CN107723636B - 提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，属于有色金属材料及工艺领域。本发明采用旋压变形后时效热处理技术，在高温下通过旋压点接触变形，产生连续、逐点的塑性变形，实现筒形件均匀变形，提高变形程度，均匀组织性能，实现了变形镁合金筒形件性能的各向同性。该过程可分为两个阶段，第一阶段是通过高温旋压形变提高筒形件的变形程度，均匀组织性能，发挥WE71M变形镁合金晶粒细化强化效果，提高WE71M筒形件力学性能。第二阶段对筒形件旋压变形后进行时效热处理，更利于晶界处的非连续析出弥散强化相的析出，提高材料的性能。经高温形变热处理后筒形件的性能获得了进一步的提高，同时组织更加均匀。

Description

提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，属于有色金属材料及工艺领域，特别涉及一种提高WE71M高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，所述的WE71M高强耐热变形镁合金是指Mg-Y-Nd系高强耐热变形镁合金，高强是指力学性能抗拉强度不低于300MPa。耐热是指150℃下力学性能抗拉强度不低于280MPa，所述的提高WE71M高强耐热变形镁合金筒形件性能是指提高WE71M高强耐热变形镁合金力学性能。

背景技术

随着航天武器导弹增程减重需求的不断提升，对导弹舱体类结构件轻质减重提出了要求，而镁合金作为最轻的金属结构材料，是实现导弹舱体轻量化的有效手段。导弹在飞行过程中环境为高温，要求镁合金材料的耐热性能。舱体筒形件成形方法一般有变形和铸造。变形后的舱体筒形件相比于铸造成形力学性能更高、致密性更好、表面质量更优等优势。因此，采用变形成形的高强耐热镁合金筒形件具有更广泛的应用前景。

筒形件现有的变形成形方法一般有环轧成形和挤压成形，成形后再进行热处理以提高筒形件的力学性能。而环轧成形的高强耐热变形镁合金筒形件表层和芯部变形组织不均匀，挤压成形的高强耐热变形镁合金筒形件存在强烈的各向异性，同时两种成形工艺，材料的利用率较低，批量生产成本较高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，该方法能够克服现有成形工艺方法得到的合金组织性能不均匀，存在各向异性，同时材料的利用率较低的问题。本发明通过对高强耐热变形镁合金筒形毛坯件旋压形变处理后进行时效热处理，达到形变强化和时效热处理复合强化效果，提高高强耐热变形镁合金筒形件力学性能，同时使筒形件性能各向同性。

本发明的技术方案：

一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，该工艺的步骤包括：

(1)将高强耐热变形镁合金挤压筒形毛坯件安装在旋压芯模工装上，并对高强耐热变形镁合金挤压筒形毛坯件进行乙炔火焰加热，加热温度为450～500℃；

(2)开始进行旋压；旋压工艺参数为：芯模工装的转速60～80r/min；旋轮进给比1.1～1.5；累积变形量不低于35％；

(3)旋压结束后进行脱模，并自然冷却至室温，得到高强耐热变形镁合金挤压筒形旋压件；

(4)将步骤(3)得到的高强耐热变形镁合金挤压筒形旋压件安装在热处理工装上，并对其进行安装定位；

(5)对步骤(4)得到的旋压件连同热处理工装一起放置到热处理设备中进行时效热处理，时效温度范围200～250℃，时效时间20～72h；

(6)待旋压件时效热处理完成后，温度降低到100℃以内，出炉空冷，冷却到室温，拆除热处理工装，得到处理后的高强耐热变形镁合金筒形件。

所述的步骤(1)中，所述的旋压芯模工装为带有非贯通中心孔的圆柱，圆柱的底端带有垭口，垭口与旋压设备进行固定定位；旋压芯模工装的圆柱的外径与高强耐热变形镁合金毛坯的内径相匹配，使高强耐热变形镁合金毛坯能够套装在旋压芯模工装的圆柱上；旋压芯模工装的圆柱的外径为Φ750～800mm，旋压芯模工装的圆柱的高度为800～900mm，旋压芯模工装的圆柱的中心孔直径为Φ500～550mm，旋压芯模工装的圆柱的中心孔的深度距离顶端为400～600mm；

所述的步骤(4)中，热处理工装包括底座1、凹槽定位块2、U形杆4、端盖5和吊钩6；底座1为一中心带有凹槽的钢板，凹槽内用于盛放旋压件3，旋压件3的两侧使用凹槽定位块2进行定位，端盖5安装在旋压件3的顶端，U形杆4的两端固定安装在底座1上，吊钩6固定安装在U形杆4的顶端。

有益效果

(1)本发明采用旋压变形后时效热处理技术，在高温下通过旋压点接触变形，产生连续、逐点的塑性变形，实现筒形件均匀变形，提高变形程度，均匀组织性能，实现了变形镁合金筒形件性能的各向同性。该过程可分为两个阶段，第一阶段是通过高温旋压形变提高筒形件的变形程度，均匀组织性能，发挥WE71M变形镁合金晶粒细化强化效果，提高WE71M筒形件力学性能。第二阶段对筒形件旋压变形后进行时效热处理，更利于晶界处的非连续析出弥散强化相的析出，提高材料的性能。经高温形变热处理后筒形件的性能获得了进一步的提高，同时组织更加均匀。

