CN106544607A - 一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，属于有色金属加工工艺技术领域。本发明的方法能够有效消除高强镁合金WNG421铸件中的残余应力，同时能够均匀化残余应力；与此同时，热等静压工艺能够提高镁合金铸件材料的力学性能。对于WNG421镁合金，其强度值和延伸率均提高了。

Description

一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法
技术领域
本发明涉及一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，属于有色金属加工工艺技术领域，特别涉及一种集消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力与提高力学性能于一体的工艺方法，所述的高强稀土镁合金是指Mg-Y-Nd系高强镁合金。高强是指镁合金的力学性能抗拉强度不低于300MPa，薄壁铸件是指铸件的壁厚不大于3.5mm。
背景技术
高强稀土镁合金WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)毛坯铸件、热处理变形以及机械加工中均产生残余应力，长期存贮应力释放导致大尺寸薄壁构件难于保证高精度要求，同时，镁合金产品中的残余应力增加了镁合金的应力腐蚀倾向，降低镁合金的耐蚀性能。因此，为了保证镁合金产品高精度和可靠性，有必要消除产生的残余应力。
目前，用于消除金属制品残余应力的技术主要为冷热循环处理、振动时效。冷热循环处理法降低应力的原因主要是材料原残余应力与冷处理产生的应力相互抵消，该方法只适应于形状简单、对称性好的零件，否则易引起工件的变形，不适用于薄壁件的去应力处理，此外费用较高。振动时效是通过对工件施加周期性激振力，激振力的频率与零件的固有频率相同，使零件发生共振运动，交变外载荷通过共振传递到零件的各部位，当附加外载荷与残余应力叠加，材料零件发生微小畸变，从而达到降低和均化残余应力的目的，该方法反复试验，成本高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，该方法既能够有效消除镁合金铸件中的残余应力，还能够改善铸件内部质量从而提高其力学性能。
本发明的技术解决方案是：
一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，该方法的步骤包括：
(1)对高强稀土镁合金薄壁铸件毛坯进行表面擦洗，然后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行两次抽真空，当热等静压炉体真空度达到8～10毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为500-520℃，升温速率为10-12℃/min；在升温过程中在热等静压炉体中充入氩气，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为65～70MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到100～120Mpa，温度达到500-520℃时，保温2-3h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为10-15℃/min，降温到40～50℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为500-520℃，保温时间为8-10h，时效温度为200-250℃，保温时间为30-36h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到的高强稀土镁合金薄壁铸件。
对高强稀土镁合金薄壁铸件毛坯使用丙酮进行表面擦洗。
所述的高强稀土镁合金薄壁铸件为WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)镁合金铸件。
有益效果
(1)本发明采用热等静压技术通过温度和压力共同作用使得镁合金铸件在高温、各向等压应力作用条件下发生整体微变形而释放内应力；同时能够冶金闭合镁合金铸件内部的缩孔、缩松等缺陷，即铸件的致密化过程，该过程可以分为两个阶段，第一阶段是内部缺陷和孔隙在外界压力大于材料高温强度的条件下发生塑性变形，缺陷和孔隙被破坏，致使内表面相互接触在一起。第二阶段在外界压力低于材料高温强度时，材料发生高温蠕变，孔隙表面在压力作用下相互接触，相互渗透、扩散黏结，彻底消除缺陷和孔隙，而非机械结合。经热等静压致密化处理后材料的力学性能获得进一步提高。
(2)本发明根据高强稀土镁合金WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)铸造镁合金的特点，考虑热处理与热等静压技术的匹配性，在两种工艺的协同作用下，达到共同消除残余应力和提高力学性能的效果。针对该系高强镁合金热处理特点，采用先热等静压再固溶时效处理。
(3)相比其他去除残余应力技术如时效振动技术，热等静压技术能够有效消除高强镁合金WNG421铸件中的残余应力，同时能够均匀化残余应力；与此同时，热等静压工艺能够提高镁合金铸件材料的力学性能。对于WNG421镁合金，其强度值和延伸率均提高了；
(4)本发明在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到100～120Mpa，该条件参数能够保证达到镁合金铸件所需温度及压力，保证铸件孔隙接触面相互扩散的激活能；
(5)高温各向等压力作用下镁合金铸件发生微变形；热等静压技术能够使铸件中的缩孔、缩松实现冶金闭合；热等静压与热处理工艺的联合，协同提高材料的力学性能；获得铸件尺寸完整、表面质量优良的镁合金铸件。镁合金铸件在各向等压应力微变形条件下释放残余应力同时均匀化微观组织。热等静压工艺与热处理工艺的结合协同提高镁合金铸件的力学性能；
