CN103447432B - 一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺；属于镁合金材料加工技术领域。本发明的实施方案为：取大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380～430℃，保温3～6h后在380～430℃下进行一次等温模锻成型，得到锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05～0.2mm/s，上模下行的时间为10-30min，压力为35000～80000kN，成型后保压30～40min。本发明能制备出直径达680-1000mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²的镁合金模锻件。本发明制备工艺简单、生产周期短，所得锻件的精度和性能比常规模锻的要高。

Description

一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺

技术领域

本发明涉及一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺；属于镁合金材料加工技术领域。

背景技术

由于镁合金塑性差，变形难的本质特征，决定了目前镁合金产品主要是以铸件为主，其中90%以上是压铸件，高性能的镁合金锻件应用极少，等温模锻技术为难变形金属的塑性加工指出了一条有效的加工途径，而且目前对于小尺寸镁合金的等温模锻具有很好的适用性。但对于大尺寸镁合金的等温模锻依然存在以下难点：（1）镁合金与铝合金等其他材料不同，其热锻次数不宜过多，每加热、模锻一次，其合金的强度就会下降一次。尤其当锻前加热温度过高，保温时间较长时，其再结晶晶粒就会长大，下降的程度更加明显。（2）镁合金的模锻温度范围窄（150℃左右）、导热系数很大（167.25W/m·℃），模锻时如模具温度过低，坯料温降很严重，尤其在薄壁处，温度迅速下降，使金属塑性下降，变形抗力增大，充填型腔困难。（3）镁合金大变形模锻后，由于大量新生表面出现可能引起粘模现象，并易产生折迭缺陷。

随着航空航天以及汽车产业对镁合金模锻件的需求不断增大，尤其是大尺寸镁合金零件的需求也是越来越大。然而，目前采用多道次等温模锻，并且每道次后对模具进行酸洗清理、修整、加热的工艺。虽然解决了镁合金变形困难以及在大变形模锻后可能产生的粘模和折迭现象，但其多次的加热会因晶粒的严重长大，组织不均匀而导致其力学性能的降低，而且每道次的酸洗清理等工序加大了对模具的损伤，同时降低生产效率和增加成本。所以，目前的模锻工艺很难高效率、低成本的制备出直径达680mm，最大水平投影面积达0.4m²的高性能镁合金模锻件。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大尺寸、高性能镁合金零件的高效率、低成本的等温模锻工艺。所制备出的镁合金零件的直径≥680mm；壁厚为30mm～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其实施方案为：

取大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380～430℃，保温3-6h后在380～430℃下进行一次等温模锻成型，得到锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05～0.2mm/s，压力为35000～80000kN，成型后保压30～40min。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，等温模锻时，上模下行的时间为10～30min。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，所述毛坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，等温模锻所用模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm；模具的温度为与坯料的加热温度相等。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，得到锻件后，去除压力载荷，打开模具，用下顶杆将模锻件从下模中顶出。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，锻件的冷却速度为：100～150℃/min。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，所述大尺寸镁合金锻饼是以内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷的铸造镁合金锭为原料通过下述步骤加工而成的：

步骤一

将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400～430℃，保温后，在400～430℃进行墩粗，拔长，墩粗的锻造比为1.5～2；拔长的锻造比为：1.02～1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12～16mm/s；所述铸造镁合金锭的直径为250mm～350mm，高径比的范围在1.5～1.85；所述拔长为12～16面碾压拔长；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20～25℃/min的升温速率升温至320～350℃后再以12℃/h～27℃/h的升温速率升温至410～430℃，保温20～30h，然后以2～10℃/min的冷却速度冷却至室温；

步骤二

重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10～20℃。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，镁合金以质量百分比计包括下述组分：Al8.2～8.5%、Mn0.2～0.25%、Zn0.4～0.5%、Cu≦0.05%、Ni≦0.005%、Si≦0.15%、Be≦0.02%、Fe≦0.05%、其他杂质≦0.3%、余量为Mg。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，所述成品的直径为680～1000mm；壁厚为30mm～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²。

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，，其具体实施流程为：锻饼机加工、探伤→加热坯料→固定加热模具→模锻、保压→开模、顶出→冷却。其具体实施过程为：

1、锻饼机加工、探伤：将大尺寸镁合金锻饼车去表面可见裂纹和氧化皮后按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯，用超声波对毛坯进行探伤检测，确保毛坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷；

2、加热坯料：将毛坯置于工业电阻炉中，加热至380～430℃，保温3～6h；

3、固定加热模具：将下模座固定在等温成型加热器中，将上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm，并通过等温成型加热器对上下模具进行加热至与毛坯同等加热温度，保温≧3h；

4、模锻、保压：将毛坯从加热炉中取出，放入等温成型加热器中的上下模具内，通过锻压机经10～30min缓慢压下进行一次成型模锻，等温模锻时，上模的下行速度为0.05～0.2mm/s，压力为35000～80000kN，成型后保压30～40min；

