CN105951012B - 一种低合金化镁合金的变温锻造强化工艺 - Google Patents
一种低合金化镁合金的变温锻造强化工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低合金化镁合金的变温锻造强化工艺，镁合金质量百分比成分为：Al：2.50~3.50%、Zn：2.60~3.50%、Ti：0.30~0.80%、Y：0.10~0.50%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，该工艺包括以下步骤：A:将坯料在380~420℃下保温0.5~4小时后进行多向锻造开坯；B:将坯料在300~350℃下保温0.5~1小时后进行多向锻造；C:待坯料温度降至200~250℃进行多向锻造；D:将坯料在280~300℃下保温0.5~2小时后进行锻造成形。本发明通过调控各步骤工艺参数，成功制备出高强度的低合金化镁合金锻件，大幅度降低了高性能镁合金的制造成本，对拓展镁合金在航空航天、汽车制造等领域的应用方面具有重大的推动意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种低合金化镁合金变温锻造工艺，属于镁合金锻造技术领域。
背景技术
镁合金具有比强度比刚度高，导热导电性能好，并具有很好的电磁屏蔽、阻尼减振性、切削加工性以及加工成本低等优点，因而在航空航天领域、国防军工领域、交通运输领域以及3C领域有广阔的应用前景。然而现有镁合金的强度低、韧性差、成本高等缺点限制了其在航天航空和汽车工业领域里的广泛应用，因此如何提高强镁合金的强度，降低成本一直是世界各国的研究热点。Mg-Al-Zn系合金(如：AZ80、AZ31、AZ91等)已被广泛的用于各个领域。我国丰富的稀土资源为开发研究稀土镁合金提供了独特的优势。人们对Mg-Al-Zn合金进行了大量理论研究，研究结果表明，稀土元素钆、钇的加入可以通过影响合金的沉淀析出动力学和沉淀相的体积分数而提高合金的性能；另一方面锆元素的加入可显著细化合金晶粒，从而进一步改善合金的力学性能。然而，目前对该合金的研究主要还处在实验室阶段，至今还没有研制出可广泛应用于工业实际的低成本、高强度镁合金材料。
发明内容
本发明针对一种低成本Mg-Al-Zn合金，发明一种梯度变温多向锻造工艺来达到高强度的效果，进而提高合金的力学性能，拓展其应用范围。
本发明的技术方案是，提供一种低合金化镁合金的变温锻造强化工艺，镁合金质量百分比成分为：Al：2.50～3.50％、Zn：2.60～3.50％、Ti：0.30～0.80％、Y：0.10～0.50％，其余为Mg及不可去除的杂质元素，该工艺包括以下步骤：
A:将坯料在380～420℃下保温0.5～4小时后进行多向锻造开坯；
B:将坯料在300～350℃下保温0.5～2小时后进行多向锻造；
C:待坯料温度降至200～250℃进行多向锻造；
D:将坯料在280～300℃下保温0.5～2小时后进行锻造成形。
进一步地，步骤A、B、C中的多向锻造均是在三个正交方向依次循环锻造。
进一步地，步骤A中，当坯料表面温度低于320℃时停锻。
进一步地，步骤B中，多向锻造为大变形量多向锻造。
进一步地，步骤B中，当坯料表面温度低于280℃时停锻。
进一步地，步骤C中，多向锻造为小变形量多向锻造。
进一步地，步骤A中，多向锻造开坯前将液压机的砧板温度加热至400～420℃；锻造时控制压下速度10～15mm/s、道次变形量15～20％、总压下道次3～6次。
进一步地，步骤B中，多向锻造前将液压机的砧板温度加热至350～380℃；锻造时控制压下速度10～15mm/s、道次变形量30～40％、总锻造道次6～12次。
进一步地，步骤C中，多向锻造前将液压机的砧板温度加热至230～280℃；锻造时控制压下速度8-10mm/s、道次变形量5～10％、总锻造道次>12次。
进一步地，步骤D中，锻造成形为单向、多向或模锻成形，控制总变形量>50％。。
