CN105441840A - 一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，属于镁合金塑性加工技术领域。该方法首先将铸锭进行固溶处理，进行预热处理后再利用锻锤对其进行多道次、多方向、小变形量的连续循环高速锻打，通过严格控制初始及后续道次中每次锻打的变形量范围、道次总变形量范围，以及变形量的变化趋势，保障开坯成品率高于80％，并促使铸态组织迅速细化，坯料的高温塑性和加工成形性能显著提高，相同测试条件下的高温断裂伸长率可提高100％～1000％，达到良好开坯效果；在后续的再次锻造、轧制、挤压等过程中可以实现高速、大应变量加工，通过本发明不但可以大幅提升生产效率和成品率，并且有利于提高产品性能的均一性和稳定性。

Description

一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法

技术领域

本发明涉及镁合金塑性加工技术领域，具体涉及一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法。

背景技术

与其它金属、塑料和木料等结构材料相比，镁合金具有比强度、比刚度高，减振性好、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，被称为21世纪的绿色工程材料；尤其是在室温下具有超高强度，并具有优异高温耐热性能的高稀土含量的镁合金系合金，近年来越来越广泛地受到关注；其在室温下的抗拉强度可接近600MPa，250℃下的抗拉强度仍可高于300MPa，力学性能甚至优于一些传统的铝合金，完全可以作为承载部件，在航空航天、交通运输等领域存在部分取代铝合金零部件的巨大应用潜力。

但是由于大部分镁合金是密排六方的晶体结构，塑性变形时可开动的独立滑移系远少于铝、铜等面心立方金属，因此，塑性、加工性能和成形性能都很差；稀土元素的大量加入虽然使镁合金的强度和耐热性能得到了显著提高，但是其无论是以固溶原子还是析出相的形式存在，都会严重阻碍位错运动，并强烈抑制热机械加工过程中的动态再结晶行为，所以，这种高强耐热的高稀土含量Mg-RE系合金的塑性就更差，若直接采用常规的轧制、锻造等工艺对铸锭或铸坯进行加工，在加工初期往往极易造成锭坯开裂，导致产品成材率极低，即使勉强加工成形，由于无法采用大变形量的加工，生产效率十分低下，且产品性能的均一性和稳定性都不理想。挤压虽然可以保证一定的成材率，但是想获得可应用级尺寸的产品，较大的变形抗力则需要大吨位的挤压机，对生产条件提出了苛刻要求，且几乎无法获得大尺寸的三维块体材料，而且为了保证成形，挤压速率通常无法高于0.1mm/s，生产效率极低。因此，如何能够使Mg-RE系合金热机械加工性能迅速、大幅提高，是稳定、高效的生产出高强耐热镁合金产品，并促使其获得广泛应用的关键所在。

锤锻是一种以高压气体作为介质推动锤头作高速相对运动而产生悬空打击的传统加工工艺，广泛应用于铝合金和钢铁材料的锻造成形，操作灵活、效率高、设备结构简单、制造容易、安装方便、价格便宜。但是，由于镁合金的塑性较差，通常认为不适合进行高应变速率的加工，因此，锤锻加工尚未应用于镁合金的加工。

湖南大学的吴远志等人利用锻锤对ZK21[Y.Z.Wuetal,MicrostructureandmechanicalpropertiesofZK21magnesiumalloyfabricatedbymultipleforgingatdifferentstrainrates.Mater.Sci.Eng.A,2012.56:p.164-169]、ZK60[Y.Z.Wuetal,MicrostructureandmechanicalpropertiesofZK60magnesiumalloyfabricatedbyhighstrainratemultipleforging.Mater.Sci.Tech.,2013.29:p.54-59]和AZ31[吴远志等人，AZ31镁合金高应变速率多向锻造组织演变及力学性能.中国有色金属学报，2012.22:p.3000-3005]等不含稀土的镁合金进行了高应变速率的多向锻造加工，采用每次22％的大应变量打击变形，利用孪晶诱发动态再结晶(TDRX)和大量位错累积造成的转动动态再结晶(RDRX)，最终获得了细小的完全再结晶组织，使室温力学性能得到了显著提升。然而，这种在高应变速率下的大变形量的加工在高稀土含量的镁合金中却很难实现，尤其是在铸锭加工的初期，根本无法完成，必然会由于塑性不足导致开裂，并最终形成废品。

中南大学也报道过一种高速冲锻制备细晶镁合金的方法(专利公开号CN102517527A)，采用的也是锤锻加工方法，其锻造的应变速率为0.1～100s^-1，每次的打击变形量更大，要求达到60～90％。将冲锻件剪裁、叠加、重新加热后继续冲锻直至获得细晶组织。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，也无法作为生产大尺寸锻件的开坯工艺。