5、开模、顶出：保压后，去除压力载荷，打开模具，用下顶杆将模锻件从下模中顶出；

6、冷却：将顶出的锻件按100～150℃/min的冷却速度进行冷却后，得到尺寸合格的镁合金模锻件成品。

原理和优势

本发明一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺；采用一次等温模锻成型，制备出了直径为680-1000mm；壁厚为30mm～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²的镁合金零件。克服了现有技术中很难满足制备出直径达680mm，最大水平投影面积≥0.4m²的大尺寸高性能镁合金零件。其具体原因分析如下：

1、本发明所用原料为大尺寸镁合金锻饼，所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，其中，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；而且饼坯中各晶粒分部均匀；晶粒细小，组织均匀，这在很大程度上减少了坯料的变形难度，为一次等温模锻成型，得到大尺寸镁合金零件提供了先决条件；

2、本发明严格控制加热温度为380～430℃、保温为3～6h、模锻温度为380～430℃。合理的保温时间使得坯料能均匀受热且晶粒不会发生粗大现象而影响零件的质量。同时，等温模锻使得在锻造的过程中一直处于较高温度下，能很好的开动棱柱面的滑移系，使得坯料更加容易变形。

3、由于镁合金密排六方结构限定了其塑性变形能力差，因此需要严格的控制其变形速度。本发明等温模锻时，严格控制上模的下行速度为0.05～0.2mm/s、压力为35000～80000kN、等温模锻的时间为10～30min，成型后保压30～40min；本发明严格控制上模的下行速度为0.05～0.2mm/s是为了控制材料的变形速度为0.05～0.2mm/s，在这个变形速度条件下，使得层错能较低的镁合金在变形时发生充分的再结晶，软化组织，从而达到提高塑性变形能力的目的。同时，金属在变形时都是弹塑性变形共存的，一定的保压时间能防止变形后发生弹性回复，使得模锻后能达到规定尺寸精度要求。而过长的保压时间会让锻件过长出于高温中而粗化组织，降低性能；所以本发明严格控制成型后的保压时间为30～40min。

4、本发明只需一次成型，减少了多次模锻中间的加热、酸洗和修理等工序，既防止锻件因多次加热而造成的性能下降，又大大的缩短了工艺生产周期，便于进行工业量产。

5、本发明严格控制冷却速度为100～150℃/min，通过快速冷却可以很及时的保存锻造后的均匀细晶组织，提高锻件的硬度。如果冷却缓慢，锻造后的余热会导致锻件的回复软化，以及第二相粒子的析出，而当工件再进行时效处理时，已经发生回复的组织和析出的第二相粒子将会粗化，不能得到很好的细晶强化和沉淀析出强化的效果。

总之，本发明通过原料的选取，锻造参数的严格控制，高效率、低成本的制备出了大尺寸、高性能镁合金零件；所制备出的镁合金零件的直径为680～1000mm；壁厚为30mm～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²。本发明操作容易，生产效率高，产品质量良好，实用性强，便于产业化生产。

附图说明

附图1：大尺寸镁合金锻饼的显微金相组织图

从图1中可以看出：大尺寸镁合金锻饼的组织晶粒细小，均匀；采用直线截距法测量平均晶粒度，在显微金相照片中选取6个视场，累计截线穿过晶粒1000个以上，用金相分析软件统计得到其平均晶粒度为≦15μm。采用电子背散射衍射花样（EBSD）测得其等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95。

具体实施方法：

下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明的保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例中的所述大尺寸镁合金锻饼（直径≥670mm）是以内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷的铸造镁合金锭为原料通过下述步骤加工而成的：

步骤一

将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400～430℃，保温后，在400～430℃进行墩粗，拔长，墩粗的锻造比为1.5～2；拔长的锻造比为：1.02～1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12～16mm/s；所述铸造镁合金锭的直径为300mm～350mm，高径比的范围在1.5～1.85；所述拔长为12～16面碾压拔长；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20～25℃/min的升温速率升温至320～350℃后再以12℃/h～27℃/h的升温速率升温至410～430℃，保温20～30h，然后以2～10℃/min的冷却速度冷却至室温，得到均匀化热处理后的铸造镁合金锭；

步骤二

重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10～20℃；所得大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95。

实施例1：

一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，是以尺寸为Φ670×100mm，成份为（wt.％）：Al8.2～8.5；Mn0.2～0.25；Zn0.4～0.5；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg的大尺寸镁合金锻饼坯经等温模锻，制备直径680mm，壁厚30～100mm，投影面积达0.4m²的镁合金零件；包括下列步骤：

1、坯料机加工、探伤：将大尺寸镁合金锻饼车去表面可见裂纹和氧化皮并加工成尺寸为Φ670×100mm的坯料，用超声波对坯料进行探伤检测，确保坯料内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷；

2、坯料加热：将加工好的坯料件置于电阻炉中，加热至380℃，并保温6h；

3、将下模座固定在等温成型加热器中，将上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm并通过等温成型加热器对上下模具进行加热至380℃，保温3h以上；