本发明针对合金质量百分比成分为(wt.％)：Al：2.50～3.50％、Zn：2.60～3.50％、Ti：0.30～0.80％、Y：0.10～0.50％,其余为Mg及不可去除的杂质元素。合金铸锭是通过半连续铸造方式制备。浇铸成形后机械去除铸锭外表皮。为消除或减弱非平衡凝固过程中形成的树枝晶对变形的不利影响，铸锭经420℃保温15小时均匀化处理。铸态合金变形能力差，为提高合金的变形能力，在高温下沿坯料的三正交方向进行锻造开坯。锻造前坯料在380～420℃下保温0.5～4h，并加热上下砧板至温度400～420℃。锻造开坯过程在液压机上进行，压下速度10-15mm/s、道次变形量15～20％、总压下道次3～6次，当坯料表面温度低于320℃时停锻。镁合金为密排六方结构，常温下可开动的滑移系较少，变形能力差。较高的变形温度使镁合金的棱柱面及棱锥面的滑移系开动。同时，高温下可充分激活动态再结晶过程，不仅为变形提供持续软化过程，而且可改善铸态组织，为后续的变形提供保证。
高温下镁合金的变形能力较好，但动态在结晶的形核尺寸较大，晶界迁移能力强，新生晶粒长大明显，因此起不到良好的细化晶粒效果。镁合金的力学性能对晶粒尺寸十分敏感，晶粒越细其力学性能越好。因此单纯高温锻造，起不到显著的提高强韧化的效果。本发明为得到晶粒充分细化的组织，设计了第二阶段的中温大变形量锻造。锻造前坯料在300～350℃下保温0.5～2小时，同时加热上下砧板至350～380℃，然后在液压机上沿三正交方向进行大变形量锻造。锻造过程中控制压下速度10～15mm/s、道次变形量30～40％、总锻造道次6～12次，当坯料表面温度低于280℃时停锻。
相对低的温度及较大的变形量可导致晶粒严重细化，然而坯料内部依然存在着一些较大晶粒，这些晶粒主要来源两个方面。一方面：变形初期不同晶粒间的变形不均匀，导致再结晶晶粒在某些区域优先生成，优先形成的再结晶区域很容易吸纳变形，后续变形主要集中在这一区域，导致一些原始粗晶内变形不深入，而形成了残留的原始晶粒。另一方面一些动态再结晶晶粒的异常长大，也是粗晶的主要来源之一。如果后续能将这些粗晶进一步细化，可使得合金的力学性能进一步提高。因此本发明针对这一目的，设计了第三阶段的低温小变形量多向锻造。待坯料降温度降至200～250℃时沿三正交方向依次循环锻造。锻造前加热砧板至温度230～280℃，锻造过程中控制压下速度8-10mm/s、道次变形量5～10％、总锻造道次>12次。低温变形时会在粗晶内部引入大量的孪晶(粗晶中更容易发生孪生变形)，这些孪晶在后续的退火或热变形过程中为再结晶提供形核场所，进而起到细化粗晶的作用。这里温度的选择是能否在粗晶中引入孪晶的关键因素之一，过低的温度会导致开裂，过高的温度很难在基体中引入孪生变形。同时，三个循环的加载方向，使得孪生在更多的基体晶粒内发生。待晶粒充分细化后，进行最终锻造成形。锻造前在280～300℃下保温坯料0.5～2小时，然后后进行终锻成形。终锻成形可进行单向、多向或模锻成形，控制总变形量>50％。
合金坯料经四个步骤锻造后其力学性能明显提高，屈服强度>250MPa、抗拉强度>350MPa、断后伸长率>10％。(均匀化态合金的拉伸性能：屈服强度：约130MPa、抗拉强度：189MPa、断后伸长率约8％)
该发明针对一种低合金化镁合金，通过四个工艺步骤的有结合，成功的制备了具有高性能、低成本的镁合金零部件。
本发明的有益效果是，针对特定的镁合金，采用新颖的工艺步骤，通过大量的试验获得工艺之间的相互制约、影响的规律，在此基础上通过调控各步骤工艺参数，成功制备出高强度的低合金化镁合金锻件，大幅度降低了高强镁合金的制造成本，对拓展镁合金在航空航天、汽车制造等领域的应用方面具有重大的推动意义。
具体实施方式
实施例1：半连续铸造方式浇铸出Φ230mm的Mg-2.82Al-2.73Zn-0.31Ti-0.48Y(wt.％)的镁合金铸锭，机械车皮后进行420℃保温15小时的均匀化退火。第一步锻造前坯料加热至420℃保温4小时，同时加热上下砧板温度至420℃，然后在进行三个正交方向锻造，压下速度15～20mm/s、道次变形量15～20％、总锻造道次6次，当坯料表面温度低于320℃停止锻造。坯料回炉退火，退火温度350℃保温1小时，并加热上下砧板至温度380℃，然后进行第二步骤锻造。第二步锻造依然采用三个正交方向依次循环锻造方式、压下速度10-15mm/s、变形量30～35％、锻造道次12次，坯料表面温度260～270℃时停锻。空冷降温至表面温度250℃，并加热上下砧板至温度280℃开始第三步锻造。第三步锻造采用三正交方向锻造，变形速度8-10mm/s，经13道次后停锻造。坯料再次回炉退火，退火温度300℃保温2h后进行第四步骤锻造。第四步采用单向锻造，一道次压下变形量55％后停止锻造。锻压后力学性能列于表1.
