CN107649628B - 一种zk61高强镁合金锻件的加工方法 - Google Patents
一种zk61高强镁合金锻件的加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,包括以下步骤:步骤1,将柱状ZK61镁合金合金铸锭进行开坯锻造,得到第一锻坯;步骤2,将第一锻坯反复镦拔锻造,得到第二锻坯;步骤3,将第二锻坯进行最终成形锻造,得到ZK61镁合金半成品锻件;步骤4,将半成品锻件进行人工时效热处理,得到厚度不大于200mm的ZK61高强镁合金锻件。本发明加工方法制备的ZK61高强镁合金锻件组织均匀、力学性能优异、一致性较好、强度和塑性得到良好匹配,批次稳定性得到有效提高,有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于镁合金材料加工方法技术领域,具体涉及一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法。
背景技术
镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料,其密度仅为1.8g/cm3,相当于铝密度的2/3、钢密度的1/4;同时,镁合金具有较高的比强度和比刚度,电磁屏蔽性能优越,阻尼减震性能好,易于加工成形和容易回收,这些优良特性使其被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”。由于镁合金在实现轻量化、节能降耗、减少环境污染等方面具有显著作用,在国防军事、航空航天、汽车、电子、机械等工业领域以及家庭办公用品和运动器材等领域正得到日益广泛的应用。在国防军工领域,已应用于制造飞机、导弹、飞船、卫星、轻武器等重要武器装备零件,特别是我国目前大飞机、绕月飞行器、高速轨道交通、电动汽车等大型工程项目的启动,对镁合金的应用前景非常可观,同时对镁合金的性能也提出了更高要求。
镁及镁合金具有密排六方结构,可开动的滑移系少,塑性成形能力很差,但可以通过晶粒细化来改善镁合金的强度以及塑性。镁合金的晶粒细化方法主要包括合金化、快速凝固粉末冶金法、铸态晶粒细化以及塑性变形等方法。其中,塑性变形主要通过锻造、轧制、等通道转角挤压等工艺来实现。锻造工艺在钢以及各类合金中都有较广泛的应用,能够有效改善合金的力学性能。然而,由于镁合金的塑性特性,变形抗力大,对锻造温度比较敏感,锻造过程极易开裂,使其锻造成形难,制造成本高,导致镁合金的锻造产品应用较少,另外目前镁合金产品尺寸较小,不能生产大规格的结构件,这也是高强镁合金广泛应用受限制的一个重要方面。
ZK61镁合金是目前所有常用镁合金中强度及比强度最高的,然而ZK61镁合金存在铸造热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点,使得镁合金锻件的成品率非常低,在锻造过程中经常出现锻件力学性能不合格,表面裂口等现象。
因此,进一步优化ZK61镁合金锻件的热加工工艺来实现镁合金强度-塑性的良好匹配,组织性能均匀一致,减小各向异性,提高产品的批次稳定性,已成为ZK61高强镁合金锻件加工关键技术开发的难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,解决了现有ZK61镁合金在加工过程中,热裂倾向严重、塑性差、锻件成品率低的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,包括以下步骤:
步骤1,取柱状ZK61镁合金铸锭,开坯锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第一锻坯;
步骤2,取步骤1得到的第一锻坯,反复镦拔锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第二锻坯;
步骤3,取步骤2得到的第二锻坯,进行一火次的最终成形锻造,随后空冷得到横截面为正方形的半成品锻件;
步骤4,取步骤3得到的半成品锻件,置于加热炉中热处理,取出后空冷,即得到呈长方体的ZK61高强镁合金锻件。
本发明的特征还在于,
步骤1中开坯锻造包括1-2火次操作,每火次的锻造比均为2.0-3.0。
开坯锻造中每火次开始操作前,均需对铸锭加热:加热温度为430℃-460℃;加热时间t1满足0.7δ1≤t1≤1.0δ1,其中参数δ1为铸锭的横截面直径,δ1的单位为mm,t1的单位为min;
开坯锻造中每火次的终锻温度280℃-460℃。
步骤1中铸锭的直径不大于300mm。
步骤2中,每次镦拔锻造均包括2-3火次操作,每火次的锻造比均为1.5-2.0。
