CN103627938B - 一种高强度镁合金挤压无缝管材及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度镁合金挤压无缝管材及其制备工艺，属于金属材料加工技术和冶金技术领域。管材合金成分按质量百分比为：Gd：8.0～10.0%；Y：1.0～3.0％；Zn：0～1.0%；Zr：0.1～0.7%；其余为Mg。冶炼获得的上述成分的合金铸锭在预处理后，首先通过开坯挤压成棒料，在开坯的棒料上打孔后，在带穿孔针的双动挤压机上二次挤压成无缝管材，并结合优化的后续热处理，来获得高强度镁合金无缝管材。得到的管材在圆周方向上无挤压焊合焊缝，组织均匀性好，抗疲劳性能优异。与现有商业牌号的镁合金管材相比，本发明生产的管材的力学性能具有明显的优势。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术和冶金技术领域，具体涉及一种高强度镁合金挤压无缝管材及其制备工艺。
背景技术
镁合金作为一种新型轻质金属材料，具有密度低、比强度高、抗冲击、可循环利用等一系列优点，在交通运输、航空、航天、3C等行业具有广阔的应用前景。有望成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料。迄今为止，世界范围内大部分镁合金制品都采用铸造方法，特别是压铸成型生产。镁合金变形后一般具有更高的强度和延展性，适合于制造承受大载荷的零件；而且通过对变形加工工艺的控制，可得到更多样化的产品形式和力学性能。因此对于扩大镁合金的应用领域，变形镁合金产品的开发具有重要意义。
但是，由于镁合金为密排六方结构金属，在室温下只有基面滑移系和某些孪晶系可以开动，导致镁合金的塑性较差，加工变形比较困难。由于镁合金较差的加工性能，因此迄今变形镁合金产品种类仍很少。目前工业通用镁合金主要是AZ系列和ZK系列。AZ系列镁合金的变形后经合适的热处理，强度一般难以超过350MPa，屈服强度一般不大于280MPa，室温伸长率一般不大于6%。ZK系镁合金经变形+时效热处理后的抗拉强度和屈服强度分别约为300MPa和210MPa，室温伸长率7%左右。因此市场上迫切需要更多品种、更高力学性能的变形镁合金材料。
管材广泛应用于航空航天、交通运输、医疗器械及电子电器等工业领域，具有重要的应用价值。例如，飞机座椅骨架和各个座椅之间串联排列都是通过管材实现的。使用AZ系镁合金管材制作的自行车赛车的车架，不仅质量轻、刚度大、加速性及稳定性好；而且还可吸收冲击与振动，使骑行轻快舒适，不易疲劳。随着镁合金的众多优点逐渐被人们认识,，市场对高性能镁合金管材的需求将越来越多。
采用挤压技术加工管材，可降低原材料的消耗，挤压后管材的晶粒组织细小，组织致密性更好，管材的力学性能高。但是镁合金的挤压变形抗力较铝合金、铜合金等大几倍，镁合金挤压时往往在挤压过程中闷车导致挤压无法继续进行，因此镁合金管材，特别是高强度的镁合金管材难以生产。如何降低镁合金在挤压过程中的流变应力，提高其塑性成型的流动性能，是镁合金管材挤压过程中需要解决的重要问题。
中国专利授权公告号：CN101407018B（申请号：200810167697.6）公布了一种镁合金挤压管材的制造方法，其化学成分为：镁58～64%，铝7~8%，锌3～4%，锆4～5%，钇1～2%，锂21～23%；该方法制备的管材的屈服强度只有150MPa。中国专利授权公告号：CN101805865A（申请号：201010142229.0）公布了一种高强镁合金管材，其化学成分为Al：7.8～9.2%，Zn：0.2～0.8%，Mn：0.2～0.5%，0.5～2.0%的稀土（没有具体说明为哪种稀土元素），获得的最大抗拉强度为360MPa，最大室温伸长率为11.5%。