实施例2：半连续铸造方式浇铸出Φ200mm的Mg-2.65Al-3.36Zn-0.52Ti-0.36Y(wt.％)的镁合金铸锭，机械车皮后420℃均匀化退火，保温15小时后空冷至室温。第一步锻造前坯料加热至380℃保温4小时，同时加热上下砧板温度至400℃，然后在进行三个正交方向锻造，压下速度10-15mm/s、道次变形量15～20％、锻造道次5次，坯料表面温度310～320℃停止锻造。坯料回炉退火，退火温度330℃保温1小时，并加热上下砧板至温度350℃，然后进行第二步骤锻造。第二步锻造依然采用三个正交方向依次循环锻造方式、压下速度10-15mm/s、变形量30～35％、锻造道次10次，坯料表面温度240～250℃时停锻，上下砧板温度实测240～250℃。因此直接开始第三步锻造，第三步锻造采用三正交方向锻造，变形速度8-10mm/s，经14道次后停锻造。坯料再次回炉退火，退火温度290℃保温1h后进行第四步骤锻造。第四步采用三正交方向锻造，累计变形量60％后停止锻造，其力学性能列于表1。
实施例3：半连续铸造方式浇铸出Φ200mm的Mg-3.23Al-2.84Zn-0.72Ti-0.25Y(wt.％)的镁合金铸锭，机械车皮后420℃均匀化退火，保温15小时后空冷至室温。第一步锻造前坯料加热至380℃保温1小时，同时加热上下砧板温度至400℃，然后在进行三个正交方向锻造，压下速度10-15mm/s、道次变形量15～20％、锻造道次4，坯料表面温度305～310℃停止锻造。坯料回炉退火，退火温度300℃保温0.5小时，并加热上下砧板至温度370℃，然后进行第二步骤锻造。第二步锻造依然采用三个正交方向依次循环锻造方式、压下速度10-15mm/s、变形量32～37％、锻造道次8次，坯料表面温度230～240℃时停锻。坯料回炉退火，退火温度240℃保温1h，并加热上下砧板至温度250℃，开始第三步锻造，第三步锻造采用三正交方向循环锻造，变形速度8-10mm/s，经14道次后停锻造。坯料再次回炉退火，退火温度290℃保温1h后进行第四步骤锻造。第四步采用三正交方向循环锻造，累计变形量60％后停止锻造，其力学性能列于表1。
表1.本发明实施例制备的合金力学性能表
Claims (4)
1.一种低合金化镁合金的变温锻造强化工艺，其特征在于，镁合金质量百分比成分为：Al：2.50~3.50%、Zn：2.60~3.50%、Ti：0.30~0.80%、Y：0.10~0.50%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，该工艺包括以下步骤：
A: 将坯料在380~420℃下保温0.5~4小时后进行多向锻造开坯，当坯料表面温度低于320℃时停锻，多向锻造开坯前将液压机的砧板温度加热至400~420℃；锻造时控制压下速度10~15mm/s、道次变形量15~20%、总压下道次3~6次；
B: 将坯料在300~350℃下保温0.5~2小时后进行多向锻造，多向锻造为大变形量多向锻造，当坯料表面温度低于280℃时停锻，多向锻造前将液压机的砧板温度加热至350~380℃；锻造时控制压下速度10~15mm/s、道次变形量30~40%、总锻造道次6~12次；
C: 待坯料温度降至200~250℃进行多向锻造，多向锻造前将液压机的砧板温度加热至230~280℃；锻造时控制压下速度8-10mm/s、道次变形量5~10%、总锻造道次>12次；
D: 将坯料在280~300℃下保温0.5~2小时后进行锻造成形，锻造成形为单向、多向或模锻成形，控制总变形量>50%。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤A、B、C中的多向锻造均是在三个正交方向依次循环锻造。
3.如权利要求1-2任一项所述的工艺，其特征在于，步骤C中，多向锻造为小变形量多向锻造。
4.权利要求1-3中任一项所述工艺制备的镁合金，其特征在于：屈服强度>250MPa、抗拉强度>350MPa、断后伸长率>10%。
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