(2)本发明根据高强耐热稀土WE71M(Mg-7Y-1Nd)变形镁合金的材料特点，考虑形变热处理效果，在旋压形变和时效工艺的协同作用下，达到形变强化和时效强化复合效果。

(3)筒形件采用旋压形变热处理工艺，相比挤压成形和环轧成形后时效热处理，高温旋压成形后时效热处理能够有效的提高WE71M筒形件力学性能，同时能够降低各向异性，组织性能均匀性得到改善。

(4)针对目前国内筒形件挤压成形、环轧成形工艺存在强烈的各向异性及组织性能不均匀性的现状，提供了一种提高高强稀土变形镁合金性能的形变热处理工艺，不但能够发挥材料的形变强化效果和时效强化效果，同时能够弱各向异性和均匀组织性能，对于变形镁合金筒形件在航天主承力件上高可靠应用发挥了重要的技术支撑作用。

(5)本发明中旋压温度及变形量与WE71M材料特点密切相关，为了保证旋压形变效果，防止旋压开裂等问题，但又不至于影响晶粒尺寸长大。旋压温度选取参考热变形成形工艺参数，温度范围450～500℃，旋压温度低于450℃，容易导致挤压毛坯件旋压开裂，旋压温度高于500℃，容易导致旋压件晶粒尺寸长大，降低产品的力学性能。

(6)本发明中形变时效热处理温度和时间参考时效硬化曲线，充分发挥材料的弥散强化效果，结合WE71M材料特点，时效温度范围225～250℃，时效时间20～36h。

(8)本发明中时效热处理工装中，采用底座凹槽限位块以及端盖对旋压后筒形件进行定位，为了防止薄壁旋压筒形件在时效热处理过程中变形。

(9)本发明的形变热处理工艺方法可以推广应用于不同材料的镁合金和不同直径尺寸的筒形件形变热处理强化，其中旋压工艺参数中旋压温度参考镁合金材料的固溶温度，对于高强耐热镁合金旋压温度，一般比固溶温度低50～100℃。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为实施例中的时效热处理工装示意图；

图3为挤压筒形件热处理后组织的轴向微观结构示意图；

图4为挤压筒形件热处理后组织的周向微观结构示意图；

图5为筒形件形变热处理后组织的轴向微观结构示意图；

图6为筒形件形变热处理后组织的周向微观结构示意图；

图7a为旋压芯模工装的结构示意图(从顶端看)；

图7b为旋压芯模工装的结构示意图(从底端看)。

具体实施方式

对WE71M高强耐热变形镁合金筒形件(外径Ф700mm)，采用旋压成形后时效热处理工艺。高温旋压成形的具体实施方法如下，对WE71M筒形件进行检查后，安装于旋压芯模工装上，通过乙炔加热枪对变形筒形毛坯件外表面进行加热，当筒形件表面温度达到450～500℃时，按照设定的参数，芯模在旋压过程中转速60～80r/min；旋轮进给比1.1～1.5进行旋压。对旋压后筒形件进行时效温度225℃～250℃、时效时间20～36h热处理。

实施例1

如图1所示，一种提高WE71M高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，该工艺步骤包括：

(1)对WE71M筒形件用酒精进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍、金属屑，清除干净后将其安装在旋压芯模工装上，如图7a和图7b所示；

(2)对WE71M筒形件进行加热，当温度加热到480℃，按照设定的旋压参数，芯模在旋压过程中转速75r/min；旋轮进给比1.2，进行筒形件两道次变形，一道次整形，总变形量不低于35％；

(3)将旋压后的WE71M筒形件脱模冷却室温后，将WE71M筒形件安装在热处理工装上，如图2所示，并对其进行安装定位；热处理工装包括底座1、凹槽定位块2、U形杆4、端盖5和吊钩6；底座1为一中心带有凹槽的钢板，凹槽内用于盛放旋压件3，旋压件3的两侧使用凹槽定位块2进行定位，端盖5安装在旋压件3的顶端，U形杆4的两端固定安装在底座1上，吊钩6固定安装在U形杆4的顶端；

(4)对步骤(4)得到的旋压件连同热处理工装一起放置到热处理设备中进行时效热处理，时效温度225℃，时效时间24h，时效处理后出炉空冷，冷却到室温，拆除热处理工装，得到WE71M高强耐热变形镁合金筒形件。

对WE71M旋压形变热处理后筒形件沿轴向和周向分别进行性能测试(GB/T 228)，测试三组数据，结果如表1所示：

表1 WE71M旋压形变热处理后筒形件的性能

实施例2

一种提高WE71M高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，该工艺步骤包括：

(1)对WE71M筒形件用酒精进行表面擦洗，去除表面油渍，保证表面不允许有污渍、油渍、金属屑，清除干净后将其安装在旋压芯模工装上；

(2)对WE71M筒形件进行加热，当温度加热到500℃，按照设定的旋压参数，芯模在旋压过程中转速75r/min；旋轮进给比1.2，进行筒形件两道次变形，一道次整形，总变形量不低于35％；

