CN103805923A - 一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镁合金塑性加工技术，即一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法。具体方法：将铸态或者变形态镁合金，均匀化退火后，在一定温度下，沿着块体材料的一个方向对其进行连续高速锤击锻打，达到一定变形量后，翻转材料，沿着另一个方向继续高速连续锤击锻打到一定变形量，然后将材料翻转到另一方向，如此循环锤击锻打，直至材料达到预定的变形量和尺寸，最后对材料进行热处理。本方法利用镁合金在高速锤击锻打过程中形成的织构结合改变锤击锻打方向，提高了镁合金锻造时能够承受且不致开裂的极限变形量，提高镁合金的塑性加工性能。本方法适用于镁及其合金材料，提高了它们锻造加工的生产效率。

Description

一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金加工技术，特别涉及一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比重小、比强度高、高阻尼、高导热性以及减震性好、易于回收等优点，在汽车、轨道交通、军工和航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，由于镁合金塑性加工性能较差，其锻造效率低、成品率低，导致锻造镁合金产品成本高，限制了锻造镁合金的规模化应用。

由于镁合金是密排六方结构，独立滑移系少，导致塑性加工变形困难。镁合金的塑性加工过程中对加工温度、应变速率和变形量非常敏感，因而，镁合金的锻造通常需要开坯，并且需要经过多次退火在慢速条件下进行锻造。目前，工业上广泛采用如下主要关键工艺流程生产镁合金锻件：1.将镁合金铸锭加热后在挤压机将铸锭挤压成棒材，这一工序称为挤压开坯，通过这一工序使镁合金铸造组织中的枝晶被打碎，同时细化了晶粒尺寸，利于后续锻造加工。2.将挤压开坯的棒材坯料再加热，采用液压机（水压机、油压机等）等对其进行慢速锻造，而液压机的最大工作速度为40mm/s，但实际上锻造的应变速率一般仅为10^-3s^-1。这一锻造工艺路线要经历加热-挤压-再加热-慢速锻造等主要工序，工艺流程长，生产效率低，通常完成一个锻件的生产至少需要两个生产班次。并且，这种方法由于应变速率低、需要多次退火，因而不仅生产效率低，而且多次加热导致锻造材料的性能不高；同时锻造和加热设备损耗大，导致镁合金锻造产品成本高。因而，研究和开发提高镁合金锻造性能和生产效率的锻造方法是推进锻造镁合金产品应用的关键技术。

中南大学报道了一种高速冲锻制备细晶镁合金的方法（专利公开号CN102517527A），采用的是高应变速率和大变形量的冲锻方法，其冲锻应变速率为0.1~100s-1，单道次压下量为60-90%。该方法采用高速和单道次大变形量，以及将冲锻件剪裁、叠加、重新加热后继续冲锻，可以获得细晶组织的镁合金。然而该冲锻方法也存在一些缺点：由于采用高速、大变形量，因而冲锻所需的能量很大，要求设备可施加的载荷大、对设备的稳定性要求高；而且，每次冲锻后将材料水淬，然后回炉重新加热，到温并保温一定时间后再次对其进行冲锻，生产能耗高，生产效率低；只有一个方向的应变，因而不适合生产大体积的块体材料。

重庆大学报道了一种镁合金板材的锻造开坯方法（专利公开号CN102513484A），轧制前，在室温～200℃时预先对板坯采用小应变量侧面交叉锻造，提高镁合金板材热轧制的单道次压下量和连续轧制能力，减小轧制道次和中间退火次数。该方法是低温下进行小变形的压缩，提高后续轧制性能的锻造开坯方法，由于采用低温（室温～200℃）和小变形量，只能发生孪生，并不会再结晶，所以只是一种开坯方法，不适合生产块体镁合金的最终产品。

发明内容

本发明提供了一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法，该方法减少了镁合金锻件生产的工序、缩短了工序流程，提高了镁合金的锻造加工效率，降低生产成本，同时制备高性能的块体镁合金材料（因为后续实施例没有性能的数据，这一句是否保留，因为本发明侧重的是生产效率的提高）。

本发明技术方案如下：

一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法，该方法包括如下步骤：

1）沿着镁合金的一个方向进行连续多次高速锤击锻打，直至该方向的应变量达到5~80%；所述镁合金为块体坯料，坯料为铸锭或变形态材料；

2）将镁合金翻转10~90°，沿着镁合金翻转后的方向继续进行连续多次高速锤击锻打，直至该方向的应变量达到5％～80%；

3）多次重复步骤2）的过程（重复次数为20～1000次），直至经此锻造工序后达到所需要的形状和尺寸。

所述连续多次高速锤击锻打其锤击次数为在每一个方向的锤击次数为2~100次，锤击频率为每分钟50~1000次；每次锤击的应变量为2.5～30%，被锻造材料的应变速率为1~1000s^-1，锻锤接触被锻造材料前的锤速为1.0m～100m/s，锤击锻打温度为200～550℃。

