CN105821355B - 一种高强韧铸造镁合金热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括：采用氩气加氢气的混合气体作为氢元素置换强化气氛，并将压力设置为0.14‑0.155MPa，固溶处理温度设置为500‑510℃；经保温，排气，通氮气后进行淬火，淬火介质采用102‑108℃的机油。为了应对各行业对高强度薄壁镁合金铸件的迫切需求，结合镁‑稀土‑锆‑锌(银)系高强度铸造镁合金组织特点、快速高效热处理工艺需求和安全生产要求，本发明开创性的提出一种能对镁‑稀土‑锆‑锌(银)系高强度铸造镁合金进行高效、稳定和安全系数高的热处理的方法。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及高强韧铸造镁合金热处理方法。
背景技术
由于航空、航天、军工和汽车等行业内减重、节能、环保及部件高度集成化和轻薄化的要求愈发迫切，近年来铸造镁合金在这些领域获得了广泛的应用。镁合金由于密度低、资源丰富、回收方便、比强度高、比刚度高等特点，已逐渐确立作为世界第三大金属工程材料的地位。虽然铸造镁合金性能优越，应用前景广阔，但是镁元素化学性能活泼，导致铸造镁合金材料热处理工艺复杂，特别是对于含锌、稀土和、锆和银元素的高强度薄壁镁合金铸件，常规固溶时效热处理工艺不能达到强化铸件性能的目的，这已成为限制高强度薄壁镁合金铸件在航天、航空和国防等领域广泛应用的主要问题之一。
将镁合金材料在空气中进行高温长时间保温的固溶处理不适合于镁-锌-稀土-锆-银系高强度铸造镁合金。因为此合金铸造过程中会形成镁-锌-稀土和镁-稀土-银这两种高温稳定相，这两种三元合金化合物需要在高温下(大于510℃)长时间保温(保温时间大于24h)，才能固溶到晶界附近区域，但是，在固溶的同时还会伴随着晶粒大幅长大的现象，而晶粒长大对铸态镁合金力学性能的下降效果远远大于固溶强化效果。
在文献《氢化处理ZM8高强度铸造镁合金》中提及了一种镁合金热处理方法。该方法采用将镁-锌-稀土系铸造镁合金在480℃的氢气气氛中保温24小时，并在150℃下时效处理24小时，获得了合金组织均匀细小、镁-锌-稀土三元合金箱固溶较好的镁合金材料。该方法方便简单，易于实施，能对镁-锌-稀土系铸造镁合金进行良好完全的热处理强化。但是该工艺方法对镁-锌-稀土-锆-银系高强度薄壁镁合金铸件适用性不好，首先，镁-锌-稀土-锆-银系高强度铸造镁合金中含有比镁-锌-稀土三元化合物高温稳定性更好的镁-稀土-银三元相，该三元相需要在500℃才能有较好的氢元素置换强化效果；其次，对于薄壁镁合金铸件，长时间保温条件下，会导致晶粒长大，损害铸件力学性能；再次，将高危险系数的单一氢气气氛加热至500℃并长时间保持正压力状态，易导致安全事故发生，使得氢气气氛热处理炉会成为重大危险源。
发明内容
为了应对各行业对高强度薄壁镁合金铸件的迫切需求，结合镁-稀土-锆-锌(银)系高强度铸造镁合金组织特点、快速高效热处理工艺需求和安全生产要求，本发明开创性的提出一种能对镁-稀土-锆-锌(银)系高强度铸造镁合金进行高效、稳定和安全系数高的热处理的方法。
一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括：采用氩气加氢气的混合气体作为氢元素置换强化气氛，并将压力设置为0.14-0.155MPa，固溶处理温度设置为500-510℃；经保温，排气，通氮气后进行淬火，淬火介质采用102-108℃的机油。
本发明采用氩气加氢气的混合气体作为氢元素置换强化气氛，提高高温固溶处理安全性；配合恰当的工艺步骤和参数，不仅提高氢元素与镁-锌-稀土三元化合物及镁-稀土-银三元相发生置换反应的驱动力，还能增加银元素和锌元素在镁基体中的固溶速度，减少固溶处理时间；同时，提高固溶处理效果，降低高强薄壁镁合金铸件在淬火过程中发生开裂和氧化的风险。并且，使铸件达到最佳时效强化效果。经本发明处理后的镁-稀土-锆-锌(银)系高强度铸造镁合金材料，室温抗拉强度可达350MPa，屈服强度达到235MPa，断后伸长率达到11％。
具体的，上述高强韧铸造镁合金热处理方法，包括如下步骤：
