CN103774071A - 一种具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，该制备方法包括微量元素孕育变质处理、变形加工调控和球化再结晶过程三个步骤。具体包括为：首先通过含有微量元素的少量熔体通过稀释混合对镁合金熔体进行孕育变质处理，然后通过变形加工调控法细化第二相和基体晶粒，最后通过球化和再结晶处理制备出具有球形第二相弥散分布于近球形基体晶粒中的细晶超塑性镁合金组织。该方法制备的组织中第二相尺寸细小，形状圆整，均匀弥散分布在基体晶粒中和晶界上；与传统无规则和长条状的第二相相比，显著提高了材料的超塑性变形能力。该方法能够制备大尺寸样品、方法简单、可靠，易于推广应用；非常适合于批量生产宽幅薄板或薄带材超塑性镁合金。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种高性能超塑性镁合金的轧制方法。
背景技术
镁合金密度低，比强度和比刚度高、导电导热性好，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，良好的再生回用等优点，在汽车、通讯、航空、3C产品等领域中备受青睐。尤其在轻量化方面，具有难以替代的显著优势。然而，常用镁合金的塑性变形能力差，限制了其应用。超塑性镁合金具有优异的变形和成形能力，近年来引起了人们的广泛关注。目前，超塑性镁合金的制备方法主要有：等径角挤压、旋压法、快速烧结法、搅拌摩擦改性法等。然而，上述研究目前仍处于实验室阶段，主要以制备小尺寸样品为主，难以实现大尺寸样品制备和批量生产，且制备的样品中第二相形貌不规则、尺寸较大、易于偏聚分布。本发明给出一种超塑性镁合金制备方法，获得的第二相尺寸细小、形貌圆整，均匀弥散分布，有利于超塑性变形过程的晶界滑移转动和有效防止变形过程中基体晶粒长大，显著提高了材料的超塑性变形能力。本发明方法简单，适用于宽幅板材的大批量轧制生产，易于推广应用。
发明内容
本发明目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于批量生产和推广应用的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，球形第二相均匀分布在基体晶粒中和晶界处，有利于超塑性变形过程的晶界滑移转动和有效防止高温变形过程中基体晶粒的长大，显著提高了镁合金的超塑性变形能力。
本发明的技术方案是：通过微量元素对商业镁合金熔体孕育变质处理、变形加工调控和球化再结晶过程，制备出第二相尺寸细小、形貌圆整，均匀弥散分布在基体晶粒中和晶界处的细晶超塑性镁合金。具体包括：
一种具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，该制备方法包括微量元素孕育变质处理、变形加工调控和球化再结晶过程三个步骤；所制备的镁合金组织由尺寸小于1.0微米的球形第二相和尺寸小于10微米的近球形基体晶粒组成，球形第二相均匀弥散分布于基体晶粒中和晶界上，制备的镁合金具有超塑性变形能力；该制备方法包括以下步骤：
(1)孕育变质处理
①将商业镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于10:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭，或者直接将混合熔体铸轧成板坯；
(2)变形加工调控
①将上述铸锭先进行常规热处理，挤压成一定厚度的板坯，然后将挤压板坯经过10道次以上总压向量大于或等于70%的轧制，每道次压下量大于或等于5%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化处理，轧制成薄板；
②将上述铸轧板坯先进行常规热处理，然后经过10道次以上总压向量大于或等于70%的轧制，每道次压下量大于或等于5%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化热处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织；
所述的加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于3%；所述的加入微量元素总质量与混合熔体总质量的比小于或等于0.3%；
所述的含有微量元素的石墨坩埚中的熔体，还可以倒入含有商业镁合金熔体的浇包内进行孕育变质，或者在浇铸过程中直接与商业镁合金熔体同时倒入铸型内进行孕育变质；
所述的微量元素可以用元素单质的形式加入熔体中，还可以用商业中间合金的方式加入熔体中。
本发明与目前现有的技术相比具有以下特点：
本发明提供一种能够制备大尺寸样品、方法简单、可靠，适合于批量生产的细晶超塑性镁合金制备方法，主要具有以下优点：
(1)本发明加入的微量元素能够有效的改变第二相的形态，减小第二相尺寸；并且第二相彼此相互反应，形成的化合物SrTe、YBi、SrSb等能够作为第二相和基体的核心，有利于变形加工调控和球化再结晶过程获得细小、球形第二相和近球形基体晶粒；
(2)变形加工调控过程中的第二相均匀化热处理使得后续变形过程更加容易，有利于提高材料的成品率；同时，也有利于球化再结晶过程获得细小、球形、弥散分布第二相的形成；
(3)获得的第二相尺寸细小，多数分布在纳米级，少数为亚微米级，形貌圆整，均匀弥散分布在基体晶粒中和晶界上；基体晶粒呈近球形，尺寸分布均匀，小于10微米；
(4)本发明球形第二相与传统无规则和长条状的第二相相比，明显有利于超塑性变形过程的晶界滑移、转动和有效防止高温变形过程基体晶粒长大，显著提高了材料的超塑性变形能力；
