CN107130197B - 一种超细晶az80镁合金的形变热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，包括以下步骤：A、将AZ80镁合金板材或固溶处理后的铸锭切割成长方体试样；B、多向锻造：将所述长方体试样加热至360～420℃、保温2～20min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以2～15mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.15～0.25；C、按照步骤B对长方体试样锻造6～10个循环，得超细晶AZ80镁合金。本发明采用传统锻造设备即可，无需采用特殊装备，投资小；采用的锻造技术已经很成熟，工艺简单易于操作，制备的AZ80镁合金平均晶粒尺寸可以达到0.5～1μm，具有较高的强度和较好的塑性，工业应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及用热处理法改变有色金属或合金物理结构的技术领域，具体涉及一种超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法。
背景技术
镁及其合金是迄今工程应用中最轻的金属结构材料(密度仅为铝的2/3)，具有最高的比强度和比刚度、优良的工艺性能、良好的导热、减振及电磁屏蔽性，被认为是制备运输设备和飞行器零部件最具有前途的材料。已经得到了更多、更广泛的研究，但在镁合金的工程应用中，比如高性能AZ80合金，强度和延展性仍然较低。
镁合金在实际应用方面远不及铝合金和钢铁材料，造成“镁合金存在前景与现实巨大反差”的原因主要有两方面：一镁合金中缺乏有效固溶相、合金元素固溶度低，导致的强度和硬度较低；二镁合金独特的密排六方晶体结构，室温可动滑移系少，变形时无法达到晶体均匀变形所需的至少5个独立滑移系要求，同时经常规加工工艺制备的镁合金常存在强的基面织构，导致合金塑性差，后续成型困难。
根据Hall-Petch关系：σ＝σ0+Kd-1/2，可知多晶体材料的晶粒尺寸越细小，屈服强度越高。镁合金由于滑移系少，其Hall-Petch常数K很大，是铝合金的4倍以上，因此晶粒细化对镁力学性能提高的潜力远大于铝合金。同时，研究也表明镁的脆塑性转变温度随着晶粒尺寸的减小而逐渐降低，晶粒尺寸细化到2μm时，转变温度可降低至室温以下。
近年来，大塑性变形方法作为晶粒细化、获得高性能材料的有效途径一直广受关注，其包括等径角挤、累积叠扎、高压扭转变形和多向锻造等。其中多向锻造工艺使用现有的设备即可制备大块致密材料，有望直接应用于工业化生产。如公告号为CN 102127723 B的专利公开了一种获得高强度、高韧性镁合金的形变热处理方法，其将镁合金铸锭或热变形材切割成矩形块状，放入炉中加热至400～460℃保温1～15小时后水淬冷却，然后从300～460℃开始，依次沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向进行逐道次降温多轴压缩变形；每道次变形后，取出试件水淬，然后在比前一道次低10～120℃的温度下保温5～10分钟后继续下一道次变形，直至累积真应变量大于等于3；控制最终道次的变形温度为100～300℃，变形后水淬；最后进行人工时效处理。整体而言，该方法操作复杂、热处理的过程冗长，而且每道次形变后均需要进行水淬，一方面操作冗繁、另一方面浪费能源，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，用以解决现有镁合金晶粒细化工艺操作复杂、不适于工业化生产的问题。
为实现上述目的，本发明方法对AZ80镁合金加热、室温下进行锻造，锻造后无需淬火，转变轴向后进行下一道次的锻造。具体地，该方法包括如下步骤：
A、将AZ80镁合金板材或固溶处理的铸锭切割成长方体试样；
B、多向锻造：将所述长方体试样加热至360～420℃、保温2～20min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以2～15mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.15～0.25；
C、按照步骤B对长方体试样锻造6～10个循环，得超AZ80细晶镁合金。
上述技术方案中，沿X轴、Y轴、Z轴三个方向依次锻造一道次为一个循环。一个循环完成后长方体试样在360～420℃重新加热、保温至长方体试样的温度分布均匀，再依次多轴锻造，共进行6～10个循环。
优选的，步骤A中AZ80镁合金的组分配比为：Al 7.8～9.2％，Zn 0.20～0.80％，Mn0.12～0.50％，Si≤0.10％，Fe≤0.005％，Cu≤0.05％，Ni≤0.005％，其余为Mg，以上均为重量百分比。
步骤B中所述长方体试样加热至380～410℃、保温5～20min。
步骤B中锻造的变形速率为2～15mm/s。当变形速率太慢时，镁合金散热快温度减低过多，塑性变差；当变形速率太快时，塑性变形没有足够时间完成，塑性也会变差，更优选5～10mm/s。
步骤B中每个方向锻造的真应变Δε为0.17～0.20。
更优选的，步骤B中所述长方体试样加热至400℃、保温5min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以8mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.18。