步骤2的镦拔锻造中,每火次操作之前,均需对第一锻坯进行加热:加热温度400℃-430℃;加热时间t2满足0.5δ2≤t2≤0.7δ2,其中参数δ2为第一锻坯的横截面边长,δ2的单位为mm,t2的单位为min;
镦拔锻造中每火次的终锻温度均250℃-430℃。
步骤3中的最终成形锻造操作之前,需对第二锻坯进行加热:加热温度370℃-400℃;加热时间t3满足0.5δ3≤t3≤0.7δ3,其中参数δ3为第二锻坯的横截面边长,δ3的单位为mm,t3的单位为min;
最终成形锻造后的终锻温度220℃-400℃。
步骤4中热处理采用人工时效热处理。
步骤4中热处理温度150℃-180℃,热处理时间12h-24h。
步骤4中ZK61高强镁合金锻件的长度为235-500mm、宽度为200-300mm、厚度为100-200mm。
本发明加工方法的有益效果是:
a)本发明加工方法将锻造加热温度调整为370℃-460℃,在避免晶粒过于长大的同时,降低了镁合金的变形抗力;将终锻温度调整在220℃-280℃,在保证足够变形量的同时,也减小了由于温度过低而引起的脆性开裂;本发明加工方法根据镁合金坯料的横截面直径,调整加热保温时间,在减小镁合金坯料内、外表面温差的同时,避免了由于保温时间过长、引发再结晶从而导致晶粒粗大的现象,在保证了合金塑性的同时,提高了合金的强度;
b)本发明加工方法通过多火次逐级降温、大变形量反复镦拔锻造以及严格调控加工温区,有效得消除了变形死区,充分破碎晶粒、细化组织;通过调整人工时效热处理温度及保温时间,实现了合金强度与塑性的良好匹配;克服了传统工艺的不足,获得组织性能均匀一致、各向异性较小的高性能ZK61镁合金锻件;
c)本发明加工方法得到的ZK61高强镁合金锻件组织性能均匀一致、合金的强度和塑性能良好匹配、批次稳定性好,有很好的实用价值。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明加工方法进行详细说明。
本发明一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,包括以下步骤:
步骤1,取直径不大于300mm柱状ZK61镁合金铸锭,开坯锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第一锻坯;开坯锻造包括1-2火次操作,每火次的锻造比均为2.0-3.0;在开坯锻造中每火次开始操作前,均需对铸锭加热:加热温度为430℃-460℃;加热时间t1满足0.7δ1≤t1≤1.0δ1,其中参数δ1为铸锭的横截面直径,δ1的单位为mm,t1的单位为min;开坯锻造中每火次的终锻温度均不小于280℃。
步骤2,取步骤1得到的第一锻坯,反复镦拔锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第二锻坯;其中每次镦拔锻造均包括2-3火次操作,每火次的锻造比均为1.5-2.0;在每火次操作之前,均需对第一锻坯进行加热:加热温度400℃-430℃;加热时间t2满足0.5δ2≤t2≤0.7δ2,其中参数δ2为第一锻坯的横截面边长,δ2的单位为mm,t2的单位为min;且镦拔锻造中每火次的终锻温度均不小于250℃。
步骤3,取步骤2得到的第二锻坯,进行一火次的最终成形锻造,随后空冷得到横截面为正方形的半成品锻件;在最终成形锻造操作之前,需对第二锻坯进行加热:加热温度370℃-400℃;加热时间t3满足0.5δ3≤t3≤0.7δ3,其中参数δ3为第二锻坯的横截面边长,δ3的单位为mm,t3的单位为min;且最终成形锻造后的终锻温度不小于220℃。
步骤4,取步骤3得到的半成品锻件,置于加热炉中进行人工时效热处理,热处理温度150℃-180℃、热处理时间12h-24h,取出后空冷,即得到长度为235-500mm、宽度为200-300mm、厚度为100-200mm的长方体ZK61高强镁合金锻件。
本发明加工方法通过多火次逐级降温、大变形量反复镦拔锻造以及严调控加工温区,有效得消除了镁合金的变形死区,充分破碎晶粒、细化组织;通过调整人工时效热处理温度及保温时间,实现了合金强度与塑性的良好匹配;克服了传统工艺的不足,获得组织性能均匀一致、各向异性较小的高性能ZK61高强镁合金锻件。
实施例1
步骤1,取直径150mm的ZK61镁合金铸锭进行开坯锻造,随后空冷得到截面形状为正方形、边长为130mm的第一锻坯。开坯锻造包括一火次操作,锻造比为3.0;一火次操作前对铸锭进行加热处理:加热温度430℃,加热保温时间为105min,终锻温度为280℃。
步骤2、将步骤1中的第一锻坯进行反复的镦拔锻造,空冷后得到截面形状为正方形、边长为130mm第二锻坯。每次镦拔锻造包括两火次操作,每火次的锻造比均为2.0。每火次操作之前均需对第一锻坯加热:加热温度400℃、加热保温时间为65min、终锻温度为250℃。
