CN105624504A - 一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺 - Google Patents

一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺，所述镁合金包括下述组分组成：Y，Nd，Ag，Zr，Gd，其余为Mg及不可去除的杂质元素。其热处理工艺是将不均匀壁厚的复杂结构耐热稀土镁合金铸件加热至530～540℃，保温固溶后，以≥90℃/min的速度冷却至室温，然后，加热至220～230℃，保温进行人工时效后，出炉空冷。本发明组分配比合理、工艺简单、操作方便，实施只需常规的热处理设备，流程简单易行、安全可靠，适用于处理形状复杂，壁厚存在差异的大尺寸稀土镁合金铸件，为航空、航天用稀土镁合金复杂结构铸件的性能改善，提供了一种可行的方案，满足航空、航天等领域零部件的使用要求，便于工业化生产。

Description

一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺
技术领域
本发明属于镁合金材料热处理技术领域，涉及一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺，具体涉及Mg–Y–Nd–Ag系稀土镁合金铸件的热处理。
背景技术
Mg–Y–Nd系合金作为稀土镁合金的典型代表之一，因稀土元素的多重作用，形成Mg24Y5、Mg2Y、Mg41Nd5以及Mg14Nd2Y等化合物，具备较好的耐热性和较高的强度，被广泛应用于制造航空、航天等领域要求高温服役的结构器件。目前，大尺寸、形状复杂、壁厚存在差异的，航空、航天用稀土镁合金结构件多采用低压铸造成型，但该系合金也因稀土元素种类多、合金相复杂，铸造结晶时易产生偏析，形成大片枝晶组织，这对其性能的充分发挥是不利的。因此，需要通过后续热处理来改善其微观组织结构。研究表明，固溶后再进行人工时效的T6处理可以很好地改善Mg–Y–Nd系铸造合金的显微组织，提高其力学性能。
对Mg–Y–Nd系稀土镁合金的热处理，目前人们积极探索了热处理温度与时间对其组织和性能的影响，并期望寻求一种最佳的温度与时间组合使合金拥有较好的力学性能。然而，采用现有的热处理制度对大型复杂航空、航天用Mg–Y–Nd系稀土镁合金铸件进行热处理，由于铸件各位置的厚度差异较大，加热过程各位置的受热不均，并且合金中的析出强化相种类、结构不同，对应的适宜析出温度和峰值析出时间也不同，从而导致析出相尺寸不均，最终表现为热处理后的铸件薄壁处和厚壁处的力学力学性能不均，甚至高温强度不能满足使用要求，以及塑性低等缺点。
因此，对现有Mg–Y–Nd系稀土镁合金组分进行合理调整并结合热处理工艺的优化，实现其铸件综合力学性能的提升，成为本领域的亟需。
发明内容
本发明针对现有热处理技术的不足，提供一种组分配比合理、工艺简单、操作方便的耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺。采用本发明工艺处理后，合金铸件兼备优良的室温与高温性能。
本发明一种耐热稀土镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：
Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Ag0.5～0.6；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，是采用下属方案实现的：
将铸件加热至530～540℃，保温固溶后，以≥90℃/min的速度冷却至室温，然后，加热至220～230℃，保温进行人工时效后，出炉空冷；所述铸件为不均匀壁厚的复杂结构耐热稀土镁合金铸件，厚壁与薄壁之间的厚度差≥50mm。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，所述固溶加热的升温速度为150～180℃/h
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，所述固溶保温时间为6～10h。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，固溶保温后，铸件在10～30s内进入冷却工序，冷却速度为90～120℃/min的。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，固溶保温后的冷却工序中，冷却介质为强风。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，人工时效保温时间为40～60h。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，所述人工时效的升温速度为100～150℃/h。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，不均匀壁厚的复杂结构耐热稀土镁合金铸件外形为圆台状，壁厚10～60mm，上底面外径290～300mm，下底面外径750～850mm，高度400～450mm，且存在复杂油、气管路。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，不均匀壁厚的复杂结构耐热稀土镁合金铸件采用低压铸造的方法制备，铸件内部无明显裂纹、气孔及夹渣。
本发明一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，耐热稀土镁合金铸件表面经机械打磨，去除表面粘沙及氧化层后，再用铬酸盐清洗后进行固溶处理。
采用本发明热处理工艺处理后的大型复杂中强耐热稀土镁合金铸件的平均晶粒大小为60～80μm；室温屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥330MPa，延伸率≥6.0％；
200℃屈服强度≥180MPa，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥10.0％；且铸件内外无明显热处理缺陷，铸件的不同部位力学性能较为均匀，满足航空、航天等领域零部件的使用要求，工艺简单合理，便于工业化生产。
本发明机理简述于下：
发明人仔细研究Mg–Ag二元合金相图后得知，1、Ag元素在基体Mg中的极限固溶度较高。当Ag溶入Mg后，固溶体Ag原子造成基体很强的非球型对称畸变，产生很强的固溶强化效果。2、Ag能增大基体与时效析出相之间的单位体积自由能差值，使时效析出相的临界形核半径变得更小，在满足时效析出条件时，基体中析出相成核的位置更多，几率更大，析出相的尺寸更细小。换句话说，Ag的添加促进了时效析出相的非均质形核。此外，当合金高温固溶淬火后，基体内形成大量过饱和空位，由于Ag原子与空位结合能较大，可优先与空位结合，使原子扩散减慢，阻碍时效析出相长大。
由此，本发明在现有合金成分的基础上添加适量的Ag元素后，有效增加了合金的固溶度，并且Ag元素的加入可改善合金的时效析出过程，结合本发明中较长时间的时效处理，保证了铸件各位置的受热均匀，最终大幅度提高大型复杂航空、航天用稀土镁合金铸件的综合力学性能，从而推进稀土镁合金在航空、航天等领域的广泛应用。
本发明采用的较长时间时效最终使合金晶内析出纳米级别、弥散细小的β'强化相，晶界处形成不连续分布的粗大含Ag稳定相，晶内与晶界均得到较好的强化，从而使合金兼备优良的室温与高温性能。
本发明具有下列特点和有益效果：
1、本发明的实施只需常规的热处理设备，流程简单易行、安全可靠，适用于处理形状复杂，壁厚存在差异的大尺寸稀土镁合金铸件，为航空、航天用稀土镁合金复杂结构铸件的性能改善，提供了一种可行的方案；