中科院金属所的陈荣石等人同样报道过一种利用锻锤对镁合金进行多方向、高速、锤击锻打的锻造加工方法(专利公开号CN103805923A)，该专利描述的加工方法，对变形量和转动方向的控制主要取决于工序要达到的形状和尺寸，而且最终需要进行退火处理，所以属于镁合金锻造产品的制备工艺范畴，而非开坯工艺；专利中提及的每次打击变形量为5％～80％，限定范围非常广，但却没有对初始变形量，加工过程中的变形量控制，以及道次总变形量等关键工艺进行具体限定；因此，即使勉强用作开坯工艺，也只适合于加工性能相对较好的非稀土或低稀土含量(稀土元素总含量小于10％)镁合金，这点在其应用实例里便可体现。

上述研究虽然可以证明高应变速率的锤锻加工可以作为普通镁合金材料的一种加工工艺，但是对于高稀土的高强耐热镁合金材料却几乎无法实现。因为二者存在本质上的差异。普通镁合金经过固溶处理后，由于粗大共晶相的消除，塑性会显著提高，因此，在高速锻造过程中无论是在变形初期还是后期都可以采用大变形量，变形过程中除了孪晶外，位错会大量启动，在晶界处塞积，在晶内交截，促使动态再结晶大量发生，完成组织细化，达到性能提升的目的。而由于Mg-RE键存在明显的方向性，有极强的共价键特征，会导致材料具有较强的脆性，因此，高稀土含量的镁合金在经过固溶处理后，虽然也可以使得大部分晶界上的粗大共晶相消失，但是由于大量稀土元素重新固溶到基体中，因此，固溶后的高稀土含量镁合金的塑性并不会有显著提升，高温(如300℃及以上)常规应变速率(1×10^-3s^-1)下的断裂伸长率可能达到20～30％，但高应变速率(1～200s^-1)下的断裂伸长率通常低于10％。此外，高稀土含量镁合金还有一个重要特点，就是大量固溶在基体中的稀土元素会严重阻碍位错运动并强烈抑制再结晶行为，所以固溶处理后的高稀土含量镁合金无法像普通镁合金那样通过大变形量促使位错大量启动，通过动态再结晶完成组织细化，而只能主要依靠孪晶的分割和交截来细化组织；而孪晶能提供的变量量十分有限，而且细化组织、释放应力、提供塑性的程度和速率，与位错滑移和再结晶相比，都相对较弱。所以，利用锤锻来加工高稀土含量的镁合金铸锭，关键在于对初始变形量，加工过程中的变形量的变化，以及道次总变形量等关键工艺参数的优化及严格控制，使粗大的铸态组织逐步通过孪生、孪晶数量的逐渐增多、对原始晶粒的分割，以及孪晶间的相互交割，不断细化；锭坯不至开裂，且高温塑性大幅改善。

可见，如果能够深入理解高稀土高强耐热镁合金在热机械加工过程中的微观组织及织构演变规律，针对其性能特点，采用合理的工艺流程及工艺参数，将锤锻工艺应用于高稀土高强耐热镁合金，作为大尺寸锻件及板材的开坯工艺，无疑会对其加工效率、成品率及性能均一性和稳定性的提高起到显著作用，进而促进其广泛应用。

发明内容

针对高稀土高强耐热镁合金铸造锭坯塑性差、极难加工的特点，本发明提供了一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，该方法通过多道次、多方向、小变形量的连续高速锻打，并严格控制变形条件(特别是初始变形量，加工过程中的变形量的变化，以及道次总变形量等关键工艺参数)，可以使其组织迅速细化、织构弱化，塑性和加工性能显著提高，且锻造过程中锭坯不易开裂，达到良好开坯效果。

本发明的技术方案如下：

一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，本发明所针对的高强耐热镁合金为高稀土含量镁合金(稀土元素含量≥8wt.％)，按重量百分含量计，其优选的化学成分为：Gd5.0～15.0％，Y1.0～5.0％，Nd0～2.0％，Zn0～2.0％，Zr0～0.9％，其余为Mg；其中：Gd+Y+Nd≥8％。

所述锤锻开坯方法包括如下步骤：

(1)固溶处理：对铸态坯料进行固溶处理，固溶处理温度470～550℃，时间5～24h；

(2)预热处理：将固溶处理后的镁合金坯料切割成块体材料，在加热炉内预热至200～530℃，保温1～16h后取出；

(3)锤锻：将预热处理后的镁合金坯料在锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续循环高速锻打，具体为：总的锻打道次20～200次，平均锻打频率为10～200次/分钟；初始道次的锻打次数为1～5次，每次锻打的变形量为1～5％，初始道次锻打总变形量为1～10％，应变速率为1～200s^-1；初始道次后的每道次的锻打次数为1～10次，每次锻打的变形量为1～10％，每道次锻打总变形量为1～10％，应变速率为1～200s^-1。