步骤3、将步骤2的第二锻坯进行一火次的最终成形锻造,空冷后得到截面形状为正方形的半成品锻件。最终成形锻造前均对第二锻坯进行热处理:加热温度370℃;加热保温时间为65min;终锻温度为220℃。
步骤4、将步骤3的半成品锻件置于加热炉中进行热处理,取出后空冷,得到长、宽、高为235mm×200mm×100mm的长方体ZK61高强镁合金成品锻件;其中热处理采用人工时效热处理,热处理温度为180℃,热处理时间为12h。
对通过实施例1的加工方法得到的两批次ZK61高强镁合金锻件的室温力学性能进行检测,结果见表1:
表1实施例1中ZK61高强镁合金锻件室温力学性能
由表1可知,两批次的ZK61高强镁合金锻件的纵向性能和横向性能差异较小,有效地降低了ZK61高强镁合金锻件的各向异性,在保持较高强度的同时,延伸率平均提高了50%;每批次的ZK61高强镁合金锻件经超声波探伤达到GB/T 6519-2013种AA级水平,单个缺陷当量平底孔直径≤1.2mm。
由上可知,实施例1加工的ZK61高强镁合金锻件综合力学性能优异,探伤级别高,完全满足ZK61高强镁合金锻件指标要求。
实施例2
步骤1,取直径200mm的ZK61镁合金铸锭进行开坯锻造,随后空冷得到截面形状为正方形、边长为180mm的第一锻坯。开坯锻造包括一火次操作,锻造比为2.8;一火次操作前对铸锭进行加热处理:加热温度440℃,加热保温时间为140min,终锻温度为290℃。
步骤2、将步骤1中的第一锻坯进行反复的镦拔锻造,空冷后得到截面形状为正方形、边长为180mm第二锻坯。每次镦拔锻造包括两火次操作,每火次的锻造比均为1.8。每火次操作之前均需对第一锻坯加热:加热温度410℃、加热保温时间为108min、终锻温度为260℃。
步骤3、将步骤2的第二锻坯进行一火次的最终成形锻造,空冷后得到截面形状为正方形的半成品锻件。最终成形锻造前均对第二锻坯进行热处理:加热温度380℃;加热保温时间为108min;终锻温度为250℃。
步骤4、将步骤3的半成品锻件置于加热炉中进行热处理,取出后空冷,得到长、宽、高为365mm×240mm×120mm的长方体ZK61高强镁合金成品锻件;其中热处理采用人工时效热处理,热处理温度为170℃,热处理时间为12h。
对通过实施例2的加工方法得到的两批次ZK61高强镁合金锻件的室温力学性能进行检测,结果见表2:
表2实施例2中ZK61高强镁合金锻件室温力学性能
由表2可知,每批次的ZK61高强镁合金锻件的纵向性能和横向性能差异较小,有效地降低了ZK61高强镁合金锻件的各向异性,在保持较高强度的同时,延伸率平均提高了65%。每批次的ZK61高强镁合金锻件经超声波探伤达到GB/T 6519-2013中AA级水平,单个缺陷当量平底孔直径≤1.2mm。
由上可知,实施例2加工的ZK61高强镁合金锻件综合力学性能优异,探伤级别高,完全满足ZK61高强镁合金锻件指标要求。
实施例3
步骤1,取直径260mm的ZK61镁合金铸锭进行开坯锻造,随后空冷得到截面形状为正方形、边长为220mm的第一锻坯。开坯锻造包括两火次操作,每火次的锻造比均为2.5;每火次操作前均需对铸锭进行加热处理:加热温度450℃,加热保温时间为208min,终锻温度为300℃。
步骤2、将步骤1中的第一锻坯进行反复的镦拔锻造,空冷后得到截面形状为正方形、边长为220mm第二锻坯。每次镦拔锻造包括三火次操作,每火次的锻造比均为1.6。每火次操作之前均需对第一锻坯加热:加热温度420℃、加热保温时间为154min、终锻温度为250℃。
步骤3、将步骤2的第二锻坯进行一火次的最终成形锻造,空冷后得到截面形状为正方形的半成品锻件。最终成形锻造前均对第二锻坯进行热处理:加热温度390℃;加热保温时间为154min;终锻温度为220℃。
步骤4、将步骤3的半成品锻件置于加热炉中进行热处理,取出后空冷,得到长、宽、高为450mm×250mm×150mm的长方体ZK61高强镁合金成品锻件;其中热处理采用人工时效热处理,热处理温度为160℃,热处理时间为18h。
对通过实施例3的加工方法得到的两批次ZK61高强镁合金锻件的室温力学性能进行检测,结果见表3:
表3实施例3中ZK61高强镁合金锻件室温力学性能
由表3可知,每批次的ZK61高强镁合金锻件的纵向性能和横向性能差异较小,有效地降低了ZK61高强镁合金锻件的各向异性,在保持较高强度的同时,延伸率平均提高110%。每批次的ZK61高强镁合金锻件经超声波探伤达到GB/T 6519-2013中AA级水平,单个缺陷当量平底孔直径≤1.2mm。
由上可知,实施例3加工的ZK61高强镁合金锻件综合力学性能优异,探伤级别高,完全满足ZK61高强镁合金锻件指标要求。