综合已有的文献报道，发现现有的挤压镁合金管材一般都是通过分流模挤压，管材内部都存在挤压拼合的冶金焊缝，其组织致密性较差，强度、特别是疲劳强度较低；在实际使用过程中，该位置是管材的薄弱之处，容易引起开裂或断裂。由于挤压无缝管材的微观组织中不存在任何冶金焊合缝隙，径向的力学性能更好，特别是其疲劳强度更高。因此，发展既有高抗拉强度和高屈服强度，同时具有良好的室温塑性的无缝管材，是进一步扩大镁合金应用，特别在循环载荷条件下使用的镁合金管材，将起到推动作用。
发明内容
针对镁合金管材的强度和塑性不高、管材产品存在冶金焊合缝，焊缝处性能弱的现状，本发明提供了一种具有更高强度和更高塑性的镁合金无缝管材及其相应的挤压加工工艺，具体是根据稀土元素（Gd，Y等）及过渡族元素（Zn，Mn等）在镁合金中的强化相形成规律及其强韧化作用机制设计合金化学成分；首先通过开坯挤压合金铸锭成棒料，在开坯的棒料上打孔后，在带穿孔针的双动挤压机上二次挤压成无缝管材，并结合优化的后续热处理，来获得一种高强度镁合金无缝管材。
本发明技术方案是：
一种高强度镁合金挤压无缝管材，以质量百分比计，管材合金成分为：Gd：8.0~10.0%；Y：1.0.0%；Zn：0～1.0%；Zr：0.1～0.7%；其余为Mg。
该管材的力学性能为：抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥300MPa，伸长率≥6%。
所述的高强度挤压无缝管材的规格为：外径5~1000mm，壁厚0.5～499mm。
上述管材的制备工艺包括如下步骤：
1）将所述合金成分熔炼后，采用金属型重力铸造、砂型重力铸造、半连续铸造等方法浇注成半径为5~1000mm、长20~15000mm的圆柱体合金铸锭。
2）合金铸锭经锯切、均匀化处理、车刀扒皮（此处三个工序之间可以前后调配），得到合金铸锭坯；其中，均匀化处理工艺为在450~580℃范围内进行1~100小时处理后空冷或水淬至室温；获得的铸锭坯的尺寸与挤压筒工作区的尺寸相匹配。
3）合金铸锭坯在350~550℃保温0.1～24小时，放入挤压筒在350~550℃进行挤压开坯，获得圆棒挤压锭坯；挤压头速度为0.05~100mm/s，挤压锭坯直径为20～1000mm。
4）将经步骤3）一次挤压开坯后获得的挤压锭坯进一步加工成一定外径、中心带孔的二次挤压用的空心锭坯，加工的空心锭的长度为10～1200mm，中心孔直径为1～990mm。
5）空心锭进行保温处理，保温温度为350~550℃，保温时间为0.1~100小时；然后采用带穿孔针的双动卧式挤压机挤压获得无缝管材，镁合金在挤压模内不分流和焊合，制备的管材为在圆周方向上无焊合缝隙区域的无缝管材；挤压机的挤压筒、挤压模、穿孔针和挤压垫温度范围为：350~550℃；挤压头的速度为0.05~100mm/s；获得的管材的尺寸范围为外径5~1000mm，壁厚0.5～499mm。
6）将无缝管材在160～250℃进行时效处理0.5～300小时，获得高强度镁合金挤压无缝管材。
本发明基于研究人员对稀土元素Gd、Y及非稀土Zr、Mn、Zn等元素及其含量与合金组织与力学性能的关系进行的大量研究成果。在挤压过程中，由于该合金中的大量弥散长周期有序相及其它沉淀相起到钉扎晶界的作用，获得更细小晶粒尺寸及组织；同时通过Gd，Y等原子在基体中的固溶强化，获得高的强度。另一方面，由于获得的细晶组织以及稀土元素弱化基面织构的作用，使合金获得了较高塑性。针对镁合金挤压时流变应力大的缺点，通过采用挤压开坯，使原始铸锭的晶粒破碎，改善其金属塑性流动性能，在空心锭和穿孔针进行二次挤压成无缝管材过程中，晶粒细化更充分，塑性成型性能更好，可同时使合金的强度和塑性提高。通过采用常规的带穿孔针挤压无缝管材技术加工，在经过大量实验优化加工参数后，成功获得了高强度镁合金挤压无缝管材。
本发明通过设计合适的合金成分范围，利用挤压开坯细化合金组织，提高其高温塑性加工能力、降低二次挤压抗力，再进行二次挤压成无缝管材；结合优化的热处理工艺，获得一种高强度高塑性无缝管材产品。与现有的镁合金管材及其分流模加工工艺技术在镁合金中的应用情况相比较，本发明具有一系列的优点：
1、本发明采用挤压加工制备管材，材料的利用率高。
2、本发明的挤压无缝管材的抗拉和屈服强度高，塑性好。
