CN107740016B - 高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺，在挤压态AlN/AZ91D镁基复合材料的基础之上仅进行了一道次的冷轧变形，通过优化冷轧工艺，最终制备出了高强高塑性的变形镁基复合材料，其强度与目前高强稀土镁合金的强度相当(甚至高于一些稀土镁合金的强度)，而其塑性却显著高于目前高强稀土镁合金。因此，本方法所制备的变形镁基复合材料拥有高强高塑的力学特性。与高强稀土镁合金相比，该方法所用坯料AlN/AZ91D镁基复合材料(专利201510882938.5)的制备成本低，挤压也是目前工业上的常规挤压工艺，挤压后一道次的冷轧工艺也保证了该变形工艺的简单性与实用性，有利于材料的工业化生产。

Description

高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺

技术领域

本发明属于低成本高强高塑性非稀土变形镁基复合材料的挤压棒材制备工艺，涉及一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺。

背景技术

对于坯料为AlN/AZ91D镁基复合材料(专利201510882938.5)，虽然其铸态材料具有更加优异的高强高塑特性，但与其它变形镁合金相比，其强度偏低，难以满足承载结构件的性能要求，这限制了其进一步推广和应用。依据金属材料塑性变形和强化理论可知，合金材料变形后，其组织可得到进一步细化，并消除组织缺陷，从而可以显著提高材料的力学性能。对于变形镁合金，通过变形加工，镁合金可以生产出尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，从而满足更多承载结构件的需要。但由于当前我国变形镁合金受限于室温塑性差，而高温变形则导致强度提高低，限制了其在航空、航天等领域的应用。因此开发低成本高强变形能力的镁合金已经成为镁合金材料发展的一个重要方向。

坯料为AlN/AZ91D镁基复合材料(专利201510882938.5)，其除了具有优良的铸造性能之外，还拥有铸造镁合金所不具备的高塑性，这为通过变形处理进一步提高镁合金强度奠定了基础。

目前变形镁合金及镁基复合材料强度低、塑性差的问题。而低的强度和塑性一直制约着变形镁合金的发展与应用。

另外，传统的颗粒增强镁基复合材料由于在其制备过程中存在氧化物夹杂、颗粒强化相分布不均匀、反应过程难以控制，材料铸造缺陷多，基体与强化相界面结合薄弱，制备成本高等问题，严重影响了镁基复合材料在变形领域的发展和应用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺，制备出了更高强塑性的变形镁合金材料，而且工艺的简单和成本的低廉有利于工业化推广和应用。

技术方案

一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、固溶处理：将镁基复合材料铸锭放入电阻炉中，进行温度400±10℃，时间25h的固溶处理；

步骤2：挤压之前，将固溶处理后的铸锭放在电阻炉中，在挤压温度360±10℃下保温1h，然后在360±10℃温度下进行挤压变形，挤压速度为3cm～5cm/min，挤压比25:1；

步骤3：将挤压态的镁基复合棒料放入热处理炉，在280±20℃进行退火处理15min后，空冷至室温，然后切取矩形板材进行一道次冷轧制备出冷轧板材，上轧辊转速为40r/min，上下轧辊转速比为2:1，冷轧变形量为20％。

有益效果

本发明提出的一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺，在挤压态AlN/AZ91D镁基复合材料的基础之上仅进行了一道次的冷轧变形，通过优化冷轧工艺，最终制备出了高强高塑性的变形镁基复合材料，其强度与目前高强稀土镁合金的强度相当(甚至高于一些稀土镁合金的强度)，而其塑性却显著高于目前高强稀土镁合金。

本发明所制备的低成本高强度高塑性变形镁基复合材料，主要由三相组成：基体α-Mg，析出相γ-Mg₁₇Al₁₂，陶瓷颗粒强化相AlN。AlN/AZ91镁基复合材料原始坯料挤压前的固溶处理工艺以及AlN陶瓷颗粒的存在能够促进γ-Mg₁₇Al₁₂相的析出，同时也促使Al溶质原子在基体内部扩散均匀，从而导致AlN/AZ91镁基复合材料在挤压以及后续的轧制过程中析出大量的纳米γ-Mg₁₇Al₁₂相。大量析出的纳米γ-Mg₁₇Al₁₂相和AlN陶瓷相在变形过程中阻碍位错运动，导致位错密度大量增加，从而会大幅度提高材料的强度。而通过调整挤压参数，可使AlN/AZ91镁基复合材料在挤压过程中发生完全再结晶而起到晶粒细化作用，从而提高材料强度与塑性，其屈服强度为165MPa，抗拉强度达到328MPa,延伸率为30％。具有优异塑性的挤压态AlN/AZ91镁基复合材料在后续的冷轧过程中，在材料内部不仅引入了大量的位错，而且形成了大量的孪晶，这使得材料的强度在挤压态的基础之上又得到了显著提高。因此，通过优化随后的轧制与退火工艺，可制备出具有更高强度和优异塑性的AlN/AZ91镁基复合冷轧板材，其屈服强度为380MPa，抗拉强度达到410MPa,延伸率保持在20％左右。