上述锻打过程中，每道次锻打沿同一方向进行(一道次即指沿同一方向进行连续若干次锻打)。

上述锻打过程中，每完成一道次锻打后，将坯料沿其自身的任意轴线旋转5～90°，继续进行下一道次锻打。

上述锻打过程中，每次锻打的变形量应随锻打次数的增加而保持不变或逐渐增加。

本发明具有如下优点：

1、本发明开发了一种针对高稀土含量高强耐热镁合金的锤锻开坯工艺，工艺简单，效率高、易于控制。通过严格控制初始及后续道次中每次锻打的变形量范围、道次总变形量范围，以及变形量的变化趋势，实现开坯工艺的高可靠性；锻造过程中通过孪晶逐步分割原始晶粒、大量孪晶相互交截，辅以少量孪晶诱发动态再结晶，促使铸态组织迅速细化，坯料的高温塑性和加工成形性能显著提高，与初始固溶态铸造锭坯相比，应用本发明方法制备的高强耐热镁合金坯料，高温下、相同测试条件下的断裂伸长率可提高100％～1000％，且成品率高于80％，达到良好开坯效果。

2、本发明由于每次锤击的变形量较小，开坯后不会引起坯料形状和尺寸的明显本质性改变，因此，可作为锻造、轧制、挤压等多种传统工艺的坯料，继续进行加工成形，应用面广泛。

3、利用本发明获得良好开坯效果的高强耐热镁合金锻造坯料，可以在下一步的锻造、轧制、挤压等过程中实现高速、大应变量加工，保证了较高的生产效率和成品率，并有利于最终产品性能均一性和稳定性的提高。

4、本发明所涉及的加工设备锻锤为常规锻压设备，相关配套工艺设计合理，设备要求简单、操作方便，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1为实施例1锤锻开坯前后的GWN751合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线；其中，(a)固溶态GWN751合金；(b)经锤锻开坯后的GWN751合金。

图2为实施例2锤锻开坯后的GWN751合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线。

图3为实施例3锤锻开坯前后的GW103合金样品在400℃、1×10^-3s^-1下的拉伸曲线。

图4为实施例4锤锻开坯前后的GWZ531合金样品在400℃、1×10^-3s^-1下的拉伸曲线。

具体实施方式

实施例1

1)本实施例采用的高强耐热镁合金为Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.5Zr铸锭，合金成分重量百分比为Gd：7.54％，Y：4.52％，Nd：0.98％，Zr：0.46％，镁含量为平衡余量，简写为GWN751；

2)首先，对铸态GWN751坯料进行固溶处理，固溶处理的温度为535℃，时间为16h。然后，将固溶处理后的GWN751坯料切割成80×50×50的块体，在加热炉内预热至450℃，并保温1h。

3)取出后在250kg的工业空气锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续高速锻打；每道次锻打沿同一方向进行；初始道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，初始道次总变形量为5％，应变速率为10s^-1。完成初始道次锻打后，将坯料沿与初始锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。后续道次中每道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，每道次总变形量为5％，应变速率为10s^-1。每完成一道次锻打后，将坯料沿与本道次锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。总的锻打道次为100次，平均锻打频率为50次/分钟。

本实施例锤锻开坯前后的GWN751合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线见图1。经锤锻开坯后，GWN751合金在400℃、1×10^-3s^-1下的断裂伸长率由26％提高至230％，提高了785％，并实现了超塑性；1×10^-1s^-1下的断裂伸长率也由15％提高至62％，提高了300％。

实施例2

1)本实施例采用的高强耐热镁合金为Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.5Zr铸锭，合金成分重量百分比为Gd：7.54％，Y：4.52％，Nd：0.98％，Zr：0.46％，镁含量为平衡余量，简写为GWN751；

2)首先，对铸态GWN751坯料进行固溶处理，固溶处理的温度为535℃，时间为16h。然后，将固溶处理后的GWN751坯料切割成80×50×50的块体，在加热炉内预热至450℃，并保温1h。

3)取出后在250kg的工业空气锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续高速锻打；每道次锻打沿同一方向进行；初始道次的锻打次数为5次，每次锻打的变形量为1％，初始道次总变形量为5％，应变速率为10s^-1。完成初始道次锻打后，将坯料沿与初始锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。后续道次中每道次的锻打次数为1次，每次锻打的变形量为从5％开始，每10道次增加1％，增加到10％后保持不变，应变速率为10s^-1。每完成一道次锻打后，都将坯料沿与本道次锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。总的锻打道次为150次，平均锻打频率为50次/分钟。