所述将镁合金翻转10～90°是指：首先对镁合金内部设定一个X-Y-Z三维正交坐标系，经一个方向的锤击后，将镁合金沿X方向、Y方向或Z方向翻转10～90°，具体翻转轴和翻转角度根据镁合金材料经此锻造工序后要达到的形状和尺寸进行选择。

上述锤击锻打镁合金过程中，当镁合金的温度低于200℃时（继续锤击锻打可能导致其开裂时），将其回炉使其温度升高至200～550℃后，重复上述步骤，继续对其锤击锻打。

步骤1）之前对镁合金进行均匀化处理，均匀化处理温度为350~550℃，时间为0～24h。

对步骤3）锻造后的镁合金产品进行热处理，根据产品性能需要进行热处理，热处理温度为150～450℃，时间为0.5~100h。

上述锻造方法，适用于生产镁及含有合金元素的镁合金的锻造材料，包括（但不限于）：纯镁、Mg-Al系列、Mg-Zn系列、镁-稀土系列、Mg-Li系、Mg-Mn系、Mg-Sn系等镁合金。

本发明设计原理如下：

镁合金是密排六方结构，层错能较低，变形比较困难，通常需要在慢速时才可以进行塑性加工，通过缓慢变形过程中的位错滑移、再结晶松弛应力，这样才能保证后续变形持续进行；随变形速度提高，变形时间缩短，位错滑移导致的应力无法通过再结晶松弛，再结晶引起的应力松弛速度小于应力增加的速度，变形就很困难，容易发生开裂。

但是当温度足够高时，镁合金的变形方式会由滑移转为孪生，孪生不仅可以引起晶粒取向的变化，而且孪晶也可以诱发再结晶，二者共同的作用使松弛应力的效率高。本发明基于对镁合金高温变形的这一物理机制的新认识，提出避开镁合金不可锻造的中等速度区间，提供一种多方向、循环、高速锻造镁合金的方法。

本发明通过加热镁合金铸锭，然后对其进行高速锤击锻打，通过高应变速率、多次小变形量、多方向击打，充分利用镁合金孪生变形的优点，通过方向的变化促进孪生的发生，克服镁合金塑性加工性能差的缺点，可以实现镁合金大的累积变形量；由于镁合金是密排六方结构，滑移系少，塑性较差，对应变速率敏感，利用小变形量、高速多方向连续锤击锻打，提高了锻造加工速率。同时，省略了锻造前的挤压开坯工序。由于镁合金层错能较低，在慢速的液压锻造过程中及其中间退火过程中，容易发生动态再结晶和晶粒长大，通过对镁合金高速、连续、多向的锤击锻打，可以有效抑制动态再结晶和晶粒长大，获得细小的组织的镁合金锻件。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用高速连续锤锻方法，提高了应变速率，缩短了镁合金锻件生产的工序流程，或者减少了退火次数，可大幅度提高锻造效率，更有利于规模化工业生产和应用。

2、本发明采用小应变量和多方向锻造相结合的方法，充分利用改变锻造方向引起镁合金晶粒取向变化，提高镁合金的锻造性能，提高产品成材率，能够实现镁合金的高速、连续多次击打锻造。

3、本发明采用多向锻造，不仅可以生产大体积的块体材料（块体尺寸根据锻造设备的吨位及其工作台尺寸选择确定），而且可以保证锻造前后材料的形状不发生变化，或者根据零件要求的尺寸和形状直接生产一定形状的零件毛坯。

4、本方法适合采用的设备类型多，只要设备能对镁合金实施高速、连续击打就可以达到本发明的目的。可采用（但不限于采用）已有的常规工业锤锻机，设备不需设计和改进，操作简单方便，具有良好的工业前景。

附图说明

图1为本发明一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。实施例包含了Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE系合金，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，对于具有更好塑性加工性能的Mg-Li、Mg-Mn系等合金本发明也普遍适用。

如图1所示，本发明通过加热镁合金，然后对其进行锤击锻打，通过高应变速率、多次小变形量、多方向击打，可以克服镁合金塑性加工性能差的缺点，不仅可以使镁合金实现很大的累积变形量，而且可以提高锻造加工速率，并获得细小晶粒组织。以下各实施例中，通过将镁合金翻转不同的角度实现对镁合金材料的多方向锤击锻打，锤锻机锤头的锤击方向始终保持不变。

实施例1

1）选用AZ80铸态材料，切成80mm×80mm×100mm方块，在400℃均匀化处理2小时后，在250Kg工业空气锤锻机上，进行连续锤锻。首先沿着样品的高度方向（Z方向）连续锤锻3次，锤击频率为20次/分钟，锤击速度为1m/s，应变速率为10s^-1，每次应变量为5％，高度方向的总应变量达到15%；将样品旋转90℃，沿着样品的宽度方向（Y方向）连续锻造4次，锤击频率为50次/分钟，锤击速度为10m/s，应变速率为10s^-1，每次应变量为6%，该方向的总应变量达到24%；将样品再旋转90℃，沿着样品的长度方向（X方向）连续锻造2次，锤击频率为60次/分钟，锤击速度为10m/s，应变速率为20s^-1，每次应变量为7％，该方向的总应变量达到14%；如此继续循环400次，方向为Z-Y-X-Z-X-Y-Z-X……，在第280次循环，样品温度降低到250℃时，重新加热至400保温10分钟，锻造过程所用时间为32分钟（锻造时间12分钟，重新加热和保温时间为20分钟），最终样品的尺寸为86mm×85mm×87mm，材料无任何裂纹。