3、本发明的挤压无缝管材内部不存在焊合缝隙区，组织均匀，相对分流模挤压管材，不存在分流后的焊缝区域，管材的抗疲劳等使役性能更好。
4、本发明无缝挤压加工工艺简单，利用常规的挤压设备就可以实现批量生产。
5、本发明挤压过程用到的模具结构简单，相对于分流模挤压所需要的复杂设计的多种凹凸模组合模具，该工艺只需要简单组成圆环形挤压杯型口的穿孔针和外形模。
6、本发明通过改变模具的尺寸，该技术可以简单实现多种形状和尺寸的管材的生产。
附图说明
图1为本发明的高强度镁合金挤压无缝管材制备工艺过程简图。
图2为本发明实施例1中高强度镁合金挤压无缝管材实物图。
图3为本发明实施例1中高强度镁合金挤压无缝管材的微观组织；其中，（a）为光学显微组织；（b）为扫描电镜微观组织。
图4为本发明实施例1中高强度镁合金挤压无缝管材的力学性能曲线。
图5为本发明实施例2中高强度镁合金挤压无缝管材实物图。
图6为本发明实施例2中高强度镁合金挤压无缝管材的微观组织；其中，（a）为光学显微组织；（b）为扫描电镜微观组织。
图7为本发明实施例2中高强度镁合金挤压无缝管材的力学性能曲线。
图8为本发明实施例3中高强度镁合金挤压无缝管材实物图。
图9为本发明实施例3中高强度镁合金挤压无缝管材的微观组织；其中，（a）为光学显微组织；（b）为扫描电镜微观组织。
图10为本发明实施例3中高强度镁合金挤压无缝管材的力学性能曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种高强度镁合金挤压无缝管材及其制备工艺，以实现开发出一种新型的具有高强度的镁合金挤压无缝管材产品，其具体制备的工艺流程如图1所示。
本发明通过调节技术参数，进行了大量的制备实验。下面将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清晰、完整地描述，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用金属型重力铸造获得直径为270mm，高为380mm的圆柱体铸锭。经过化学分析，其化学成分为：Mg-9.52Gd-2.88Y-0.31Zr。合金铸锭在500℃进行均匀化处理16h；处理后铸锭扒皮得到挤压用的锭坯。挤压用的锭坯在400℃保温3小时，放入挤压筒进行一次开坯挤压，获得直径为150mm的一次开坯棒料。开坯的棒料进一步机械加工成直径为145mm、中心带直径45mm孔的空心锭坯。空心锭坯在460℃保温3小时，采用带直径为46mm的穿孔针的双动卧式挤压机挤压，模具孔直径为60mm，获得无缝管材，其外径为60mm，内径为46mm，管材厚度为7mm，长度约3000mm，如图2。挤压后获得的无缝管材在200℃时效处理80小时。挤压无缝管材的金相微观组织如图3(a)；经过时效处理后，出现细小析出相，扫描电镜组织如图3(b)所示。按国标GB/T228-2002进行力学性能测试，其抗拉强度为405MPa，屈服强度315MPa，伸长率6%，如图4所示。
实施例2
采用金属型重力铸造获得直径为270mm，高为400mm的圆柱体铸锭。经过化验其合金化学成分为：Mg-9.25Gd-2.88Y-0.46Zn-0.39Zr。合金铸锭在500℃进行均匀化处理16h；处理后扒皮。合金锭坯在400℃温度保温3小时，放入挤压筒进行一次开坯挤压，获得直径为150mm的一次开坯棒料。开坯的棒料进一步机械加工成直径为145mm、中心带直径45mm孔的空心锭坯。空心锭坯在480℃保温3小时，采用带直径为46mm的穿孔针的双动卧式挤压机挤压，模具孔直径为60mm，获得无缝管材，其外径为60mm，内径为46mm，管材厚度为7mm，长度约4000mm，如图5。挤压后获得的无缝管材在200℃进行时效处理80小时。挤压无缝管材的光学显微组织如图6(a)；经过时效处理后，组织中存在大量层片状析出相，如图6(b)所示。按国标GB/T228-2002进行力学性能测试，其抗拉强度为440MPa，屈服强度390MPa，伸长率7％，如图7所示。
