CN109023183B - 一种稀土镁合金铸锭热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种稀土镁合金铸锭热处理工艺，该镁合金的质量百分比组成为Gd：8.50~9.50%，Y：3.0~4.0%，Nd：0.5~1.0%，Ce：0.5~1.0%，Zr：0.40~0.60%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，包括以下步骤：（1）将热处理炉预热至200℃~250℃；（2）镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到100℃~250℃；（3）热处理炉在200℃~250℃下，保温4~16h；（4）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到300℃~400℃，保温2~4h；（5）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到500℃~510℃，保温8~24h，之后随炉冷却至室温。本发明对稀土镁合金通过选取合适的热处理温度、保温时间及冷却方式工艺相互配合，可以有效细化镁合金晶粒，并使最终获得的坯料其室温抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥5％。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土镁合金铸锭热处理工艺，属于镁合金的热处理加工技术领域，具体说是一种防止镁合金晶粒长大、铸锭开裂、改善组织均匀性、力学性能的热处理方法。
背景技术
镁合金是一种轻质合金，具有比强度高、比刚度高，导热导电性能好，良好的电磁屏蔽性能、阻尼减振性能、易于切削加工以及加工成本低等优点，在航空航天、汽车、电子产品等领域有着广泛的应用前景。常用的Mg-Al系合金（AZ31，AZ80，AZ91等）已经应用于制造在飞机、汽车仪表盘、笔记本电脑外壳等。但是由于Mg-Al系合金强度低，高温抗蠕变性能差等缺陷限制了其进一步的应用。要推广镁合金的应用必须要提高镁合金的综合性能。
稀土元素由于其具有特殊的物理和化学特性，能够在镁合金基体中形成高熔点化合物或固溶在基体镁中，起到细化晶粒、析出强化和固溶强化等作用，从而提高镁合金的室温和高温强度。大多数镁合金铸造后采用空冷及单级均匀化热处理的方式以达到合金元素溶解粗大进入基体达到固溶强化的效果。稀土元素的大量加入使得合金在铸造过程中存在较大的铸造应力。使得高稀土含量的镁合金在一般选用空冷的冷却方式，导致晶粒长大不能充分发挥稀土元素细晶强化合金的效果。而镁合金的强度及塑性受晶粒大小影响尤为明显，晶粒越小，其强度和延伸率就会越高。
细晶强化和固溶强化是镁合金强化的主要手段，在固溶处理过程中如何防止晶粒长大是铸锭热处理的关键。现有的镁合金铸造后采用空冷及单级均匀化热处理的方式没有发挥出稀土镁合金的潜力。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种稀土镁合金铸锭热处理工艺，该镁合金的质量百分比组成为素；具体包括以下步骤：
（1）将热处理炉预热至200℃~250℃；
（2）镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到100℃~250℃，转移到热处理炉中；
（3）热处理炉在200℃~250℃下，保温4~16h；
（4）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到300℃~400℃，保温2~4h；
（5）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到500℃~510℃，保温8~24h，之后随炉冷却至室温。
其中，冷水喷淋是指采用0-90℃的水进行喷淋，进一步的，采用0-25℃的水进行喷淋。
优选的，所述步骤（1）中热处理炉预热至200℃~225℃；
优选的，所述步骤（2）中采用冷水喷淋的方式迅速冷却到100℃~200℃，防止晶粒长大；
优选的，所述步骤（3）中热处理温度为200℃~225℃，保温时间为4~12h；
优选的，所述步骤（4）中加热速度为200~250℃/h，热处理温度为300℃~350℃，保温时间为2~4h；
优选的，所述步骤（5）中加热速度为200~250℃/h，热处理温度为500℃~510℃，保温时间为8~16h；
优选的，所述稀土镁合金质量百分比组成为Gd：8.50~9 .50%，Y：3.0~4.0%，Nd：0.5~1.0%，Ce：0.5~1.0%，Zr：0 .40~0 .60%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。
本发明还提供一种稀土镁合金铸锭，其特征在于，其室温抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥5％。
进一步地，所述的铸锭稀土镁合金质量百分比组成为Gd：8.50~9 .50%，Y：3.0~4.0%，Nd：0.5~1.0%，Ce：0.5~1.0%，Zr：0 .40~0 .60%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。
进一步地，所述的铸锭采用上述的热处理方式制备得到。
进一步地，所述的铸锭未采用塑性变形等方式处理，其室温抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥5％。
镁合金铸锭多级热处理的性能受镁合金铸锭热处理温度、保温时间、冷却方式等条件的影响。其中铸锭的冷却方式、保温温度及保温时间对镁合金坯料的力学性能起决定作用，所选冷却方式及保温温度、保温时间将直接影响到铸锭的晶粒尺寸大小及稀土元素的分布。本发明采用冷水喷淋的方式冷却铸锭能够获得晶粒较小的铸造组织，同时由于冷却温度的合理选择使得铸锭不会出现由于铸造应力过大而导致的开裂现象，再通过逐级升温的热处理工艺，使合金在获得较为细小晶粒的同时其稀土元素均匀的固溶进入基体起到固溶强化的作用，从而提高其力学性能。通过多级热处理的方式，相对于单级热处理方式来说，可显著降低合金在升温过程中因内外温度不均而产生的额外热应力。本发明的特点在于：镁合金多级热处理工艺是针对特定的镁合金，通过大量的试验发现了各个工艺参数与合金材料之间相互制约影响的规律，发现了其对产品的结构、性能的影响关系的基础上。对于特定的镁合金，通过选取合适的热处理温度、保温时间及冷却方式工艺相互配合，可以有效细化镁合金晶粒，并使最终获得的坯料其室温抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥5％。