步骤C中对长方体试样按照步骤B锻造8个循环，累积真应变量ΣΔε达到4.32。
对上述技术方案锻造的超细晶AZ80镁合金，进行硬度和拉伸试验，结果表明：其硬度达到80～100Hv，抗拉强度达350～450MPa，伸长率达15～25％。
本发明方法具有如下优点：(1)本发明采用传统锻造设备即可，无需采用特殊装备，投资小，在锻造过程中，锻造环境无需保温或加热，节约能源、适于工业化生产；(2)每个锻造循环后无需淬火，直接在选定温度下重新加热，然后进行再锻造，采用的锻造技术已经很成熟，工艺简单易于操作，工人只需简单培训即可生产；(3)本发明制备的AZ80镁合金平均晶粒尺寸可以达到0.5～1μm，具有较高的强度和较好的塑性，工业应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明多向锻造的原理示意图；
图2a、b、c、d和e分别是实施例1中AZ80镁合金长方体试样的原始板材、1个循环锻造后、2个循环锻造后、4个循环锻造后和8个循环锻造后的光学显微组织；
图3是实施例1中AZ80镁合金长方体试样8个循环锻造后的晶粒尺寸统计图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
A、将AZ80镁合金板材切割成长方体试样。
本实施例采用的是厚度为15mm的商用AZ80镁合金板材，其组分配比为：Al 7.8～9.2％，Zn 0.20～0.80％，Mn 0.12～0.50％，Si≤0.10％，Fe≤0.005％，Cu≤0.05％，Ni≤0.005％，其余为Mg，以上均为重量百分比。将其切割成长、宽、高分别为18cm、16.5cm和15cm的长方体试样，待用。
B、多向锻造：在炉中将所述长方体试样加热至400℃、保温5min，然后将所述长方体试样取出，分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以8mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.18；锻造时以边长最长的轴向为X轴，参见图1。当X轴的真应变Δε达到0.18时，立即转换成Y轴进行锻造，当Y轴的真应变Δε达到0.18时，立即转换成Z轴进行锻造。三个轴向依次锻造一道次为一个循环。长方体试样加热均匀、从炉中取出后，立即进行多轴向锻造，可以采用常用的锻造设备，本实施例中采用空气锤。
C、按照步骤B对长方体试样锻造8个循环，得超细晶镁合金。按照步骤B的方法和参数对长方体试样三个轴向依次锻造一道次后，完成一个循环，然后再将长方体试样加热至400℃，按照步骤B的参数对其X轴、Y轴、Z轴三个方向进行锻造，完成第二个循环。如此共进行8个循环。累积真应变量ΣΔε达到4.32。
对AZ80镁合金长方体试样的原始板材，以及每个循环后的试样进行光学显微组织分析。典型图依次参见图2a～e。图2a所示为原始板料的显微组织，平均晶粒尺寸约为22.3μm，随着多向锻造循环次数的增加，合金逐渐细化，多向锻造8个循环，试样中形成了均匀的超细晶组织，平均晶粒尺寸为0.73μm。
如图2b所示，在1个循环多向锻造过程之后，可以观察到合金的显微组织主要包括初始变形晶粒和孪晶，大量的孪晶分割初始晶粒，动态再结晶过程不明显。在图2c中，随着多向锻造的道次增加，随着累积应变的增大孪晶密度提高，部分再结晶可以观测到，动态再结晶的过程仍然不完全。显微组织由粗晶粒组成，粗晶粒被更多的细晶粒包围，但粗晶粒占据更大的部分。
随着的变形道次的增加，累积应变较大时，再结晶获得了足够的动力，如图2c晶界间出现了很多明显的细小再结晶晶粒。进一步增加道次，组织中变化中孪晶分割晶粒、再结晶的形核及晶粒长大同时进行，并互相影响，合金组织细化速度逐渐减弱。
8个循环后的晶粒尺寸统计参见图3，平均晶粒尺寸为0.73μm。
对锻造8个循环后的长方体试样进行硬度和拉伸试验，硬度和拉伸试验分别参照GBT4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法和GBT228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法。结果表明：镁合金的硬度达80～110HV，其抗拉强度达350～450MPa，伸长率达15～25％。
实施例2
A、将AZ80镁合金板材切割成长方体试样。
本实施例采用的是厚度为15mm的商用AZ80镁合金板材，其组分配比为：Al 7.8～9.2，Zn 0.20～0.80，Mn 0.12～0.50，Si≤0.10，Fe≤0.005，Cu≤0.05，Ni≤0.005其余为Mg，以上均为重量百分比。将其切割成长、宽、高分别为18mm、16.5mm和15mm的长方体试样，待用。
B、多向锻造：将所述长方体试样加热至380℃、保温8min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以3mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.16；锻造时以边长最长的轴向为X轴。
