CN106544608B - 一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，属于有色金属加工工艺技术领域，本发明的方法实现了特厚镁合金锻件晶粒尺寸的细化，使其兼顾高强度和高韧性，将其应用于战略导弹的构件制造，该方法的成功实施，对于战略导弹的结构减重起到了重要的技术支撑作用。

Description

一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法

技术领域

本发明涉及一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，属于有色金属加工工艺技术领域，该种锻件的厚度为150mm以上，晶粒尺寸小于10μm，高强韧是指镁合金锻件厚度方向的力学性能抗拉强度不低于310MPa，厚度方向延伸率不低于5％。

背景技术

随着战略导弹武器装备对减重需求的日益迫切，采用原有的结构材料进行优化设计已经很难达到大幅度结构减重的目标，而采用新型镁合金部分代替原有的铝合金材料，可以实现大幅度降低导弹结构重量的目的，从而可以进一步提高导弹的射程与机动飞行能力等各项性能指标，产生显著的军事效益。

高强镁合金的密度约为铝合金的70％左右，能够大幅度实现航天型号的结构减重。部分航天型号的主承力构件对大尺寸特厚高强镁合金锻件提出了需求，如支座类零件属于特厚结构，其厚度达到了173mm，但特厚高强镁合金锻件研制存在的问题制约了镁合金材料的应用。主要问题为：1.通常，镁合金属于密排六方晶体结构，其滑移系较少，决定了镁合金的塑性加工能力较差，加之，高强镁合金属于合金元素含量较高的镁合金，相比常规镁或镁合金，其塑性能力更差。因此，高强镁合金特厚锻件的成形温度工艺窗口窄，锻造过程中存在开裂的问题；2.小规格镁合金材料均具有优良的力学性能，主要原因是通过塑性加工易于制备细晶组织，但其组织性能存在明显的“放大效应”，由于变形温度和变形量不易于控制，大规格锻件的晶粒易长大粗化，导致其力学性能偏低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，该方法制备的镁合金锻件兼具高强度与高韧性，满足了战略导弹构件对于特厚高强韧镁合金锻件的迫切需求。

本发明的技术解决方案是：

一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，该方法的步骤包括：

(1)对毛坯铸锭进行双级均匀化处理，双级均匀化处理的过程为：首先在300～350℃下进行固溶处理，保温6～8h，然后在390～410℃下保温24～26h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)对步骤(1)处理后的毛坯铸锭进行挤压处理，采用立式挤压机对毛坯铸锭进行挤压，在挤压之前首先对模具进行加热，当模具温度为300～350℃时开始进行挤压，挤压比7～10，获得了挤压圆棒；

(3)对步骤(2)得到的挤压圆棒进行三向锻造处理，三向锻造的处理过程为：首先，对挤压圆棒进行加热，当挤压圆棒的温度达到250-350℃时，对挤压圆棒沿着中心轴进行镦粗变形，变形量为50％-60％，然后将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，最后，再将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，得到挤压件；

(4)对步骤(3)三向锻造处理后的挤压件进行拔长处理，拔长方向沿着中心轴的方向进行拔长，拔长共分两次进行，第一次拔长量的控制方法为：使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，第二次拔长量的控制方法为：通过限位块控制下压量使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，以保证比最终锻件的厚度为190～200mm；

(5)拔长处理完成后对得到的产品进行整形校直，整形校直完成以后，将产品投入到温度为20-30℃的水中进行淬火处理，淬火的时间为30～35min；

(6)淬火处理完成后将淬火后的产品放入温度为175～190℃热处理炉中进行时效处理，时效处理的时间为10～12h，时效处理完成后出炉空冷，最终制备得到特厚细晶高强韧镁合金锻件。