(6)针对目前国内现有冷热循环处理、振动时效处理技术不能有效消除镁合金铸件残余应力的现状，提供了集消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力与提高力学性能于一体的工艺方法，对于镁合金铸件在航天型号主承力构件上的高可靠应用发挥了重要的技术支撑作用。将热等静压技术应用于镁合金铸件的去除残余应力处理，在该状态条件下，镁合金处于各向等压应力和高温作用下的整体微变形，使得该技术不仅能够有效消除且均匀化残余应力，与此同时，热等静压技术能从不同尺度上改善镁合金铸件中的组织缺陷，既能够冶金闭合铸件中的缩孔缩松等缺陷，同时调控材料中的微观组织，与常规热处理工艺相配合，提高镁合金铸件材料的力学性能。
(7)本发明中热等静压温度及保温时间与固溶处理温度时间相配合，保证产品充分的固溶，但不至于影响晶粒尺寸长大。热等静压温度选取与固溶温度相同，产品厚度小于10mm，热等静压保温时间一般选取2～3h，产品厚度大于10mm，热等静压保温时间一般在原来保温2～3h基础上，按照5℃/mm进行累加保温时间。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为实施例中的热等静压工艺参数示意图。
具体实施方式
对于可时效热处理强化的高强镁合金WNG421铸件，一般在热等静压处理后再进行T6处理。热等静压的具体实施方式如下，铸件装炉前，对铸件进行检查处理后，装炉进行两次抽真空和预充气，保证炉体真空度达到大约8～10毫帕，按照设定好热等静压参数，进行氩气大气，压力达到65～70MPa后，炉体温度达到100℃左右，按照设定温度继续升温，当温度达到设定温度500℃时，炉体由于热膨胀压力达到(100～120MPa)，铸件热等静压进入保温阶段，按照设定保温时间(2～3)h，保温结束后，热等静压按照设定程序降温。热等静压分为升温、保温、降温三个阶段。
(1)升温。镁合金铸件随炉升温，升温速率约10℃/min。
(2)保温。在设定的温度、压力下，将镁合金铸件保温时间2～3h。对于高强镁合金WNG421铸件直接进行热等静压处理，加热温度500±5℃。
(3)降温。镁合金铸件随炉冷却，冷却时间不超过0.5h。
一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，该方法的步骤包括：
(1)对高强稀土镁合金薄壁铸件毛坯用丙酮进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍，清除干净后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行两次抽真空，当热等静压炉体真空度达到8～10毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为500-520℃，升温速率为10-12℃/min；在升温过程中在热等静压炉体中充入氩气，氩气一方面作为保护气体，另一方面作为打压气体，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为65～70MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到100～120Mpa，温度达到500-520℃时，保温2-3h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为10-15℃/min，降温到40～50℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为500-520℃，保温时间为8-10h，时效温度为200-250℃，保温时间为30-36h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到的高强稀土镁合金薄壁铸件的残余应力小，力学性能优异。
所述的高强稀土镁合金薄壁铸件为WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)镁合金铸件。
实施例1
一种消除WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件残余应力的方法，该方法的步骤包括：
(1)对WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件毛坯用丙酮进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍，清除干净后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行第一次抽真空，当热等静压炉体中的真空度为6毫帕时，充入氩气置换热等静压炉体中的空气，之后一直充入氩气，然后进行第二次抽真空，至热等静压炉体真空度达到10毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为500℃，升温速率为10℃/min；氩气一方面作为保护气体，另一方面作为打压气体，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为65MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到120Mpa时，保温2.5h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为15℃/min，降温到40℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为500℃，保温时间为8h，时效温度为200℃，保温时间为36h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件。
对得到的WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件进行残余应力测试和力学性能测试(GB/T 228)，测试了三组数据，结果如表1和表2所示；
表1热等静压和振动时效消除高强镁合金WNG421铸件残余应力的对比
由表1可知，通过本发明的方法处理后的WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件的残余应力消除效果明显。
表2热等压工艺对WNG421铸件力学性能的影响
处理状态 屈服强度σ0.2(MPa) 抗拉强度σb(MPa) 延伸率δ(％)
固溶时效处理 207～209 319～325 3.0～3.5