实施例3
采用金属型重力铸造获得直径为270mm，高为420mm的圆柱体铸锭。经过化验其合金化学成分为：Mg-9.04Gd-1.91Y-0.97Zn-0.32Zr。合金铸锭在520℃进行均匀化处理10h；处理后铸锭扒皮得到合金锭坯。合金锭坯在420℃温度保温5小时，放入挤压筒进行一次开坯挤压，获得直径为125mm的一次开坯锭坯。该一次开坯锭坯进一步机械加工成直径为120mm、中心带直径50mm孔的无缝管材挤压用的空心锭坯。空心锭坯在440℃保温3小时后采用带直径为46mm的穿孔针的双动的卧式挤压机挤压，模具孔直径为68mm，获得无缝管材，其直径为外径68mm，内径为46mm，管材厚度为11mm，长度约2000mm，如图8。挤压后获得的无缝管材在200℃进行72小时的时效处理。挤压无缝管材的光学金相显微组织如图9(a)；时效处理组织中存在大量片层析出相，如图9(b)所示。按国标GB/T228-2002进行力学性能测试，其抗拉强度为430MPa，屈服强度380MPa，伸长率9%，如图10所示。
Claims (8)
1.一种高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：以质量百分比计，管材合金成分为：Gd：8.0～10.0％；Y：1.0～3.0％；Zn：0～1.0％；Zr：0.1～0.7％；其余为Mg；该管材的制备工艺包括如下步骤：
1)将所述合金成分熔炼后浇注成铸锭，铸锭为半径5～1000mm、长20～15000mm的圆柱体；
2)合金铸锭经锯切、均匀化处理、车刀扒皮，得到合金铸锭坯；铸锭坯的尺寸与挤压筒工作区的尺寸相匹配；
3)将合金铸锭坯在350～550℃保温0.1～24小时后，放入挤压筒在350～550℃进行挤压开坯，获得圆棒挤压锭坯；
4)将经步骤3)一次挤压开坯后获得的挤压锭坯进一步加工成中心带孔的二次无缝挤压用的空心锭坯，加工的空心锭的长度为10～1200mm，中心孔直径为1～990mm；
5)空心锭保温处理后，采用带穿孔针的双动卧式挤压机挤压获得无缝管材；
6)将无缝管材在160～250℃进行时效处理0.5～300小时，获得高强度镁合金挤压无缝管材。
2.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：步骤1)中采用金属型重力铸造、砂型重力铸造或半连续铸造方法获得合金铸锭。
3.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：步骤2)中所述均匀化处理工艺为在450～580℃范围内进行1～100小时处理后冷却至室温；冷却至室温的方式为空冷或水淬。
4.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：步骤3)中挤压头速度为0.05～100mm/s，挤压锭坯直径为20～1000mm。
5.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：步骤5)中保温温度为350～550℃，保温时间为0.1～100小时。
6.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：步骤5)中挤压机的挤压筒、挤压模、穿孔针和挤压垫温度范围为350～550℃，挤压头的速度为0.05～100mm/s。
7.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：管材的力学性能为：抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥300MPa，伸长率≥6％。
8.根据权利要求1所述高强度镁合金挤压无缝管材的制备工艺，其特征在于：所述管材的规格为：外径5～1000mm，壁厚0.5～499mm。
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