所述的特厚细晶高强韧镁合金锻件的厚度为150mm以上。

所述的特厚细晶高强韧镁合金锻件的晶粒尺寸小于10μm。

有益效果

(1)本发明的方法通过均匀化处理的手段使得合金元素固溶入基体中，大幅度提高了合金的塑性变形能力，并提高了合金力学性能的均匀性。挤压联合多向锻造的复合塑性加工技术能够充分细化晶粒，保证变形组织和力学性能的均匀性。校直工序减小了最终锻件的外形尺寸误差。淬火处理及随后的时效处理，通过过饱和固溶体的等温析出进一步提高了材料的室温及高温力学性能。所有技术手段的综合运用最终得到了尺寸规格合于要求、表面及内部无裂纹、组织均匀、力学性能优良的高强细晶镁合金特厚锻件，其晶粒尺寸约5μm，实现了大尺寸特厚(180mm)高强镁合金锻件的细晶化。依据GB/T228-2002测量的锻件的力学性能如表1所示。

(2)本发明的方法实现了特厚镁合金锻件晶粒尺寸的细化，使其兼顾高强度和高韧性，将其应用于战略导弹的构件制造，该方法的成功实施，对于战略导弹的结构减重起到了重要的技术支撑作用。

(3)一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的制造方法，铸锭放入加热炉中进行均匀化热处理；铸锭出炉进行挤压开坯，挤压转移时间不超过1min；首先中温锻造，沿挤压圆棒坯料中心轴进行镦粗变形，变形量为50％-60％；其次三向锻造，最后进行拔长处理，拔长方向垂直于原始中心轴方向；拔长完成后进行整形校直，整形完成以后，进行余热淬火处理；随后，将淬火的锻件进行时效处理，时效完成后出炉空冷；最终得到的锻件经机械加工处理得到合于尺寸要求的标准板材。挤压开坯能够闭合铸锭中的缩孔缺陷，改善铸锭组织并提高其工艺塑性，获取具有优良锻造工艺性的锻造用坯料。通过三向锻造前先进行径向镦粗变形处理和拔长方向垂直于原坯料的中心轴方向的变形方式增加变形量的同时，弱化性能不均匀问题，提高厚锻件性能不均匀。

(4)针对目前国内并不具备生产高强韧特厚锻件的技术方法的现状，本发明的方法提供了一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的制造方法，实现了镁合金特厚锻件的成形，且兼顾高强度与高韧性，并将其应用于战略导弹的构件制造，对于战略导弹的结构减重起到了至关重要的技术支撑作用。其特征在于采用双级均匀化处理的手段使合金元素固溶入基体中使合金的工艺塑性与力学性能均匀性均得以提高，挤压开坯获得了兼顾优良工艺塑性与细晶组织的锻造用毛坯料，设计了中温锻造工艺，充分细化特厚锻件中的晶粒尺寸，同时结合挤压方向制定拔长路径有效弱化了材料的各向异性。优化的淬火处理及时效处理制度，通过过饱和固溶体的等温析出进一步提高了材料的室温及高温力学性能。

附图说明

图1a为本发明的方法过程中铸锭的示意图；

图1b为本发明的方法过程中挤压件的示意图；

图1c为本发明的方法过程中镦粗的示意图；

图1d为本发明的方法过程中第一次锻造变形的示意图；

图1e为本发明的方法过程中第二次锻造变形的示意图；

图1f为本发明的方法过程中第三次锻造变形的示意图；

图1g为本发明的方法过程中三向锻造后锻件的示意图；

图1h为本发明的方法过程中锻件800×600×180的示意图；

图2为本发明的方法制备的锻件的金相组织结构图。

具体实施方式

以800mm×600mm×180mm高强耐热镁合金板材为例，其加工步骤为：

1、双级均匀化处理；

2、挤压开坯；

3、挤压圆棒坯料高向镦粗；

4、三向锻造，拔长处理；

5、整形校直，淬火处理；

6、时效处理；

其双级均匀化热处理参数为：首先在300±5℃保温6h，然后加热到390±5℃保温24h。均匀化热处理后，铸锭随炉冷却至室温。再对铸锭进行挤压开坯，挤压温度约为320℃。

随后进行镦粗变形，沿着挤压毛坯料中心轴方向镦粗。镦粗后进行三向锻造，其工艺过程为：在油压机上进行锻造，上下垫板的加热温度为260℃。首先，沿挤压毛坯料互成夹角的三个方向进行镦粗，变形量控制在50±5％左右。