本实施例锤锻开坯前后的GWN751合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线见图2。经锤锻开坯后，GWN751合金在400℃、1×10^-3s^-1下的断裂伸长率由26％提高至192％，提高了638％，并实现了超塑性；1×10^-1s^-1下的断裂伸长率也由15％提高至57％，提高了270％。

实施例3

1)本实施例采用的高强耐热镁合金为Mg-10Gd-3Y-0.5Zr铸锭，合金成分重量百分比为Gd：10.06％，Y：2.25％，Zr：0.31％，镁含量为平衡余量，简写为GW103；

2)首先，对铸态GW103坯料进行固溶处理，固溶处理的温度为525℃，时间为10h。然后，将固溶处理后的GW103坯料切割成70×70×70的块体，在加热炉内预热至450℃，并保温1h。

3)取出后在250kg的工业空气锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续高速锻打；每道次锻打沿同一方向进行；初始道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，初始道次总变形量为5％，应变速率为100s^-1。完成初始道次锻打后，将坯料沿与初始锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。后续道次中每道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，每道次总变形量为5％，应变速率为100s^-1。每完成一道次锻打后，都将坯料沿与本道次锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。总的锻打道次为100次，平均锻打频率为50次/分钟。

本实施例锤锻开坯前后的GW103合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线见图3。经锤锻开坯后，GW103合金在400℃、1×10^-3s^-1下的断裂伸长率由28％提高至170％，提高了507％，并实现了超塑性。

实施例4

1)本实施例采用的高强耐热镁合金为Mg-5Gd-3Y-1Zn0.5Zr铸锭，合金成分重量百分比为Gd：5.62％，Y：3.28％，Zn：0.54％，Zr：0.45％，镁含量为平衡余量，简写为GWZ531；

2)首先，对铸态GWZ531坯料进行固溶处理，固溶处理的温度为525℃，时间为10h。然后，将固溶处理后的GWZ531坯料切割成80×50×50的块体，在加热炉内预热至450℃，并保温1h。

3)取出后在250kg的工业空气锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续高速锻打；每道次锻打沿同一方向进行；初始道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，初始道次总变形量为5％，应变速率为200s^-1。完成初始道次锻打后，将坯料沿与初始锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。后续道次中每道次的锻打次数为1次，锻打的变形量为5％，每道次总变形量为5％，应变速率为100s^-1。每完成一道次锻打后，都将坯料沿与本道次锻压方向平行的样品平面法向旋转90°，继续进行下一道次锻打。总的锻打道次为150次，平均锻打频率为50次/分钟。

本实施例锤锻开坯前后的GWZ531合金样品在400℃不同应变速率下的拉伸曲线见图4。经锤锻开坯后，GWZ531合金在400℃、1×10^-3s^-1下的断裂伸长率由40％提高至300％，提高了650％，并实现了超塑性。

Claims (6)

1.一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：所述锤锻开坯方法包括如下步骤：

(1)固溶处理：对铸态坯料进行固溶处理，固溶处理温度470～550℃，时间5～24h；

(2)预热处理：将固溶处理后的镁合金坯料切割成块体材料，在加热炉内预热至200～530℃，保温1～16h后取出；

(3)锤锻：将预热处理后的镁合金坯料在锻锤上进行多道次、多方向、小变形量的连续循环高速锻打，具体为：总的锻打道次为20～200次，平均锻打频率为10～200次/分钟；初始道次的锻打次数为1～5次，每次锻打的变形量为1～5％，初始道次锻打总变形量为1～10％，应变速率为1～200s^-1；初始道次后的每道次的锻打次数为1～10次，每次锻打的变形量为1～10％，每道次锻打总变形量为1～10％，应变速率为1～200s^-1。

2.根据权利要求1所述的高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：所述高强耐热镁合金是指稀土元素含量≥8wt.％的镁合金。

3.根据权利要求1所述的高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：按重量百分含量计，所述高强耐热镁合金化学成分为：Gd5.0～15.0％，Y1.0～5.0％，Nd0～2.0％，Zn0～2.0％，Zr0～0.9％，其余为Mg；其中：Gd+Y+Nd≥8％。

4.根据权利要求1所述的高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：锻打过程中，每完成一道次锻打后，将坯料沿其自身的任意轴线旋转5～90°，继续进行下一道次锻打。

5.根据权利要求1所述的高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：锻打过程中，每道次锻打沿同一方向进行。

6.根据权利要求1所述的高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，其特征在于：锻打过程中，每次锻打的变形量应随锻打次数的增加而保持不变或逐渐增加。