CN102989764A

CN102989764A - 一种超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法

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Publication number: CN102989764A
Application number: CN2012105169816A
Authority: CN
Inventors: 江静华; 袁玉春; 马爱斌; 宋丹; 杨东辉; 陈建清
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: CN102989764B

Abstract

本发明涉及一种超细晶镁合金薄板的高成材率集成加工技术。属于镁合金塑性加工技术领域。包括如下步骤：第一步，多道次等通道转角挤压加工：将镁合金坯料置入预热后的模具中进行保温，再对坯料进行等通道转角挤压加工到8道次以上，得到超细晶镁合金块材；第二步，后续轧制加工：将第一步所得的超细晶镁合金块材进行多道次轧制，轧制温度范围是100～350℃，制得镁合金薄板。本发明采用等通道转角挤压细化镁合金组织提高塑性变形能力后，再利用连续轧制工艺将其加工成镁合金薄板及其宽板，生产的镁合金薄板为超细晶组织，组织均匀，强度和塑性好，成材率高。

Description

一种超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法

技术领域

本发明涉及一种超细晶镁合金薄板的高成材率集成加工技术。属于镁合金塑性加工技术领域。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有高比强度和比刚度，在汽车、电子、航空航天等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。由于镁具有密排六方结构，常温下只有基面滑移系，塑性变形能力较差，成形困难，成材率低。目前，镁合金的应用主要以模铸、压铸和半固态成形产品为主，变形镁合金仅在航空航天、电子和军事等高端前沿领域有一定应用。与传统铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能。为进一步推动变形镁合金产品在普通民用领域的应用，对变形镁合金及其加工方法的研究就显得尤为重要。

轧制是镁合金塑性加工的重要手段，因其可生产大规模生产大件型材而广受关注。由于迄今对镁合金塑性变形机理的认识还不够全面和深入，镁合金板材制备及其轧制成形工艺的研究尚处于初级阶段。镁合金板材轧制成形的以下特点制约了镁合金板材的发展与应用：1）镁合金塑性变形能力差，且热容量小，轧制过程中易发生边裂和裂纹，导致其薄板加工易边裂，成材率低（40%左右），大宽幅薄板（如板宽2000mm 以上）加工异常困难；2）镁合金轧制道次压下量通常在5%左右，较钢和铝小很多，生产效率不高。可见，提高镁合金的塑性变形能力是改善其轧制成形性的关键所在。

晶粒细化是公认的实现金属材料强韧化的有效手段。申请人采用高道次等通道转角挤压同时提高了镁合金的强度和塑性。等通道转角挤压（ECAP）是20世纪80年代初由俄罗斯科学家Segal在研究金属纯剪切变形的基础上发明的大塑性变形加工方法，其可在不改变试样初始形状的情况下制备出致密的超细晶块体金属材料。对镁合金进行多道次的ECAP加工，可获得晶粒尺寸在1μm以下的超细晶组织，并明显改善其组织均匀性和合金力学性能。由于镁合金滑移系少，在塑性变形时内部晶粒倾向沿受力方向择优排列，形成织构。在ECAP加工过程中，由于剪切受力方向与挤压方向呈45o角，其所形成的变形织构具有较高的变形因子，非常有利于滑移系的开动，产生塑性变形。当晶粒非常细小时，不稳定晶界在整体材料中所占的比例很大，晶界滑移对变形的贡献较大。因此，镁合金经过ECAP加工后，其塑性得到了极大的提高，并且易产生低温超塑性。同时，ECAP变形前后的镁合金块体材料尺寸不发生改变，可加工大尺寸块体材料。

目前，国内外研究者围绕镁合金的等通道转角挤压开展了不少研究工作，但加工应变量小，所制备的超细晶镁合金微观组织不均匀。围绕高道次等通道转角挤压加工后镁合金的后续轧制，迄今尚无相关研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种工艺操作简单、成材率高的镁合金薄板及其宽板加工方法，推进高性能镁合金板材在通讯、电子、汽车等普通民用领域的广泛应用。