进行三向锻造后，复位至原挤压坯料的高度方向。最后进行拔长处理，拔长方向垂直于毛坯料的中心轴方向。拔长共分两次进行，第一次拔长过程中的压下量控制在20±5％左右，第二次通过限位块控制压下量以保证比最终锻件的厚度高10mm左右。

一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，该方法的步骤包括：

(1)对毛坯铸锭进行双级均匀化处理，双级均匀化处理的过程为：首先在300～350℃下进行固溶处理，保温6～8h，然后在390～410℃下保温24～26h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)对步骤(1)处理后的毛坯铸锭进行挤压处理，采用立式挤压机对毛坯铸锭进行挤压，在挤压之前首先对模具进行加热，当模具温度为300～350℃时开始进行挤压，挤压比7～10，获得了挤压圆棒；

(3)对步骤(2)得到的挤压圆棒进行三向锻造处理，三向锻造的处理过程为：首先，对挤压圆棒进行加热，当挤压圆棒的温度达到250-350℃时，对挤压圆棒沿着中心轴进行镦粗变形，变形量为50％-60％，然后将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，最后，再将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，得到挤压件；50％-60％的大变形量以保证发生充分的动态再结晶以细化晶粒；

(4)对步骤(3)三向锻造处理后的挤压件进行拔长处理，拔长方向仍然沿着中心轴的方向进行拔长，拔长共分两次进行，第一次拔长量的控制方法为：使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，第二次拔长量的控制方法为：通过限位块控制下压量使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，以保证比最终锻件的厚度为190～200mm；

(5)拔长处理完成后对得到的产品进行整形校直，整形校直完成以后，将产品投入到温度为20-30℃的水中进行淬火处理，淬火的时间为30～35min；

(6)淬火处理完成后将淬火后的产品放入温度为175～190℃热处理炉中进行时效处理，时效处理的时间为10～12h，时效处理完成后出炉空冷，最终制备得到特厚细晶高强韧镁合金锻件。

将ZKY601镁合金铸锭放入加热炉中进行均匀化热处理，热处理采用双级均匀化制度，首先在300±5℃保温6h，然后加热到390±5℃保温24h。对均匀化热处理后的铸锭进行空冷处理；

挤压前对铸锭进行加热处理，在350±10℃保温10h。采用立式挤压机对镁合金铸锭进行挤压，挤压前模具加热温度为300℃，挤压比约为7，获得了直径350mm，高720mm的挤压圆棒。

综合考虑细化镁合金锻件的晶粒尺寸与ZKY601镁合金优良的工艺塑性，选择了镁合金中温锻造，锻造初始温度为300±10℃。首先，将挤压圆棒沿着高向进行镦粗变形，变形量控制在50±5％。采用三向锻造的方式，将其各方向的变形量控制在50±5％左右，大变形量以保证发生充分的动态再结晶以细化晶粒。接下来进行拔长处理，拔长方向垂直于挤压方向，拔长共分两次进行，第一次拔长过程中的压下量控制在20±5％左右，第二次通过限位块控制压下量以保证比最终锻件的厚度高10mm左右。

拔长完成后进行整形校直，压下量控制在10mm左右。整形完成以后，将锻件投入温度为20-30℃的水中进行淬火处理。淬火的时间控制在30±5min。随后，将淬火的锻件放入温度为175±5℃热处理炉中进行时效处理，时效的时间为10±0.5h，时效完成后出炉空冷。最终制备的锻件尺寸为：长800mm，宽600mm，厚180mm。

实施例

一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，该方法的步骤包括：

(1)如图1a所示，毛坯铸锭直径为450mm，高为150mm，对毛坯铸锭进行双级均匀化处理，双级均匀化处理的过程为：首先在300℃下进行固溶处理，保温6h，然后在390℃下保温24h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)对步骤(1)处理后的毛坯铸锭进行挤压处理，采用立式挤压机对毛坯铸锭进行挤压，在挤压之前首先对模具进行加热，当模具温度为300℃时开始进行挤压，挤压比7，获得了挤压圆棒，挤压圆棒的直径为200mm，高为700mm，如图1b；