本方法所制备的变形镁基复合材料拥有高强高塑的力学特性。与高强稀土镁合金相比，该方法所用坯料AlN/AZ91D镁基复合材料(专利201510882938.5)的制备成本低，挤压也是目前工业上的常规挤压工艺，挤压后一道次的冷轧工艺也保证了该变形工艺的简单性与实用性，有利于材料的工业化生产。

因此，本专利制备的冷轧AlN/AZ91镁基复合材料其抗拉强度达到甚至超过了部分稀土高强镁合金，而且其塑性却远远高于稀土高强镁合金的塑性。本发明专利的实现，将极大扩展镁合金的使用范围，能有效解决传统镁合金强度低、塑性差的问题，而且制备成本低，工艺操作简单，有利于工业上的大规模生产，从而推动高性能镁合金在工业上的应用。

附图说明

图1：AlN/AZ91镁基复合材料铸锭

图2：挤压棒材

图3：棒状拉伸试样与片状拉伸试样图

图4：挤压态AlN/AZ91镁基复合材料棒料的应力应变曲线

图5：冷轧AlN/AZ91镁基复合材料板材应力应变曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所使用的坯料为AlN/AZ91D镁基复合材料铸锭(专利201510882938.5)，该铸锭不仅具有高的拉伸强度，而且有较高的室温塑性，但为了制备出具有更加优异力学性能的挤压棒材和冷轧板材，需要先对铸锭进行专门的固溶处理，然后进行挤压比为25的一次热挤压，得到所需的挤压棒材。为了进一步提高其力学性能，对挤压棒材继续进行去应力退火处理，然后从棒材上切取板材作为轧制坯料，并在室温条件下对坯料进行变形量为20％的一道次异步轧制，从而制备出冷轧板材。在固熔、挤压、退火、轧制中严格控制固熔温度和时间、挤压温度和挤压速度、退火温度和时间、轧辊转速和变形量等工艺参数。每个工艺参数的最佳搭配，是最终获得高强度高塑性低边裂倾向的镁合金挤压棒材和冷轧板材的关键。

具体实施过程如下：

实施例1：

采用F100×130的AlN/AZ91镁基复合材料铸锭为原始坯料(见图1)，其制备方法参考专利ZL201510882938.5；

1.将镁基复合材料铸锭放入电阻炉中，进行温度400±10℃，时间25h的固溶处理；

2.挤压之前，将固溶处理后的铸锭放在电阻炉中，在挤压温度下(360±10℃)保温1h，然后在360±10℃温度下进行挤压变形，挤压速度为3cm～5cm/min，挤压比25:1(挤压棒材如图2所示)；

3.将挤压态的AlN/AZ91镁基复合棒料(Ф20)，放入热处理炉，在280±20℃进行退火处理15min后，空冷至室温，然后切取60×15×2(长×宽×高)的矩形板材进行一道次冷轧，上轧辊转速为40r/min，上下轧辊转速比为2:1，冷轧变形量为20％。

将AlN/AZ91镁基复合材料挤压棒材试样和冷轧板材试样进行力学性能测试(试样和拉伸测试曲线分别如图3、图4、图5所示，力学性能见表1)。

表1 AlN/AZ91复合材料力学性能

实施例2：

步骤1、固溶处理：将镁基复合材料铸锭放入电阻炉中，进行温度400±20℃，时间20-30h的固溶处理；

步骤2：挤压之前，将固溶处理后的铸锭放在电阻炉中，在挤压温度350±50℃下保温1-3h，然后在350±50℃温度下进行挤压变形，挤压速度为1cm～5cm/min，挤压比25:1；

步骤3：将挤压态的镁基复合棒料放入热处理炉，在250±50℃进行退火处理10-30min后，空冷至室温，然后切取矩形板材进行一道次冷轧制备出冷轧板材，上轧辊转速为20-40r/min，上下轧辊转速比为2:1，冷轧变形量为10-20％。

Claims (1)

1.一种高性能变形镁基复合材料挤压棒材和冷轧板材的制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、固溶处理：将镁基复合材料铸锭放入电阻炉中，进行温度400±20℃，时间20-30h的固溶处理；所述镁基复合材料铸锭为原始坯料，其制备方法参考专利ZL201510882938.5；

步骤2：挤压之前，将固溶处理后的铸锭放在电阻炉中，在挤压温度360±10℃下保温1-3h，然后在360±50℃温度下进行挤压变形，挤压速度为1～5cm/min，挤压比25:1；

步骤3：将挤压态的镁基复合棒料放入热处理炉，在280±50℃进行退火处理10-30min后，空冷至室温，然后切取矩形板材进行一道次冷轧制备出冷轧板材，上轧辊转速为20-40r/min，上下轧辊转速比为2:1，冷轧变形量为10-20％。