通过ECAP加工技术可以制备出组织细密、性能良好的超细晶镁合金，特别是在提高镁合金塑性/超塑性的优势方面已经通过多方实验证实。本发明充分利用ECAP后的超细晶镁合金具有良好塑性变形能力的特点，与后续轧制加工相结合，集成了一种制备高性能、高成材率的超细晶镁合金薄板及其宽板的加工方法。我们对此集成加工技术的加工工艺、参数及材料性能进行了细致的研究工作，旨在获得高性能镁合金板材的同时，提高加工成材率，降低加工温度，达到节约能源和资源、降低成本、提高生产效率和生产镁合金宽板的目的，促进高性能镁合金的应用。本发明的特点是利用多道次ECAP加工与后续轧制加工相结合用于提高镁合金薄板的加工成材率。利用多道次等通道转角挤压细化镁合金组织，优化变形织构，提高镁合金塑性变形能力；再通过轧制工艺实现连续减薄，将等通道转角挤压块材加工成镁合金薄板甚至宽板，集成ECAP和轧制加工技术提高镁合金薄板成材率和强度。

具体地说，采用的技术方案是：

一种超细晶镁合金薄板的高成材率加工技术，包括以下步骤：

第一步，多道次等通道转角挤压加工：将镁合金坯料置入加工模具中进行加热保温，然后对坯料进行等通道转角挤压加工到8道次以上，得到超细晶镁合金块材；

第二步，后续轧制加工：将第一步所得的超细晶镁合金块材进行多道次轧制，轧制温度范围是100～350℃，制得镁合金薄板。

上述的第一步中，可以在将镁合金坯料置入加工模具中进行加热保温前，对坯料进行高温均匀化或固溶处理。可以使材质更加均匀。另外，可以根据与不同的等通道转角挤压模具尺寸，准备挤压用镁合金坯料。

第一步中，对镁合金坯料进行加热保温的目的是使坯料升温至等通道转角挤压的加工温度，该温度可以根据镁合金系列进行选择，较优选范围是450～100℃，在挤压加工的过程中，会伴随材料塑性的提高，因此，挤压温度也可以按每道次逐次降低，不必限定于采用同一温度数值。保温时间根据镁合金块材的大小不同进行选择，较优选范围是30～120min。

通过等通道转角挤压工艺后，可以获得组织均匀的晶粒平均尺寸小于5微米、室温下延伸率大于20%的超细晶镁合金块材。

上述的第二步中，可以根据轧制设备的要求将挤压后得到的超细晶镁合金块材进行切割(也可以不切割)。

另外，在每道次轧制后，还可以将镁合金材料进行加热保温至轧制温度，再进行下一道次的轧制。这是由于镁合金热容量小，每道次轧制后镁合金温度下降快，进行加热保温后，更利于后续的轧制。另外，每道次轧制压下量优选范围是10%～40%。

在轧制的过程中，也可以对轧辊进行加热，连续多道次轧制超细晶镁合金块材。这可以减少中间加热保温次数，效果更好。

技术效果

充分利用ECAP加工镁合金的均匀组织和性能特点，充分发挥超细晶镁合金的变形特性，对其进行中低温热轧，可显著减少镁合金轧制过程中的边裂，并提高轧制道次压下量，提高生产效率，降低能源消耗和成本，可获得成材率高的镁合金薄板及其宽板；由于边裂显著减少，可降低轧制过程中的不断切边需要，可以通过这种集成加工技术生产大宽幅镁合金薄板。本发明对等通道转角挤压后的镁合金进行后续轧制加工处理，另外，生产的镁合金薄板为超细晶组织，组织均匀，强度和塑性好。

附图说明

图1是铸态ZK60镁合金金相组织；

图2是420℃下固溶处理16h后ZK60镁合金金相组织；

图3是等通道转角挤压加工12道次后ZK60镁合金金相组织；

图4是等通道转角挤压与轧制组合加工后ZK60镁合金金相组织。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的等通道转角挤压和轧制集成加工技术制备超细晶镁合金薄板的方法不只局限于该具体实例。

实施例1

本实例采用ZK60（Mg-6wt% Zn-0.5wt%Zr）镁合金作为试验材料。

首先将铸态ZK60镁合金线切割加工成20mm×20mm×40mm的长方体块材，随后将其置于加热炉中加热至420℃保温16h进行固溶处理。图1为铸态ZK60的金相组织，呈粗大的枝状晶；固溶处理后枝状晶晶界消失，晶粒长大，平均晶粒尺寸约为150微米，如图2。可选地，也可以在420℃下进行均匀化热处理12h。将固溶处理后的块材置入预先加热至300℃的模具中保温30分钟，对其进行多道次等通道转角挤压。挤压12道次以后，晶粒明显细化，平均粒径小于5微米，且组织均匀，如图3所示。