(1)将镁合金铸件放入镁合金热处理炉中，首先进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07～-0.08MPa；使用氮气填充镁合金热处理炉，使得炉内气压达到常压，打开热处理炉排气口，并继续由热处理炉底部向炉体内通氮气1-3分钟，氮气通入速度为1-1.5m3/min；关闭热处理炉排气口，将镁合金热处理炉进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07～-0.08MPa，然后向炉体内通入氩气和氢气的混合气体(氩气和氢气的体积比为1.3∶1)，直到炉体内气压达到0.14-0.155MPa，关闭进气口，炉体内开始加热升温；
(2)当炉体温度达到500-510℃时，开始对铸件进行保温，保温时间为10-20小时；
(3)保温结束后，打开热处理炉排气口，将炉内气体经水槽排入空气中，当炉内气压达到常压后，由热处理炉底部向炉体内通入预热至90-95℃的氮气20-40秒，氮气通入速度为1-1.5m3/min；
(4)打开热处理炉，将镁合金铸件放入102-108℃的混合机油内进行淬火处理(混合机油由10号机油和30号机油构成，两种机油的质量百分比为1∶3)；
(5)固溶处理完成后两小时内，对铸件进行时效处理；时效处理温度为140-146℃，时效处理时间为48-50小时。
有益效果
1.本发明所述的镁合金热处理方法，采用氩气加氢气的混合气体作为氢元素置换强化气氛，比纯氢气置换强化气氛具有更高的安全性；配合恰当的工艺步骤和参数，不仅使得氢元素置换反应速度更快，置换程度更彻底，银元素和锌元素固溶效果更好；同时，镁合金在淬火过程中发生开裂和氧化的风险大大降低；并且，使铸件达到最佳时效强化效果。使用本发明所述热处理工艺方法制备镁-锌-稀土-锆-银系铸造镁合金，室温抗拉强度可达350MPa，屈服强度达到235MPa，断后伸长率达到11％。
2.本发明所述镁合金热处理方法适合通过砂型、石膏型、壳型和金属型等生产的铸件，工艺方法简单，安全性高，强化效果好，工艺稳定性好，适合于大规模推广应用。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：ZE41A
一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括以下步骤：
(1)将ZE41A镁合金铸件放入镁合金热处理炉中，首先进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07MPa；使用氮气填充镁合金热处理炉，使得炉内气压达到常压，打开热处理炉排气口，并继续由热处理炉底部向炉体内通氮气1分钟，氮气通入速度为1.5m3/min；关闭热处理炉排气口，将镁合金热处理炉进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07MPa，然后向炉体内通入氩气和氢气的混合气体(氩气和氢气的体积比为1.3∶1)，直到炉体内气压达到0.14MPa，关闭进气口，炉体内开始加热升温。
(2)当炉体温度达到505℃时，开始对铸件进行保温，保温时间为10小时。
(3)保温结束后，打开热处理炉排气口，将炉内气体经水槽排入空气中，当炉内气压达到常压后，由热处理炉底部向炉体内通入预热至90℃的氮气30秒，氮气通入速度为1.5m3/min。
(4)打开热处理炉，将镁合金铸件放入106℃的混合机油内进行淬火处理(混合机油由10号机油和30号机油构成，两种机油的质量百分比为1∶3)。
(5)固溶处理完成后两小时内，对铸件进行时效处理。时效处理温度为140℃，时效处理时间为48小时。
本实施例ZE41A铸造镁合金经热处理后，室温抗拉强度为253MPa，屈服强度为171MPa，断后伸长率为6.5％。
实施例2：QE22A
一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括以下步骤：
(1)将QE22A镁合金铸件放入镁合金热处理炉中，首先进行抽真空处理，使得真空度达到-0.076MPa；使用氮气填充镁合金热处理炉，使得炉内气压达到常压，打开热处理炉排气口，并继续由热处理炉底部向炉体内通氮气2分钟，氮气通入速度为1.25m3/min；关闭热处理炉排气口，将镁合金热处理炉进行抽真空处理，使得真空度达到-0.076MPa，然后向炉体内通入氩气和氢气的混合气体(氩气和氢气的体积比为1.3∶1)，直到炉体内气压达到0.148MPa，关闭进气口，炉体内开始加热升温。