2、本发明通过添加适量的Ag元素与后续长时间时效处理，在晶界处形成不连续分布的高熔点稳定相，有效地钉扎晶界，使晶粒在热处理过程中不发生明显长大；基体晶粒内部则形成纳米级别、弥散细小的强化相，且这些β'强化相在长时间时效过程也未发生粗化；使合金的晶内与晶界均得到较好的强化；
3、本发明最明显的有益效果：通过本发明所述的热处理工艺能使大型复杂、中强耐热稀土镁合金铸件的平均晶粒大小为60～80μm；室温屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥330MPa，延伸率≥6.0％；200℃屈服强度≥180MPa，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥10.0％。
附图说明
附图1为对比例中热处理后零件薄壁处的金相组织
附图2为对比例中热处理后零件厚壁处的金相组织
附图3为实施例1中热处理后零件薄壁处的金相组织
附图4为实施例1中热处理后零件厚壁处的金相组织
附图5为实施例1中热处理后零件的TEM显微组织
从图1～图4可以看出，常规工艺处理的合金零件在厚壁处和薄壁处由于受热不均，导致晶粒大小不一致，这也会导致力学性能的不一致，而本发明处理的零件在厚壁处和薄壁处的晶粒大小均匀一致，这保证了性能各处一致。
从附图5可以看出：处理后的合金中析出相分布均匀，尺寸细小，这种尺寸细小，分布均匀的强化相粒子，可起到弥散强化的效果，保证了合金具有较高的强度。
具体实施方式
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
分别按照GB6397-86《金属拉伸试验试样》、HB5195-96《金属高温拉伸试验方法》对铸件壁厚处和壁薄处进行常温和高温力学性能测试。
对比例：
本实施例是以成分(wt.％)为：Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素，壁厚10～60mm，上底面外径290～300mm，下底面外径750～850mm，高度400～450mm，且存在复杂油、气管路的Mg–Y–Nd系稀土镁合金铸件为原料。首先，将镁合金铸件表面经机械打磨，去除表面粘沙及氧化层后，再用铬酸盐清洗；然后，将所得的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至520℃，升温时间为3h，保温10h后，出炉强风冷却，铸件由固溶电阻炉转移至强风淬火设备的时间控制在30s以内，铸件的冷却速度为100℃/min；再将冷却后的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至220℃，升温时间为1.5h，保温16h后，取出自然空冷。在铸件不同部位切取试样，进行常温和高温拉伸试验，具体结果见表1所示，其薄壁处及厚壁处的金相组织见附图1、2。
实施例1：
本实施例是以成分(wt.％)为：Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Ag0.5～0.6；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素，壁厚10～60mm，上底面外径290～300mm，下底面外径750～850mm，高度400～450mm，且存在复杂油、气管路的Mg–Y–Nd–Ag系稀土镁合金铸件为原料。首先，将镁合金铸件表面经机械打磨，去除表面粘沙及氧化层后，再用铬酸盐清洗；然后，将所得的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至530℃，升温时间为3h，保温9h后，出炉强风冷却，铸件由固溶电阻炉转移至强风淬火设备的时间控制在30s以内，铸件的冷却速度为100℃/min；再将冷却后的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至220℃，升温时间为2h，保温60h后，取出自然空冷。在铸件不同部位切取试样，进行常温和高温拉伸试验，具体结果见表1所示，其薄壁处及厚壁处的金相组织见附图,3、4，处理后零件的TEM显微组织，见附图5。
实施例2：
本实施例是以成分(wt.％)为：Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Ag0.5～0.6；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素，壁厚10～60mm，上底面外径290～300mm，下底面外径750～850mm，高度400～450mm，且存在复杂油、气管路的Mg–Y–Nd–Ag系稀土镁合金铸件为原料。首先，将镁合金铸件表面经机械打磨，去除表面粘沙及氧化层后，再用铬酸盐清洗；然后，将所得的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至535℃，升温时间为3h15min，保温8h后，出炉强风冷却，铸件由固溶电阻炉转移至强风淬火设备的时间控制在30s以内，铸件的冷却速度为120℃/min；再将冷却后的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至225℃，升温时间为2h，保温50h后，取出自然空冷。在铸件不同部位切取试样，进行常温和高温拉伸试验，具体结果见表1所示。
实施例3：
本实施例是以成分(wt.％)为：Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Ag0.5～0.6；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素，壁厚10～60mm，上底面外径290～300mm，下底面外径750～850mm，高度400～450mm，且存在复杂油、气管路的Mg–Y–Nd–Ag系稀土镁合金铸件为原料。首先，将镁合金铸件表面经机械打磨，去除表面粘沙及氧化层后，再用铬酸盐清洗；然后，将所得的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至540℃，升温时间为3h30min，保温6h后，出炉强风冷却，铸件由固溶电阻炉转移至强风淬火设备的时间控制在30s以内，铸件的冷却速度为120℃/min；再将冷却后的镁合金铸件置于电阻炉中，随炉升温至230℃，升温时间为2h，保温40h后，取出自然空冷。在铸件不同部位切取试样，进行常温和高温拉伸试验，具体结果见表1所示。
表1铸件不同部位力学性能
从表1的数据并结合附图1、2、3、4，可以看出，本发明方法处理后的复杂结构铸件平均晶粒大小为50～80μm；室温屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥330MPa，延伸率≥6.0％；200℃屈服强度≥180MPa，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥10.0％。而现有技术处理后的平均晶粒大小为50～120μm；室温屈服强度≤190MPa，抗拉强度≤280MPa，延伸率≤5.0％；200℃屈服强度≤140MPa，抗拉强度≤220MPa，延伸率≤8.3％；因此，本发明处理后的铸件在强度、延伸率方面都比现有技术处理后的又来明显提高，特别是本发明处理后的铸件，厚壁、薄壁处强度的均匀性较现有技术处理后的更好。
本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有的技术。
本发明不限于上述实施例，本发明所述内容均可实施并具有所述良好效果。