附图说明
图1为实施例2的金相图；
图2为对比例1的金相图；
图3为对比例2的金相图；
图4为对比例3的实物照片。
具体实施方式
实施例1：
镁合金配料的质量百分比为Gd：9%，Y：3.0%，Nd：0.5%，Ce：0.5%，Zr：0.6%，其余为Mg及少量不可去除杂质。热处理工艺包括以下步骤：
将热处理炉预热至200℃；
镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到100℃；
冷却结束后立即入炉进行热处理保温，热处理炉在200℃下保温4h；
第一阶段保温结束后，热处理炉以250℃/h的升温速度将炉温升温到300℃，保温2h；
第二阶段保温结束后，热处理炉以250℃/h的升温速度将炉温升温到510℃，保温24h。之后随炉冷却至室温。合金未出现开裂且力学性能明显提高。性能如表1所示。
实施例2：
镁合金配料的质量百分比为Gd：9%，Y：3.0%，Nd：0.5%，Ce：0.5%，Zr：0.6%，其余为Mg及少量不可去除杂质。热处理工艺包括以下步骤：
将热处理炉预热至250℃；
镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到250℃；
冷却结束后立即入炉进行热处理保温， 热处理炉在250℃下保温16h；
第一阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到400℃，保温4h；
第二阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到500℃，保温8h。之后随炉冷却至室温。合金未出现开裂且力学性能明显提高。性能如表1所示。其金相图如图1所示，平均晶粒尺寸为41um。
对比例1：
镁合金配料的质量百分比为Gd：9%，Y：3.0%，Nd：0.5%，Ce：0.5%，Zr：0.6%，其余为Mg及少量不可去除杂质。热处理工艺包括以下步骤：
铸锭浇注结束后空冷至室温；
将热处理炉预热至250℃；
冷却结束后立即入炉进行热处理保温， 热处理炉在250℃下保温16h；
第一阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到400℃，保温4h。
第二阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到500℃，保温8h。之后随炉冷却至室温。合金未出现开裂。性能如表1所示。其金相图如图2所示，平均晶粒尺寸为114um。
对比例2：
镁合金配料的质量百分比为Gd：9%，Y：3.0%，Nd：0.5%，Ce：0.5%，Zr：0.6%，其余为Mg及少量不可去除杂质。热处理工艺包括以下步骤：
将热处理炉预热至250℃；
镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到400℃；
冷却结束后立即入炉进行热处理保温， 热处理炉在250℃下保温16h；
第一阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到400℃，保温4h；
第二阶段保温结束后，热处理炉以150℃/h的升温速度将炉温升温到500℃，保温8h。之后随炉冷却至室温。合金未出现开裂且力学性能明显提高。性能如表1所示。其金相图如图3所示，平均晶粒尺寸为57um。
对比例3：
镁合金配料的质量百分比为Gd：9%，Y：3.0%，Nd：0.5%，Ce：0.5%，Zr：0.6%，其余为Mg及少量不可去除杂质。
镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到室温；合金出现开裂。如图4所示。
表1 各实施例的拉伸性能
| 实施例 | 抗拉强度（Mpa） | 屈服强度（Mpa） | 延伸率（%） |
| 实施例一 | 273 | 152 | 5.1 |
| 实施例二 | 281 | 199 | 6.2 |
| 对比例一 | 198 | 188 | 4.7 |
| 对比例二 | 239 | 195 | 3.1 |
Claims (6)
1.一种稀土镁合金铸锭热处理工艺，其特征在于，该镁合金的质量百分比组成为Gd：8.50~9 .50%，Y：3.0~4.0%，Nd：0.5~1.0%，Ce：0.5~1.0%，Zr：0 .40~0 .60%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，包括以下步骤：
（1）将热处理炉预热至200℃~250℃；
（2）镁合金坯料铸造成形后，采用冷水喷淋的方式迅速冷却到100℃~250℃，转移到热处理炉中；
（3）热处理炉在200℃~250℃下，保温4~16h；
（4）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到300℃~400℃，保温2~4h；
（5）热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到500℃~510℃，保温8~24h，之后随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的稀土镁合金铸锭热处理工艺，其特征在于，所述步骤（2）中采用冷水喷淋的方式使合金迅速冷却至100℃~200℃。
3.如权利要求1所述的稀土镁合金铸锭热处理工艺，其特征在于，所述步骤（3）中热处理炉在200℃~225℃下，保温4~12h。
4.如权利要求1所述的稀土镁合金铸锭热处理工艺，其特征在于，所述步骤（4）中热处理炉以150~250℃/h的升温速度将炉温升温到300℃~350℃，保温2~4h。
5.如权利要求1所述的稀土镁合金铸锭热处理工艺，其特征在于，所述步骤（5）中加热速度为200~250℃/h，热处理温度为500℃~510℃，保温时间为8~16h。
6.一种镁合金铸锭，其室温抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥150MPa，伸长率≥5％；其特征在于：稀土镁合金质量百分比组成为Gd：8.50~9 .50%，Y：3.0~4.0%，Nd：0.5~1.0%，Ce：0.5~1.0%，Zr：0 .40~0 .60%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，所述镁合金铸锭采用如权利要求1-5任意一项所述的热处理工艺制备得到。
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