(2)当炉体温度达到500℃时，开始对铸件进行保温，保温时间为16.5小时。
(3)保温结束后，打开热处理炉排气口，将炉内气体经水槽排入空气中，当炉内气压达到常压后，由热处理炉底部向炉体内通入预热至95℃的氮气40秒，氮气通入速度为1m3/min。
(4)打开热处理炉，将镁合金铸件放入102℃的混合机油内进行淬火处理(混合机油由10号机油和30号机油构成，两种机油的质量百分比为1∶3)。
(5)固溶处理完成后2小时内，对铸件进行时效处理。时效处理温度为142℃，时效处理时间为49小时。
本实施例的QE22A铸造镁合金经热处理后，室温抗拉强度为305MPa，屈服强度为212MPa，断后伸长率为6％。
实施例3：Mg-5.5Zn-0.75Zr-1.4Ce-1.7Nd-0.65Ag铸造镁合金
一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括以下步骤：
(1)将Mg-5.5Zn-0.75Zr-1.4Ce-1.7Nd-0.65Ag铸造镁合金铸件放入镁合金热处理炉中，首先进行抽真空处理，使得真空度达到-0.08MPa；使用氮气填充镁合金热处理炉，使得炉内气压达到常压，打开热处理炉排气口，并继续由热处理炉底部向炉体内通氮气3分钟，氮气通入速度为1m3/min；关闭热处理炉排气口，将镁合金热处理炉进行抽真空处理，使得真空度达到-0.08MPa，然后向炉体内通入氩气和氢气的混合气体(氩气和氢气的体积比为1.3∶1)，直到炉体内气压达到0.155MPa，关闭进气口，炉体内开始加热升温。
(2)当炉体温度达到510℃时，开始对铸件进行保温，保温时间为20小时。
(3)保温结束后，打开热处理炉排气口，将炉内气体经水槽排入空气中，当炉内气压达到常压后，由热处理炉底部向炉体内通入预热至93℃的氮气20秒，氮气通入速度为1.3m3/min；
(4)打开热处理炉，将镁合金铸件放入108℃的混合机油内进行淬火处理(混合机油由10号机油和30号机油构成，两种机油的质量百分比为1∶3)。
(5)固溶处理完成后两小时内，对铸件进行时效处理。时效处理温度为146℃，时效处理时间为50小时。
本实施例的Mg-5.5Zn-0.75Zr-1.4Ce-1.7Nd-0.65Ag铸造镁合金经热处理后，室温抗拉强度为350MPa，屈服强度为235MPa，断后伸长率为11％。
Claims (3)
1.一种高强韧铸造镁合金热处理方法，包括如下步骤：
( 1 )将镁合金铸件放入镁合金热处理炉中，首先进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07～-0.08MPa；使用氮气填充镁合金热处理炉，使得炉内气压达到常压，打开热处理炉排气口，并继续由热处理炉底部向炉体内通氮气1-3分钟，氮气通入速度为1-1.5m3/min；关闭热处理炉排气口，将镁合金热处理炉进行抽真空处理，使得真空度达到-0.07～-0.08MPa，然后向炉体内通入氩气和氢气的混合气体，直到炉体内气压达到0.14-0.155MPa，关闭进气口，炉体内开始加热升温；
( 2 )当炉体温度达到500-510℃时，开始对铸件进行保温，保温时间为10-20小时；
( 3 )保温结束后，打开热处理炉排气口，将炉内气体经水槽排入空气中，当炉内气压达到常压后，由热处理炉底部向炉体内通入预热至90-95℃的氮气20-40秒，氮气通入速度为1-1.5m3/min；
( 4 )打开热处理炉，将镁合金铸件放入102-108℃的机油内进行淬火处理；
( 5 )固溶处理完成后两小时内，对铸件进行时效处理；时效处理温度为140-146℃，时效处理时间为48-50小时。
2.如权利要求1所述的高强韧铸造镁合金热处理方法，所述步骤(1)中的氩气和氢气的体积比为1.3∶1。
3.如权利要求1或2所述的高强韧铸造镁合金热处理方法，所述步骤(4)中的机油为混合机油，由10号机油和30号机油按照1∶3的质量比混合而成。
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