实施例2

选用Mg-2.0Zn-0.8Gd-0.4Zr铸态材料，切成50mm×50mm×60mm方块，在500℃均匀化处理24小时后，在250Kg工业锤锻机上，进行连续锤锻。首先沿着样品的高度方向（Z方向）连续锤锻4次，锤击频率为30次/分钟，锤击速度为15m/s，应变速率为50s^-1每次应变量为6%，高度方向的总应变量达到24%；将样品旋转90℃，沿着样品的长度方向（X）锻打2次，锤击频率为70次/分钟（补充），锤击速度为70m/s（补充），应变速率为100s^-1，应变量为20%，该方向的总应变量为20%；将样品再旋转90℃，沿着样品的宽度方向（Y）连续锻造5次，锤击频率为200次/分钟，锤击速度为100m/s，应变速率为5s^-1，每次应变量为8％，该方向的总应变量达到40%。将样品旋转90℃，回到样品原来的X方向，沿着该方向（X）连续锻造4次，锤击频率为500次/分钟，锤击速度为120m/s，应变速率为70s^-1，每次应变量为7%，该方向的总应变量达到28%；继续如此循环300次，方向为Z-X-Y-X-Z-Y-X-Y-X-Z...，中间没有重新加热退火，锻造时间为8分钟，最终样品的尺寸为35mm×40mm×107mm，材料无任何裂纹。

实施例3

选用AZ31轧制态材料，切成50mm×55mm×60mm方块，在420℃均匀化处理0.5小时后，在250Kg工业锤锻机上，进行连续锤锻。首先沿着样品的长度方向（X方向）连续锤锻5次，锤击频率为70次/分钟，锤击速度为40m/s，应变速率为40s^-1，每次应变量为4%，高度方向的总应变量达到20%；将样品旋转90℃，沿着样品的高度方向（Z）连续锻造10次，锤击频率为100次/分钟，锤击速度为60m/s，应变速率为100s^-1，每次应变量为2％，该方向的总应变量达到20%；将样品再旋转90℃，沿着样品的宽度方向（Y）连续锻造8次，锤击频率为300次/分钟，锤击速度为100m/s，应变速率为45s^-1，每次应变量为4％，该方向的总应变量达到32%。将样品旋转90℃，回到样品原来的X方向，沿着该方向（X）连续锻造2次，应变速率为80s^-1，每次应变量为21%，该方向的总应变量达到42%；继续如此循环1000次，方向为X-Z-Y-X-Z-X-Z....，在第400次循环，样品温度降低到200℃时，重新加热至420保温10分钟，锻造过程所用时间为45分钟（锻造时间25分钟，重新加热和保温时间为20分钟），最终样品的尺寸为60mm×40mm×68mm，材料无任何裂纹。

Claims (8)

1.一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1）沿着镁合金的一个方向进行连续多次高速锤击锻打，直至该方向的应变量达到5~80％；

2）将镁合金翻转10～90°，沿着镁合金翻转后的方向继续进行连续多次高速锤击锻打，直至该方向的应变量达到5％～80%；

3）多次重复步骤2）的过程，直至经此锻造工序后达到所需要的形状和尺寸。

2.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：所述镁合金为块体坯料，坯料为铸锭或变形态材料。

3.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：所述连续多次高速锤击锻打其锤击次数为在每一个方向的锤击次数为2~100次，锤击频率为每分钟50～1000次；每次锤击的应变量为2.5~30%，被锻造材料的应变速率为1~1000s-1，锻锤接触到被锻造材料前的锤速为1.0m～100m/s，锤击锻打温度为200～550℃。

4.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：所述步骤3）中，重复步骤2）的次数为20～1000次，具体根据材料经此锻造工序后要达到的尺寸和形状决定。

5.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：所述将镁合金翻转10～90°是指：首先对镁合金内部设定一个X-Y-Z三维正交坐标系，经一个方向的锤击后，将镁合金沿X方向、Y方向或Z方向翻转10～90°，具体翻转轴和翻转角度根据材料经此锻造工序后要达到的形状和尺寸进行选择。

6.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于：锤击锻打镁合金过程中，当镁合金的温度低于200℃时，将其回炉使其温度升高至200～550℃后，重复上述步骤，继续对其锤击锻打。

7.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：步骤1）之前对镁合金进行均匀化处理，均匀化处理温度为350~550℃，时间为0～24h。 

8.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于：对步骤3）锻造后的镁合金产品进行热处理，热处理温度为150～450℃，时间为0.5~100h。 

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