(5)本发明第二相既可以是单一第二相，也可以是两种以上混杂第二相；
(6)适合于批量生产宽幅薄板材或薄带材超塑性镁合金，解决了现有技术难以批量生产超塑性板材的瓶颈难题。
附图说明
图1球形第二相Mg17Al12均匀弥散分布在AZ91镁合金基体中
图2球形第二相Mg17Al12的高倍场发射扫描形貌
具体实施方式
实施例一
(1)孕育变质处理：
①将商业AZ91镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比按照12:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭；
(2)变形加工调控：将上述铸锭先进行常规热处理，然后挤压成一定厚度的板坯，然后将挤压板坯经过13道次以上总压向量大于75%的轧制，每道次压下量大于7%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理：
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
实施例二
(1)孕育变质处理：
①将商业AZ31镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在680摄氏度静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素碲、锑、铋中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于4%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于11:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.4%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭；
(2)变形加工调控：将上述铸锭先进行常规热处理，然后挤压成一定厚度的板坯，然后将挤压板坯经过11道次以上总压向量大于或等于80%的轧制，每道次压下量大于或等于8%，且在总压下量达到50%时进行180–400摄氏度保温20–250分钟的第二相均匀化处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理：
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温20–40分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温20–150分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
实施例三
(1)孕育变质处理：
①将ZK60镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于10:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体直接将铸轧成板坯；
(2)变形加工调控：将上述铸轧板坯先进行常规热处理，然后经过15道次总压向量大于或等于74%的轧制，每道次压下量大于8%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化热处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理：
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
实施例四
将商业AZ91、AZ31、AZ61、AT63、ZK60等牌号镁合金，按照本发明内容制备成超塑性镁合金材料，显微组织中的第二相尺寸细小，小于1.0微米，且形貌圆整，均匀弥散分布在基体晶粒中和晶界处，与传统无规则和长条状第二相相比明显有利于晶界滑移和转动；基体晶粒尺寸分布均匀，小于10微米，在高温变形过程不易长大。如本发明制备的超塑性AZ91镁合金中球形第二相尺寸为0.5–2.0微米，基体晶粒为3.0–5.0微米，在250摄氏度下拉伸变形总应变超过560%，在300摄氏度下拉伸变形总应变超过730%，具有优异的超塑性变形能力。主要制备参数见表1（微量元素含量为重量百分比）。
表1实施例四的主要制备参数
注：镁合金牌号中的字母A、Z、K和T分别表示Al、Zn、Zr和Sn元素，数字表示含量。
Claims (8)
1.一种具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
该制备方法包括微量元素孕育变质处理、变形加工调控和球化再结晶过程三个步骤；所制备的镁合金组织由尺寸小于1.0微米的球形第二相和尺寸小于10微米的近球形基体晶粒组成，球形第二相均匀弥散分布于基体晶粒中和晶界上，制备的镁合金具有超塑性变形能力；该制备方法包括以下步骤：
(1)孕育变质处理
①将商业镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于10:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭，或者直接将混合熔体铸轧成板坯；
(2)变形加工调控
