CN109175174B

CN109175174B - 一种稀土镁合金锻压强化工艺

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Publication number: CN109175174B
Application number: CN201810926192.7A
Authority: CN
Inventors: 刘海平; 熊雯瑛; 肖宏超; 张振宇; 程锐
Original assignee: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Current assignee: Aerospace Science and Industry Changsha New Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: CN109175174A

Abstract

本发明公开了一种低成本稀土镁合金的锻压强化工艺，镁合金的质量百分比成分为，Al：2.5%~3.5、Gd：1.0%~2.0%、Y：0.5%~1.0%、Mn：0.15%~0.5%，其余为镁和不可去除杂质元素。该工艺包括如下步骤：（1）将坯料在450~500℃保温0.5~2 h后进行多向锻压开坯；（2）将所述步骤（1）得到的坯料在400~440℃保温1~4 h后进行多向锻压；（3）将所述步骤（2）中得到的坯料在300~320℃保温0.5~1 h后进行多向锻压；（4）将所述步骤（3）中得到的坯料在300~360℃保温0.5~1 h后进行自由锻压或模锻成形。本发明通过四个锻压工艺步骤的有机结合，成功的制备出了低成本、高性能、高性价比的镁合金零部件，为推广镁合金在航空航天、国防军工、汽车交通等领域的产业化应用具有重要的意义。

Description

一种稀土镁合金锻压强化工艺

技术领域：

本发明涉及一种低成本稀土镁合金锻压强化工艺，属于镁合金变形强化领域。

背景技术：

镁合金因其具有低密度，高比强度、比刚度，良好的导热散热能力，良好的电磁屏蔽及阻尼减震性能，同时具有良好的铸造及机械加工性能，而被誉为“21世纪绿色工程材料”。在航空航天、国防军工、交通运输及3C产品等领域已得到了广泛的应用。Mg-Al系合金(如AZ91、AZ31、AM60等)已经用于制造飞机、汽车的仪表盘，手机、笔记本电脑的壳体等零部件。但Mg-Al系合金由于强度低、抗蠕变性能差、变形加工困难等缺点限制了其进一步的产业化应用。稀土元素由于其具有特殊的物理和化学特性，能与镁及镁合金中的合金元素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。高性能的稀土镁合金由于稀土含量较高，使得合金的成本很高，难以实现大规模的商业化应用。要推广镁合金的产业化应用必须要提高镁合金的综合性能，同时降低材料成本。因此开发出低成本的稀土镁合金，对推广镁合金的应用十分有意义。

发明内容：

本发明针对一种低成本稀土镁合金合金，提供一种梯度变温多向锻压工艺以达到形变强化的效果，进而制备出低成本，高性能的镁合金材料，以促进推广镁合金的商业化应用。

本发明的技术方案是，提供一种低稀土含量的镁合金锻压工艺，镁合金的质量百分比成分为，Al：2.5％～3.5、Gd：1.0％～2.0％、Y：0.5％～1.0％、Mn：0.15％～0.5％，其余为镁和不可去除杂质元素。该工艺包括如下步骤：

将坯料在450～500℃保温0.5～2h后进行多向锻压开坯；

将所述步骤(1)得到的坯料在400～440℃保温1～4h后进行多向锻压；

将所述步骤(2)中得到的坯料在300～320℃保温0.5～1h后进行多向锻压；

将所述步骤(3)中得到的坯料在300～360℃保温0.5～1h后进行自由锻压或模锻成形。

优选的，所述步骤(1)中的多向锻压开坯是先沿坯料截面的最大两点连线方向(如截面是方形就沿对角线方向，圆形就沿直径方向)锻压；然后沿与第一次垂直的方向锻压，经过反复几次的锻压使截面近似为等边八边形；然后沿与截面垂直的方向进行锻压，这一连续的锻压过程算第一个道次。

优选的，所述步骤(2)中的多向锻压，每道次都是沿等边八边形的对角线进行锻压，每次锻压完后均保持截面近似为等边八边形，最后沿与截面垂直的方向进行锻压。

优选的，所述步骤(1)中，多向锻压为开坯处理，属于大变形量锻压(道次变形量大于10％的变形为大变形量锻压)。

优选的，所述步骤(1)中，当坯料表面温度低于350℃时停止锻压。

优选的，所述步骤(2)中，多向锻压为大变形量锻压。

优选的，所述步骤(2)中，当坯料表面温度低于300℃时停止锻压。

优选的，所述步骤(3)中，多向锻压为多道次、小变形量(道次变形量小10％的变形为小变形量锻压)锻压。

优选的，所述步骤(3)中，终锻温度控制在250℃以上。

优选的，所述步骤(1)中，多向锻压开坯前将上、下砧板加热到450～480℃，锻压时压下速度为12～15m/s，道次变形量(道次变形量为每道次变形前后截面积的变化比，变形前A_n，变形后A_n+1，道次变形量为