(3)对步骤(2)得到的挤压圆棒进行三向锻造处理，三向锻造的处理过程为：首先，对挤压圆棒进行加热，当挤压圆棒的温度达到250℃时，对挤压圆棒沿着中心轴进行镦粗变形，变形量为50％，如图1c所示，然后将挤压圆棒沿中心轴进行三向锻造第一次变形，如图1d，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行三向第二次变形，如图1f，变形量为50％，如图1e，最后，再将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行第三次镦粗变形，变形量为50％，得到挤压件，如图1g；

(4)对步骤(3)三向锻造处理后的挤压件进行拔长处理，拔长方向仍然沿着中心轴的方向进行拔长，拔长共分两次进行，第一次拔长量的控制方法为：使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％，第二次拔长量的控制方法为：通过限位块控制下压量使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％，此时得到的锻件的厚度为190mm；

(5)拔长处理完成后对得到的产品进行整形校直，整形校直，如图1h，整形完成以后，将产品投入到温度为20℃的水中进行淬火处理，淬火的时间为30min；

(6)淬火处理完成后将淬火后的产品放入温度为175℃热处理炉中进行时效处理，时效处理的时间为10h，时效处理完成后出炉空冷，最终制备得到特厚细晶高强韧镁合金锻件，得到的锻件的长800mm，宽600mm，高180mm。

对得到的产品进行力学性能测试和晶粒尺寸测试，力学性能测试的方法GB/T228-2002，晶粒尺寸不小于10μm，如表1和图2所示；

表1高强镁合金特厚锻件的力学性能

由表1和图2可知，通过本发明的方法处理后的ZKY601镁合金大尺寸800mm×600mm×180mm锻件，力学性能和延伸率明显提高，且在对力学性能的测试过程中，对锻件的长向、宽向和厚向分别进行力学性能测试，结果表明本发明的方法得到的锻件，厚向抗拉强度大于310MPa，相比常规三向变形后的厚向，性能提高10％。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。由图2可知，晶粒尺寸小于6μm。

Claims (2)

1.一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)对毛坯铸锭进行双级均匀化处理，双级均匀化处理的过程为：首先在300～350℃下进行固溶处理，保温6～8h，然后在390～410℃下保温24～26h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)对步骤(1)处理后的毛坯铸锭进行挤压处理，采用立式挤压机对毛坯铸锭进行挤压，在挤压之前首先对模具进行加热，当模具温度为300～350℃时开始进行挤压，挤压比7～10，获得了挤压圆棒；

(3)对步骤(2)得到的挤压圆棒进行三向锻造处理，三向锻造的处理过程为：首先，对挤压圆棒进行加热，当挤压圆棒的温度达到250-350℃时，对挤压圆棒沿着中心轴进行镦粗变形，变形量为50％-60％，然后将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，最后，再将挤压圆棒转动90°，对挤压圆棒沿着与中心轴垂直的方向进行镦粗变形，变形量为50％-60％，得到挤压件；

(4)对步骤(3)三向锻造处理后的挤压件进行拔长处理，拔长方向沿着中心轴的方向进行拔长，拔长共分两次进行，第一次拔长量的控制方法为：使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，第二次拔长量的控制方法为：通过限位块控制下压量使得挤压件在与中心轴垂直的方向的下压量为20％-30％，以保证最终锻件的厚度为190～200mm；

(5)拔长处理完成后对得到的产品进行整形校直，整形校直完成以后，将产品投入到温度为20-30℃的水中进行淬火处理，淬火的时间为30～35min；

(6)淬火处理完成后将淬火后的产品放入温度为175～190℃热处理炉中进行时效处理，时效处理的时间为10～12h，时效处理完成后出炉空冷，最终制备得到特厚细晶高强韧镁合金锻件。

2.根据权利要求1所述的一种特厚细晶高强韧镁合金锻件的成形方法，其特征在于：所述的特厚细晶高强韧镁合金锻件的晶粒尺寸小于10μm。