4、模锻、保压：将坯料从加热炉中取出，放入等温成型加热器中的上下模具内，通过液压机进行缓慢模锻，总下压时间为30min，下压速度0.05mm/s；下压压力为35000KN，成型后保压30min。

5、保压后卸载压力，回程，模具打开，用下顶杆将锻件从下模中顶出；

6、将顶出的锻件，按100℃/min的冷却速度进行冷却，得到直径680mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积为0.4m²的镁合金零件的镁合金模锻件。

实施例2：

一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，是以尺寸为Φ670×100mm，成份为（wt.％）：Al8.2～8.5；Mn0.2～0.25；Zn0.4～0.5；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg的大尺寸镁合金锻饼经等温模锻，制备直径700mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积达0.45m²的镁合金零件；包括下列步骤：

1、坯料机加工、探伤：将大尺寸镁合金锻饼车去表面可见裂纹和氧化皮并加工成尺寸为Φ670×100mm的坯料，用超声波对坯料进行探伤检测，确保坯料内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷；

2、坯料加热：将加工好的坯料件置于电阻炉中，加热至420℃，并保温3h；

3、将下模座固定在等温成型加热器中，将上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm并通过等温成型加热器对上下模具进行加热至420℃，保温3h以上；

4、模锻、保压：将坯料从加热炉中取出，放入等温成型加热器中的上下模具内，通过液压机进行缓慢模锻，总下压时间为15min，下压速度0.11mm/s；下压压力为39000KN，成型后保压35min。

5、保压后卸载压力，回程，模具打开，用下顶杆将锻件从下模中顶出；

6、将顶出的锻件，按120℃/min的冷却速度进行冷却，得到直径700mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积达0.45m²的镁合金零件的镁合金模锻件。

实施例3：

一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，是以尺寸为Φ670×100mm，成份为（wt.％）：Al8.2～8.5；Mn0.2～0.25；Zn0.4～0.5；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg的大尺寸镁合金锻饼坯经等温模锻，制备直径720mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积达0.5m²的镁合金零件；包括下列步骤：

1、坯料机加工、探伤：将大尺寸镁合金锻饼车去表面可见裂纹和氧化皮并加工成尺寸为Φ670×100mm的坯料，用超声波对坯料进行探伤检测，确保坯料内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷；

2、坯料加热：将加工好的坯料件置于电阻炉中，加热至400℃，并保温5h；

3、将下模座固定在等温成型加热器中，将上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm并通过等温成型加热器对上下模具进行加热至400℃，保温3h以上；

4、模锻、保压：将坯料从加热炉中取出，放入等温成型加热器中的上下模具内，通过液压机进行缓慢模锻，总下压时间为24min，下压速度0.07mm/s；下压压力为43000KN，成型后保压40min。

5、保压后，卸载压力，回程，模具打开，用下顶杆将锻件从下模中顶出；

6、将顶出的锻件，按150℃/min的冷却速度进行冷却，得到直径720mm，壁厚30～100mm，最大水平投影面积达0.5m²的大尺寸镁合金零件。检测所得大尺寸镁合金零件的力学性能，大尺寸镁合金零件最厚处、最薄处的力学性能参考国标GBT228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法，在微机控制电子万能实验机上进行室温拉伸。其检测值如表1所示。

表1镁合金锻件各处不同工艺力学性能

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有的技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (6)

1.一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：

取大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380～430℃，保温3～6h后在380～430℃下进行一次等温模锻成型，得到锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05～0.2mm/s，压力为35000～80000kN，成型后保压30-40min；

所述大尺寸镁合金锻饼是由铸造镁合金锭通过下述步骤加工而成的：

步骤一

将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400～430℃，保温6～10h后，在400～430℃进行墩粗，拔长，墩粗的锻造比为1.5～2；拔长的锻造比为：1.02～1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12～16mm/s；所述铸造镁合金锭的直径为300mm～350mm，高径比的范围在1.5～1.85；所述拔长为12～16面碾压拔长；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20～25℃/min的升温速率升温至320-350℃后再以12℃/h～27℃/h的升温速率升温至410～430℃，保温20～30h，然后以2～10℃/min的冷却速度冷却至室温；

步骤二

重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10～20℃。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：等温模锻所用模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm；模具的温度与坯料的加热温度相等。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：等温模锻时，上模下行的时间为10-30min。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：锻件的冷却速度为：100-150℃/min。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：

镁合金以质量百分比计包括下述组分：Al8.2～8.5％、Mn0.2～0.25％、Zn0.4～0.5％、Cu≦0.05％、Ni≦0.005％、Si≦0.15％、Be≦0.02％、Fe≦0.05％、其他杂质≦0.3％、余量为Mg。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸镁合金零件的等温模锻工艺，其特征在于：所述成品的直径为680-1000mm；壁厚为30mm～100mm，最大水平投影面积≥0.4m²。