CN104831137B - 一种时效强化型镁合金及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时效强化型镁合金及其热处理工艺,该合金各组份的重量百分比为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%,其余为镁和不可避免的杂质。所述合金铸锭经330~360℃×4~8h+400~420℃×16~20h双级均匀化处理,于360‑400℃热加工成型,对成型产品做400~430℃保温2~4h的固溶处理,水冷,随即进行80~100℃×3~5h+175~190℃×15~18h双级时效,可获得远远优于商用高强度ZK60镁合金的时效强化效应,明显提高合金强度。该合金不含贵重金属、成本低;打破了传统商用镁合金通过MgZn2相实现时效强化的局限;通过适当热处理工艺的配合,可以促进合金中的析出相以细小弥散的形式析出、最大限度地发挥合金的时效强化潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金材料和处理工艺,尤其涉及一种时效强化型镁合金及其热处理工艺。属于金属材料技术领域。
背景技术
镁是迄今为止最轻的商用金属结构材料,在3C、航空航天、交通运输等领域显示了巨大的应用潜力。但是,镁合金的发展应用远不及轻质金属铝,其主要原因之一是镁的绝对强度不足。时效强化是一种有效的强化金属材料的手段,可以大幅度提高金属材料的强度。目前的商用高强度镁合金包括Mg-Zn-Zr系(典型合金ZK60)和Mg-RE系(典型合金WE43),其强化镁的手段即是时效强化。
但是,Mg-Zn系合金中,时效强化相MgZn2沿着镁基体基面析出,不能有效阻碍基面位错滑移,因此时效强化作用有限,限制了合金强度的提升效果;而且,合金中添加了作为晶粒细化剂的贵金属元素Zr,虽然其含量不高(≥0.45wt%),但是在一定程度上增加了合金成本。而以稀土为主要添加元素的Mg-RE合金系,虽然稀土强化相有较好的强化效果;但是,由于稀土价格昂贵,该类合金仅用于航空航天等领域,限制了合金的使用范围。如何开发出具有显著时效强化效应的低成本镁合金、大幅度提高镁合金的强度,是镁发展应用中的一个瓶颈问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种时效强化型镁合金及其处理工艺。
本发明的目的是这样实现的:一种时效强化型镁合金,其特征在于,所述镁合金由镁、锌、铜、锰组成,其重量百分组成为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%,其余为镁和不可避免的杂质。
进一步,按上述配方配料,以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料,采用半连续铸造法熔炼铸造;具体包括如下步骤:
首先,加热至720℃熔化工业纯镁,保温5~10min,扒渣,然后升温至750~780℃,加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌,当全部熔化后,静置10~20min;
然后,打渣加入六氯乙烷精炼剂,精炼3-5分钟;打渣后静置保温10~20min;
最后,降温至710~740℃浇注成铸锭。
本发明还提供一种时效强化型镁合金的热处理工艺,包括以下步骤:
1)将上述浇注获得的铸锭锯切车皮,于(330~360)℃×(4~8)h+(400~420)℃×(16~20)h的条件下进行双级均匀化处理;
2)在360-400℃热加工成型;
3)对热加工成型的型材进行固溶时效热处理,其中固溶处理在400~430℃保温2-4h;
4)水冷后,随即采用双级时效工艺,工艺参数为(80~100)℃×(3~5)h+(175~190)℃×(15~18)h。
其中,所述热加工包括热挤压、热轧、热锻等方式。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
1.本发明时效强化型镁合金中的合金元素均为常用金属元素,其中铜、锰元素的含量均小于1.5%。与Mg-Zn-Zr系合金相比,不含晶粒细化剂Zr元素;与Mg-RE系合金相比,不含稀土元素,因此合金成本大大降低。
2.本发明时效强化型镁合金中的时效强化相为Mg3Zn4Mn三元相,打破了传统商用镁合金通过MgZn2相实现时效强化的局限。该析出相具有明显的时效强化效应,强化效果好。
3.本发明时效强化型镁合金中含有一定量的Cu,Cu主要以Mg(Cu, Zn)2化合物的形式存在,在热加工和热处理过程中,可以有效抑制再结晶晶粒长大,使合金保持稳定细晶状态,从而能够进一步提高合金强度,同时改善塑性。
4.本发明时效强化型镁合金的热处理工艺,采用双级均匀化处理使合金元素Zn、Mn尽可能固溶于基体中,一方面提高其在基体中的固溶度,另一方面减小铸锭中粗大初生化合物相对塑性变形的不利影响;热加工过程中,未溶化合物被破粹、尺寸细化,在随后的固溶热处理中进一步溶入基体、提高合金元素的固溶度;时效热处理首先采用较低温的短时时效,以增大析出相析出的驱动力、提高形核率,随后适度提高温度进行充分时效析出,从而促进析出相以细小弥散的形式析出、最大限度地发挥合金的时效强化潜力。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:一种时效强化型镁合金,所述镁合金中各组份的重量百分比为锌8.0%、铜1.5%、锰1.0%,其余为镁和不可避免的杂质。
本发明的时效强化型镁合金采用以下制备工艺来制取:以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料,采用半连续铸造法熔炼铸造。
