形铸棒，由20℃升温到480℃(P1点)，保温2小时，考虑安装模板时的热损失，模板加热温度500℃，在P2点开始进行第一次多向锻造，锻造过程中每个加载轴的方向轮流旋转，锻造2次，掌握温度在350℃(P3点)前结束锻造，此次锻造区域为P2-P3区域，累加变形量为40-50％，如图3-2和图2所示，第一次多向锻造后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金变成长度L400mm、高度H75mm、宽度D235mm的长方形锻件，空冷；
然后将锻件降温加热到400℃进行第二次多向锻造，即再次由20℃升温到400℃(P4点)，保温2小时，模板加热到420℃，在P5点开始第二次多向锻造，重复进行上面的动作，掌握温度在350℃(P6点)前结束锻造，此次的锻造区域为P5-P6区域；累加变形量为20-30％，如图3-3和图2所示，第二次多向锻造后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金变成长度L400mm、高度H130mm、宽度D130mm的方形锻件，空冷；
最后，将锻件降温加热到380℃进行第三次多向锻造，即再次由20℃升温到380℃(P7点)，保温2小时，模板加热到420℃，在P8点开始多向锻造，锻造的方向顺序同上，掌握温度在350℃(P9点)前结束锻造，此次的锻造区域为P8-P9区域，累加变形量为15％～20％，空冷；
(4)模锻热成形：将上述(3)步经过多次多向锻造反复预变形的后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件在模具中进行模锻热成形，模锻热成形的温度较上述(3)步中最后一次预变形温度降低30～50℃；如图2所示，模锻热成形的温度为350±5℃，保压120S，模具温度设置为380℃；
(5)模锻冷整形：将上述(4)步模锻热成形后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件在模具中再进行一次冷整形，如图4所示：对热模锻变形后的锻件Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金在室温下和压力在12500KN下进行一次冷整形，保压时间120S(P12点～P13点)，一方面对锻件进行形状的校正，另一方面加速过饱和固溶体的分解，进一步起到形变细晶强化的作用，实现构件的近净成形；
(6)人工时效热处理：将上述(5)步模锻冷整形后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件直接进行人工时效热处理，避免重新加热固溶处理会造成粗大的晶粒组织，如图5所示，对冷整形后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件由20℃升温到225℃(P14点)，保温16小时到P15点，进一步时效析出强化，提高镁合金构件的力学性能；
(7)人工时效冷处理：将上述(6)步热处理后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件进行控制冷却处理，冷却温度均为时效温度以下。
进一步，在实施上述(3)步之前增加一步控制冷却：将上述(2)步均匀化处理后的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金坯件先进行冷却。
进一步，在实施上述(5)步之前增加一步控制冷却：将上述(4)步模锻热成形后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。
本发明工艺主要通过控制稀土镁合金多向锻造过程中的变形温度、累积应变量、以及道次应变量，使材料组织得到充分细化，提高合金的强度和塑性，如本例直径尺寸为长度L400mm的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金铸棒，初始晶粒尺寸约300μm，抗拉强度Rm＝109MPa，伸长率δ≤1％。经本发明多向锻造塑性变形后，多次累加变形量ε≥0.6，成形变为高强度、耐热镁合金构件，平均晶粒尺寸细化到≤20μm，构件抗拉强度Rm≥360MPa，伸长率δ≥6％；300℃高温拉伸强度Rm≥180MPa，伸长率δ≥10％。
Claims (4)
1.铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，其特征在于：步骤是：
(1)铸态组织均匀化处理：将铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件置于加热炉中，在一定温度下保温一定时间以进行均匀化处理，以消除Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金组织中严重的枝晶偏析和共晶组织，提高材料的变形性；
(2)多向锻造阶梯温度反复预变形：将上述(1)步均匀化处理后的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件进行多道次多向锻造变形，锻造方式采用在锻造过程中载荷轴向不断旋转变化，并且随变形道次的增加，变形量逐渐减小，变形温度逐渐降低，控制总的累积应变量到一定的变形程度；
(3)模锻热成形：将上述(2)步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件在模具中进行模锻热成形，模锻热成形的温度较上述(2)步中最后一次预变形温度降低30～50℃；
(4)模锻冷整形：将上述(3)步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件在模具中再进行一次冷整形，一方面对工件进行形状的校正，另一方面加速过饱和固溶体的分解，进一步起到形变强化的作用；
(5)人工时效热处理：将上述(4)步模锻冷整形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件直接进行人工时效热处理；
(6)人工时效冷处理：将上述(5)步热处理后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件进行控制冷却处理，冷却温度均为时效温度以下。
2.如权利要求1所述的铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，其特征在于：在实施上述(2)步之前增加一步控制冷却：将上述(1)步均匀化处理后的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件先进行冷却。
3.如权利要求1所述的铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，其特征在于：在实施上述(3)步之前增加一步控制冷却：将上述(2)步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。
4.如权利要求1所述的铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，其特征在于：在实施上述(4)步之前增加一步控制冷却：将上述(3)步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。
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Granted publication date: 20150304 |