C、按照步骤B对长方体试样锻造9个循环，得超细晶镁合金。按照步骤B的方法和参数对长方体试样三个轴向依次锻造一道次后，完成一个循环，然后再将长方体试样加热至380℃，按照步骤B的参数对其X轴、Y轴、Z轴三个方向进行锻造，完成第二个循环。如此共进行9个循环。累积真应变量ΣΔε达到4.32。
对AZ80镁合金长方体试样的原始板材，以及每个循环后的试样进行光学显微组织分析。结果表明：随着多向锻造循环次数的增加，合金逐渐细化，多向锻造9个循环，试样中形成了均匀的超细晶组织，平均晶粒尺寸为0.7μm。
对锻造9个循环后的长方体试样进行硬度和拉伸试验，结果表明：镁合金长方体试样的硬度达80～100Hv，其抗拉强度达350～450MPa，伸长率达15～25％。
实施例3
A、将AZ80镁合金板材切割成长方体试样。
本实施例采用的是厚度为15mm的商用AZ80镁合金板材，其组分配比为：Al 7.8～9.2，Zn 0.20～0.80，Mn 0.12～0.50，Si≤0.10，Fe≤0.005，Cu≤0.05，Ni≤0.005其余为Mg，以上均为重量百分比。将其切割成长、宽、高分别为18mm、16.5mm和15mm的长方体试样，待用。
B、多向锻造：将所述长方体试样加热至420℃、保温4min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以14mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.25。
C、按照步骤B对长方体试样锻造6个循环，得超细晶镁合金。按照步骤B的方法和参数对长方体试样三个轴向依次锻造一道次后，完成一个循环，然后再将长方体试样加热至420℃，按照步骤B的参数对其X轴、Y轴、Z轴三个方向进行锻造，完成第二个循环。如此共进行6个循环。累积真应变量ΣΔε达到4.5。
对AZ80镁合金长方体试样的原始板材，以及每个循环后的试样进行光学显微组织分析。结果表明：随着多向锻造循环次数的增加，合金逐渐细化，多向锻造6个循环，试样中形成了均匀的超细晶组织，平均晶粒尺寸为0.8μm。
对锻造6个循环后的长方体试样进行硬度和拉伸试验，结果表明：镁合金的硬度达80～110HV，其抗拉强度达350～450MPa，伸长率达15～25％。
实施例4
A、将固溶处理后的AZ80镁合金铸锭切割成长方体试样。
AZ80镁合金的组分配比参见实施例1。铸锭固溶处理的步骤为：将铸锭加热到400～410℃，保温16～24小时，然后出炉水淬。
长方体试样的长、宽、高分别为20mm、18mm和15mm。
B、多向锻造：将所述长方体试样加热至410℃、保温3min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以5mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.20。
C、按照步骤B对长方体试样锻造7个循环，得超细晶镁合金。累积真应变量ΣΔε达到4.2。
对锻造7个循环后的长方体试样进行硬度和拉伸试验，结果表明：镁合金的硬度达90～110HV，其抗拉强度达400～450MPa，伸长率达15～25％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将AZ80镁合金板材或固溶处理的铸锭切割成长方体试样；
B、多向锻造：将所述长方体试样加热至360～420℃、保温2～20min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以2～15mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.15～0.25；
C、按照步骤B对长方体试样锻造6～10个循环，得超细晶AZ80镁合金。
2.根据权利要求1所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤A中AZ80镁合金的组分配比为：Al 7.8～9.2％，Zn 0.20～0.80％，Mn 0.12～0.50％，Si≤0.10％，Fe≤0.005％，Cu≤0.05％，Ni≤0.005％，其余为Mg，以上均为重量百分比。
3.根据权利要求1所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤B中所述长方体试样加热至380～410℃、保温5～10min。
4.根据权利要求1或3所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤B中锻造的变形速率为2～10mm/s。
5.根据权利要求1所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤B中每个方向锻造的真应变Δε为0.17～0.20。
6.根据权利要求1所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤B中所述长方体试样加热至400℃、保温5min，然后将所述长方体试样分别沿其X轴、Y轴、Z轴三个方向依次以8mm/s的变形速率进行锻造，每个方向锻造的真应变Δε为0.18。
7.根据权利要求6所述的超细晶AZ80镁合金的形变热处理方法，其特征在于，步骤C中对长方体试样按照步骤B锻造8个循环，累积真应变量ΣΔε达到4.32。
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