将上述铸锭先进行常规热处理挤压成一定厚度的板坯，或将先进行常规热处理的上述铸轧板坯，经过10道次以上总压下量大于或等于70%的轧制，每道次压下量大于或等于5%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化热处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
2.根据权利要求1所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述的加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于3%；所述的加入微量元素总质量与混合熔体总质量的比小于或等于0.3%。
3.根据权利要求1所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述的含有微量元素的石墨坩埚中的熔体，包括倒入含有商业镁合金熔体的浇包内进行孕育变质，或者在浇铸过程中直接与商业镁合金熔体同时倒入铸型内进行孕育变质。
4.根据权利要求1所述的具有球形第二相超塑性镁合金制备方法，其特征在于：
所述的微量元素用元素单质的形式加入熔体中，或用商业中间合金的方式加入熔体中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
(1)孕育变质处理
①将商业AZ91镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比按照12:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭；
(2)变形加工调控
将上述铸锭先进行常规热处理，然后挤压成一定厚度的板坯，然后将挤压板坯经过13道次以上总压向量大于75%的轧制，每道次压下量大于7%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
6.根据权利要求1至4任一项所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
(1)孕育变质处理
①将商业AZ31镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在680摄氏度静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙、硼中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素碲、锑、铋中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于4%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于11:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.4%；
④将孕育变质后的混合熔体浇铸成铸锭；
(2)变形加工调控
将上述铸锭先进行常规热处理，然后挤压成一定厚度的板坯，然后将挤压板坯经过11道次以上总压向量大于或等于80%的轧制，每道次压下量大于或等于8%，且在总压下量达到50%时进行180–400摄氏度保温20–250分钟的第二相均匀化处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温20–40分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温20–150分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
7.根据权利要求1至4任一项所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
(1)孕育变质处理
①将ZK60镁合金进行常规熔化，经过精炼、吹气净化和清渣处理后，在660摄氏度以上静置保温，形成商业镁合金熔体；
②将一定质量的上述商业镁合金或者纯镁放入另外一个小型石墨坩埚中，在氩气保护下加热至660–850摄氏度熔化，加入微量元素锶、钇、钙中的至少一种，吹氩气搅拌，继续加入微量元素锡、碲、锑、铋、磷中的至少一种，吹氩气搅拌，使熔体中的元素发生充分反应；所加入的微量元素总质量与石墨坩埚中熔体总质量的比小于或等于5%；
③按照上述准备好的商业镁合金熔体质量与小型石墨坩埚中熔体质量的比大于或等于10:1的稀释比例，将含有微量元素的石墨坩埚中的熔体倒入上述静置保温商业镁合金熔体中进行孕育变质处理，并对混合后的熔体吹气搅拌均匀；所加入微量元素总质量与稀释后混合熔体总质量的比小于或等于0.5%；
④将孕育变质后的混合熔体直接将铸轧成板坯；
(2)变形加工调控：将上述铸轧板坯先进行常规热处理，然后经过15道次总压向量大于或等于74%的轧制，每道次压下量大于8%，且在总压下量达到50%时进行150–430摄氏度保温10–300分钟的第二相均匀化热处理，轧制成薄板；
(3)球化再结晶处理：
①将上述轧制薄板置于加热炉中，在氩气保护下加热至100–150摄氏度保温10–60分钟，消除内应力，然后降至室温；
②在氩气保护下，继续加热至150–350摄氏度保温3–300分钟，进行第二相球化和基体晶粒的再结晶处理，获得具有球形第二相和近球形基体晶粒超塑性变形能力的组织。
8.根据权利要求1至4任一项所述的具有球形第二相超塑性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述商业镁合金采用AZ61或AT63牌号镁合金。
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