将等通道转角挤压加工后的试样沿挤压方向（Y轴）与竖轴法向（Z轴）组成的平面切成1.5mm厚的薄片，用于随后的轧制加工。将样品在300℃的加热炉中预热10分钟后取出进行轧制，每道次轧制压下量0.15mm，每道次轧制后再将试样置入加热炉中加热保温3分钟，再进行下道次轧制加工。由于等通道转角加工后的ZK60镁合金试样组织均匀细小，塑性好，在无边裂的情况下，试样厚度由1.5mm一直轧制减薄至0.2mm，厚度变形量达86.7%。图4为ZK60轧制加工后的金相组织，可以看出，轧制加工后，晶粒尺寸与等通道转角挤压加工后基本保持一致，同时，在晶粒内部可见大量变形孪晶存在，从而在变形过程中有效地起到强化作用，提高合金的强度。等通道转角挤压12道次后的ZK60镁合金维氏硬度（HV）为68，在300℃下保温轧制加工后其维氏硬度（HV）提高至102，增加了50%。等通道转角挤压加工与轧制组合加工镁合金薄板的方法，既有效地细化了镁合金组织，又产生了足够的加工强化效果，可制备高强高韧镁合金薄板，具有巨大的工业应用价值。采用本方法所制镁合金薄板轧制过程中的成材率可以达到85%以上，拉伸强度可达320MPa以上。

实施例2

本实施例中，采用ZE41（Mg-4%Zn-1.5%Y-Zr）镁合金。

加工工艺与实施例1的区别在于：第一步中的保温温度450℃，保温时间是80min，在此温度下等通道转角挤压加工中的挤压次数为8道次，轧制时温度为350℃，每道次轧制压下量40%，最终制得0.2 mm厚的薄板。对该镁合金进行加工后，得到的镁合金薄板拉伸强度达到300MPa以上，成材率达到85%以上。

实施例3

本实施例中，采用ZE41（Mg-4%Zn-1.5%Y-Zr）镁合金。

加工工艺与实施例1的区别在于：第一步中的保温温度400℃，保温时间是120 min，在此温度下等通道转角挤压加工中的挤压次数为10道次，轧制时温度为100℃，每道次轧制压下量20%，最终制得0.2 mm厚的薄板。对该镁合金进行加工后，得到的镁合金薄板拉伸强度达到320MPa以上，成材率达到80%以上。

实施例4

本实施例中，采用AZ91（Mg-9%Al -1%Zn）镁合金。

加工工艺与实施例1的区别在于：第一步中，首先将镁合金试块加热至450℃，保温120 min，在此温度下等通道转角挤压8次；再于100℃下等通道转角挤压加工8道次，因为挤压过程中伴随材料塑性的提高，可以逐渐降低保温温度进行挤压。接下来，对轧辊进行加热，进行连续多道次轧制，后续的轧制温度为100℃，每道次轧制压下量20%，最终制得0.2 mm厚的薄板。对该镁合金进行加工后，得到的镁合金薄板的延伸率达到20%以上，拉伸强度达到350MPa以上，成材率可以达到80%以上。

在实施例1～实施例4中，经过等通道转角挤压、轧制后制得的镁合金薄板无边裂现象。由于等通道转角挤压后的超细晶镁合金延伸率高，因此其适于宽板加工。

Claims

1.一种超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第一步中，在将镁合金坯料置入加工模具中进行加热保温前，对坯料进行高温均匀化或固溶处理。

3.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第一步中，加热保温的温度范围是450～100℃。

4.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第一步中，加热保温的时间是30～120min。

5.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第二步中，在每道次轧制后，将镁合金材料加热至轧制温度后，再进行下一道次的轧制。

6.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第二步中，对轧辊进行加热，连续多道次轧制超细晶镁合金块材。

7.根据权利要求1所述的超细晶镁合金薄板的高成材率加工方法，其特征在于：所述的第二步中，每道次轧制压下量范围是10%～40%。