实施例的方法 208～209 331～337 3.5～4.5
由表2可知，通过本发明的方法处理后的WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件的抗拉强度有明显提高，延伸率也有明显提高，且在对力学性能的测试过程中，对WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件的不同剖切面进行力学性能测试，测试了30组，结果表明使用本发明的方法得到的WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件的延伸率为4％的占90％，还有一组的延伸率为3.5％，另外两组的延伸率为4.5％，单独使用固溶时效处理的方法得到的WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件的延伸率为3.0％的占80％，还有4组的延伸率为3.5％，有两组的延伸率为3.3％。每组测试时有三根，上述的数据均为该组中三根数据的平均值。
实施例2
一种消除WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件残余应力的方法，该方法的步骤包括：
(1)对WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件毛坯用丙酮进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍，清除干净后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行第一次抽真空，当热等静压炉体中的真空度为4毫帕时，充入氩气置换热等静压炉体中的空气，之后一直充入氩气，然后进行第二次抽真空，至热等静压炉体真空度达到8毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为520℃，升温速率为12℃/min；氩气一方面作为保护气体，另一方面作为打压气体，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为70MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到100Mpa时，保温3h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为10℃/min，降温到50℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为520℃，保温时间为10h，时效温度为250℃，保温时间为30h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件。
实施例3
一种消除WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件残余应力的方法，该方法的步骤包括：
(1)对WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件毛坯用丙酮进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍，清除干净后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行第一次抽真空，当热等静压炉体中的真空度为5毫帕时，充入氩气置换热等静压炉体中的空气，之后一直充入氩气，然后进行第二次抽真空，至热等静压炉体真空度达到9毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为510℃，升温速率为11℃/min；氩气一方面作为保护气体，另一方面作为打压气体，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为68MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到110Mpa时，保温2h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为13℃/min，降温到45℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为510℃，保温时间为9h，时效温度为225℃，保温时间为33h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)薄壁铸件。

Claims (3)

1.一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)对高强稀土镁合金薄壁铸件毛坯进行表面擦洗，然后放入热等静压炉体中心位置，并关闭炉门；
(2)对热等静压炉体进行两次抽真空，当热等静压炉体真空度达到8～10毫帕后，对热等静压炉体进行加热，加热的工艺参数为：温度为500-520℃，升温速率为10-12℃/min；在升温过程中在热等静压炉体中充入氩气，通过氩气对铸件进行打压，打压压力为65～70MPa；
(3)在升温过程中热等静压炉体热膨胀，当热等静压炉体中的气压达到100～120Mpa，温度达到500-520℃时，保温2-3h；
(4)热等静压保温结束后，铸件随炉冷却，降温速率为10-15℃/min，降温到40～50℃后，泄压放气，出炉；
(5)将步骤(4)出炉后的铸件进行固溶时效处理，固溶温度为500-520℃，保温时间为8-10h，时效温度为200-250℃，保温时间为30-36h，保温结束后出炉，自然冷却至室温，得到的高强稀土镁合金薄壁铸件。
2.根据权利要求1所述的一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，其特征在于：对高强稀土镁合金薄壁铸件毛坯使用丙酮进行表面擦洗。
3.根据权利要求1所述的一种消除高强稀土镁合金薄壁铸件残余应力的方法，其特征在于：所述的高强稀土镁合金薄壁铸件为WNG421(Mg-4Y-2Nd-1Gd)镁合金铸件。
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