Claims (10)

1.一种耐热稀土镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：
Y3.4～3.8；Nd2.6～3.0；Ag0.5～0.6；Zr0.4～0.5；Gd0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素。
2.一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，是将耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件加热至530～540℃，保温固溶后，以≥90℃/min的速度冷却至室温，然后，加热至220～230℃，保温进行人工时效后，出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：所述耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件中，厚壁与薄壁之间的厚度差≥50mm。
4.根据权利要求2所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：所述固溶加热的升温速度为150～180℃/h；所述固溶保温时间为6～10h。
5.根据权利要求4所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：固溶保温后，铸件在10～30s内进入冷却工序，冷却速度为90～120℃/min。
6.根据权利要求5所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：固溶保温后的冷却工序中，冷却介质为强风。
7.根据权利要求2所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：人工时效保温时间为40～60h。
8.根据权利要求7所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：所述人工时效的升温速度为100～150℃/h。
9.根据权利要求2所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：不均匀壁厚铸件采用低压铸造的方法制备。
10.根据权利要求2—9任意一项所述的一种耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件的热处理工艺，其特征在于：处理后的不均匀壁厚铸件的平均晶粒大小为50～80μm；室温屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥330MPa，延伸率≥6.0％；200℃屈服强度≥180MPa，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥10.0％。
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