实施例4
步骤1,取直径300mm的ZK61镁合金铸锭进行开坯锻造,随后空冷得到截面形状为正方形、边长为265mm的第一锻坯。开坯锻造包括两火次操作,每火次的锻造比均为2.0;每火次操作前均需对铸锭进行加热处理:加热温度460℃,加热保温时间为300min,终锻温度为280℃。
步骤2、将步骤1中的第一锻坯进行反复的镦拔锻造,空冷后得到截面形状为正方形、边长为265mm第二锻坯。每次镦拔锻造包括三火次操作,每火次的锻造比均为1.5。每火次操作之前均需对第一锻坯加热:加热温度430℃、加热保温时间为185min、终锻温度为270℃。
步骤3、将步骤2的第二锻坯进行一火次的最终成形锻造,空冷后得到截面形状为正方形的半成品锻件。最终成形锻造前均对第二锻坯进行热处理:加热温度400℃;加热保温时间为185min;终锻温度为220℃。
步骤4、将步骤3的半成品锻件置于加热炉中进行热处理,取出后空冷,得到长、宽、高为500mm×300mm×200mm的长方体ZK61高强镁合金成品锻件;其中热处理采用人工时效热处理,热处理温度为150℃,热处理时间为24h。
对通过实施例4的加工方法得到的两批次ZK61高强镁合金锻件的室温力学性能进行检测,结果见表4:
表4实施例4中ZK61高强镁合金锻件室温力学性能
由表4可知,每批次的ZK61高强镁合金锻件的纵向性能和横向性能差异较小,有效地降低了ZK61高强镁合金锻件的各向异性,在保持较高强度的同时,延伸率平均提高150%。每批次的ZK61高强镁合金锻件经超声波探伤达到GB/T 6519-2013中AA级水平,单个缺陷当量平底孔直径≤1.2mm。
由上可知,实施例4加工的ZK61高强镁合金锻件综合力学性能优异,探伤级别高,完全满足ZK61高强镁合金锻件指标要求。
Claims (7)
1.一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,取柱状ZK61镁合金铸锭,开坯锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第一锻坯;
步骤2,取步骤1得到的所述第一锻坯,反复镦拔锻造,随后空冷得到横截面为正方形的第二锻坯;
每次镦拔锻造均包括2-3火次操作,每火次的锻造比均为1.5-2.0;
步骤2的镦拔锻造中,每火次操作之前,均需对第一锻坯进行加热:加热温度400℃-430℃;加热时间t2满足0.5δ2≤t2≤0.7δ2,其中参数δ2为第一锻坯的横截面边长,δ2的单位为mm,t2的单位为min;所述镦拔锻造中每火次的终锻温度均为250℃-430℃;
步骤3,取步骤2得到的所述第二锻坯,进行一火次的最终成形锻造,随后空冷得到横截面为正方形的半成品锻件;
步骤3中的最终成形锻造操作之前,需对第二锻坯进行加热:加热温度370℃-400℃;加热时间t3满足0.5δ3≤t3≤0.7δ3,其中参数δ3为第二锻坯的横截面边长,δ3的单位为mm,t3的单位为min;所述最终成形锻造后的终锻温度为220℃-400℃;
步骤4,取步骤3得到的所述半成品锻件,置于加热炉中热处理,取出后空冷,即得到呈长方体的ZK61高强镁合金锻件。
2.根据权利要求1所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述步骤1中开坯锻造包括1-2火次操作,每火次的锻造比均为2.0-3.0。
3.根据权利要求2所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述开坯锻造中每火次开始操作前,均需对铸锭加热:加热温度为430℃-460℃;加热时间t1满足0.7δ1≤t1≤1.0δ1,其中参数δ1为铸锭的横截面直径,δ1的单位为mm,t1的单位为min;
所述开坯锻造中每火次的终锻温度为280℃-460℃。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述步骤1中铸锭的直径不大于300mm。
5.根据权利要求1所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述步骤4中热处理采用人工时效热处理。
6.根据权利要求1所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述步骤4中热处理温度150℃-180℃,热处理时间12h-24h。
7.根据权利要求1所述的一种ZK61高强镁合金锻件的加工方法,其特征在于,所述步骤4中ZK61高强镁合金锻件的长度为235-500mm、宽度为200-300mm、厚度为100-200mm。
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