(3)将旋压后的WE71M筒形件脱模冷却室温后，对WE71M筒形件进行时效热处理，时效温度225℃，时效时间24h，时效处理后出炉空冷，冷却到室温，拆除热处理工装，得到WE71M高强耐热变形镁合金筒形件。

对WE71M旋压形变热处理后筒形件沿轴向和周向分别进行性能测试(GB/T 228)，测试三组数据，结果如表2所示：

表2 WE71M旋压形变热处理后筒形件的性能

对WE71M挤压热处理后的筒形件和旋压形变热处理后的筒形件分别沿筒形件的上、中、下的轴向和周向取拉伸试样进行性能测试，测试结果如表3所示。由表3可知，采用旋压形变工艺处理的WE71M筒形件力学性能明显提高，其中轴向抗拉强度365～372MPa，周向抗拉强度370～380MPa，相比挤压热处理后的筒形件的轴向和周向的抗拉强度分别提高了大约25MPa和50MPa。同时采用旋压形变热处理工艺处理的筒形件屈服强度和延伸率都明显提高。采用本工艺方法处理的筒形件轴向和周向抗拉强度相差10MPa左右，轴向和周向的屈服强度相差也是如此，而挤压热处理的筒形件轴向和周向的抗拉强度相差20MPa左右，由此可见，旋压相变热处理工艺有效的改善了轴向和周向性能差异，基本实现了各向同性。

表3 WE71M挤压筒形件热处理与WE71M旋压形变热处理后筒形件的性能

由图3、图4可知，挤压筒形件轴向和周向组织都得到了细化，但由于挤压筒形件主变形方向沿轴向，因此，轴向变形组织相比周向更加细小，晶粒尺寸大小以及变形程度不一致是导致WE71M挤压件轴向和周向性能差异的主要原因。

由图5、图6可知，WE71M筒形件采用旋压形变热处理工艺后组织相比挤压时效处理后组织更加细小，轴向和周向晶粒尺寸大小一致，晶粒尺寸大约10μm，同时组织均匀，因此轴向和周向力学性能相差较小，实现了筒形件的各向同性。相比挤压筒形件，轴向和周向晶粒尺寸得到细化，因此，形变热处理后的筒形件轴向和周向的力学性能明显高于挤压筒形件，同时延伸率也相应的提高。

Claims (8)

1.一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于该工艺的步骤包括：

(1)将高强耐热变形镁合金挤压筒形毛坯件安装在旋压芯模工装上，并对高强耐热变形镁合金挤压筒形毛坯件进行加热；

(2)开始进行旋压；

(3)旋压结束后进行脱模，并自然冷却至室温，得到高强耐热变形镁合金挤压筒形旋压件；

(4)将步骤(3)得到的高强耐热变形镁合金挤压筒形旋压件安装在热处理工装上；

(5)将旋压件连同热处理工装一起放置到热处理设备中进行时效热处理；

(6)待旋压件时效热处理完成后，冷却到室温，拆除热处理工装，得到处理后的高强耐热变形镁合金筒形件；

所述的步骤(4)中，热处理工装包括底座、凹槽定位块、U形杆、端盖和吊钩；底座为一中心带有凹槽的钢板，凹槽内用于盛放旋压件，旋压件的两侧使用凹槽定位块进行定位，端盖安装在旋压件的顶端，U形杆的两端固定安装在底座上，吊钩固定安装在U形杆的顶端；

所述的镁合金为稀土WE71M变形镁合金。

2.根据权利要求1所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：所述的步骤(1)中，进行加热时采用乙炔火焰加热，加热温度为450～500℃。

3.根据权利要求1所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述的旋压芯模工装为带有非贯通中心孔的圆柱，圆柱的底端带有垭口。

4.根据权利要求3所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：垭口与旋压设备进行固定定位，旋压芯模工装的圆柱的外径与高强耐热变形镁合金毛坯的内径相匹配，使高强耐热变形镁合金毛坯能够套装在旋压芯模工装的圆柱上。

5.根据权利要求3所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：旋压芯模工装的圆柱的外径为Φ750～800mm，旋压芯模工装的圆柱的高度为800～900mm。

6.根据权利要求3所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：旋压芯模工装的圆柱的中心孔直径为Φ500～550mm，旋压芯模工装的圆柱的中心孔的深度距离顶端为400～600mm。

7.根据权利要求1所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：所述的步骤(2)中，旋压工艺参数为：芯模工装的转速60～80r/min；旋轮进给比1.1～1.5；累积变形量不低于35％。

8.根据权利要求1所述的一种提高高强耐热变形镁合金筒形件性能的形变热处理工艺，其特征在于：所述的步骤(5)中，时效温度范围200～250℃，时效时间20～72h。