在电阻坩埚炉中加热至720℃熔化工业纯镁,保温5min,扒渣,然后升温至760℃,加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌,当全部熔化后,静置15min,打渣后加入六氯乙烷精炼剂,精炼3-5分钟,打渣后静置保温15min,之后降温至720℃左右浇注成型。
本发明提供的热处理工艺方法,包括以下步骤:
1)将浇注获得的铸锭锯切车皮,之后采用340℃×6h+420℃×16h进行双级均匀化处理;
2)在385℃热挤压,挤压比25,得到Ф16的合金棒材;
3)对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理,其中固溶处理在420℃保温2h;
4)水冷,随即双级时效,工艺参数为90℃×4h+180℃×16h。
对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能,得到其屈服强度分别为217和372MPa,时效后强度增量为155 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金,其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa,时效后强度增量仅为54MPa。可见,本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应,大大提高了合金强度。
实施例2:一种时效强化型镁合金,所述镁合金中各组份的重量百分比为锌7.3%、铜1.0%、锰0.8%,其余为镁和不可避免的杂质。采用与实施例1相同的制备工艺制备。
1)将浇注获得的铸锭锯切车皮,之后采用330℃×8h+400℃×20h进行双级均匀化处理;
2)在360℃热挤压,挤压比25,得到Ф16的合金棒材;
3)对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理,其中固溶处理在400℃保温4h,
4)水冷,随即双级时效,工艺参数为80℃×5h+175℃×18h。
对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能,得到其屈服强度分别为225和387MPa,时效后强度增量为165 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金,其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa,时效后强度增量仅为54MPa。可见,本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应,大大提高了合金强度。
实施例3:一种时效强化型镁合金,所述镁合金中各组份的重量百分比为锌6.8%、铜0.9%、锰1.2%,其余为镁和不可避免的杂质。采用与实施例1相同的制备工艺制备。
1)将浇注获得的铸锭锯切车皮,之后采用360℃×4h+410℃×18h进行双级均匀化处理;
2)在400℃热挤压,挤压比25,得到Ф16的合金棒材;
3)对热成型获得的棒材进行固溶时效热处理,其中固溶处理在430℃保温3h;
4)水冷,随即双级时效,工艺参数为100℃×3h+185℃×15h。
对经过固溶处理和固溶时效处理的合金棒材测试拉伸力学性能,得到其屈服强度分别为211和380MPa,时效后强度增量为169 MPa。对比在同样条件下挤压成型的ZK60镁合金,其固溶态和固溶时效态的屈服强度分别为192和246MPa,时效后强度增量仅为54MPa。可见,本发明时效强化型镁合金具有明显的时效强化效应,大大提高了合金强度。
综上,本发明实施例1至3在室温条件下Ф16棒材的力学拉伸性能如表1所示。为了便于比较,表1中列出了ZK60镁合金的力学性能数据。
表1 合金的拉伸力学性能
由表1可以看出,本发明(实施例1至3)的合金,尤其是经过本发明提供的固溶时效热处理后,具有明显的时效强化效应,大大提高了合金强度。性能较目前常用的商用高强度变形镁合金ZK60具有更好的性能。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种时效强化型镁合金的热处理工艺,其特征在于,按配方配料,以工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-10%Mn中间合金、Mg-30%Cu中间合金为原材料,采用半连续铸造法熔炼铸造;所述配方为锌6.8%~8.0%、铜0.8~1.5%、锰0.8%~1.5%,其余为镁和不可避免的杂质;具体包括如下步骤:
1)加热至720℃熔化工业纯镁,保温5~10min,扒渣,然后升温至750~780℃,加入Mg-10%Mn 中间合金、Mg-30%Cu 中间合金和工业纯锌,当全部熔化后,静置10~20min;
2)打渣加入六氯乙烷精炼剂,精炼3-5分钟;打渣后静置保温10~20min;
3)降温至710~740℃浇注成铸锭;
4)将步骤3)浇注获得的铸锭锯切车皮,于(330~360)℃×(4~8)h+(400~420)℃×(16~20)h的条件下进行双级均匀化处理;
5)在360-400℃热加工成型;
6)对热加工成型的型材进行固溶时效热处理,其中固溶处理在400~430℃保温2-4h;
7)水冷后,随即采用双级时效工艺,工艺参数为(80~100)℃×(3~5)h+(175~190)℃×(15~18)h。
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