)控制在10％～20％，总压下道次为3～6次。

优选的，所述步骤(2)中，多向锻压前将上、下砧板加热到400～440℃，锻压时压下速度为10～13m/s，道次变形量控制在15％～25％，总压下道次为8～12次。

优选的，所述步骤(3)中，多向锻压前将上、下砧板加热到300～330℃，锻压时压下速度为8～12m/s，道次变形量控制在5％～8％，总压下道次为14次以上。

优选的，所述步骤(4)中，锻压成形若是自由锻控制砧板温度在坯料温度以上10～20℃，若是模锻控制模具温度在坯料温度以下10～40℃，控制总变形量在60％以上。

本发明针对质量百分比成分为(wt.％)，Al：2.5％～3.5、Gd：1.0％～2.0％、Y：0.5％～1.0％、Mn：0.15％～0.5％，其余为镁和不可去除杂质元素的低成本稀土镁合金的锻压强化工艺。合金铸锭通过半连续铸造制得，浇铸成形后通过机械加工去掉铸锭的表皮，保证坯料表面光洁。为了消除或减弱铸造枝晶、晶界粗大的第二相对变形的不利影响，铸锭经420℃×4h+520℃×10h两级均匀化退火处理，在420℃保温4小时是为了使稀土镁合金合金中可能析出的Mg17Al12相充分固溶到基体中去，防止在后续的高温处理过程中合金出现过烧的情况；在520℃保温10h是为了使合金中析出的Al-RE化合物固溶到基体中，而Al-RE化合物在420℃时基本不会固溶到基体中去。镁合金是密排六方结构，塑性变形能力差，铸态时由于晶粒粗大变形能力更差，为了提高合金的变形能力，在高温下经过反复锻压使截面成近似等边八边形。其优点是：1)等边八边形属于中心对称图形，可以保证坯料各部分变形尽可能的对称、均匀；2)八边形在锻压时容易控制，便于保证后续变形时每道次的变形量尽可能一致。锻压开坯前将坯料在450～500℃保温0.5～2h，并将上、下砧板加热到450～480℃。锻压在液压机上进行，压下速度控制在12～15m/s，道次变形量控制在10％～20％，总压下道次3～6次，当坯料表面温度低于350℃停止锻压。在高温变形时能减小晶界迁移的阻力，改善合金的变形能力；同时高温变形时能进行充分的回复再结晶，改善合金的微观组织，从而可以提高合金的力学性能，并为后续变形做组织准备。

在高温时能改善镁合金的变形能力，且高温变形能进行充分的动态回复再结晶改善合金的微观组织，但高温时再结晶的驱动力增加，晶界迁移阻力也小，容易形成粗大再结晶组织，影响合金的力学性能。所以高温锻压虽然能保证合金的大变形量，改善组织均匀性，但对力学性能的改善有限。本发明为了得到均匀细小的晶粒组织，因而在步骤(1)的高温锻压后，进行步骤(2)的中温锻压。锻压前将坯料在400～440℃保温1～4h，并将上、下砧板加热到400～440℃。锻压在液压机上进行，压下速度控制在10～13m/s，道次变形量控制在15％～25％，总压下道次8～12次，当坯料表面温度低于300℃时停止锻压。

经步骤(2)的中温大变形量锻压后，合金的组织可以得到明显的改善，但由于变形温度相对较高，在形变储能较大的区域容易出现再结晶晶粒快速长大粗化的现象，因而在坯料内部仍存在少数的较大尺寸晶粒。为了得到完全细小均匀的微观组织，本发明设计了步骤(3)低温锻压工序，通过低温、多次小变形使那些少数的粗大晶粒细化。具体过程是将坯料在300～320℃保温0.5～1h，在低温保温目的是为了消除步骤(2)变形引起的内应力，另外让材料进行充分的再结晶，为低温锻压做组织准备。锻压在液压机进行，把上下砧板加热到300～330℃，压下速度控制在8～12m/s，道次变形量控制在5％～8％，总道次控制在14次以上，终锻温度控制在250℃以上。

合金坯料经过四个步骤锻压处理后，晶粒得到明显细化，铸态时沿晶界析出的粗大第二相也细小弥散，均匀的分布在基体中，对位错和晶界的移动起到很好的钉扎作用，从而可以显著的提高合金的室温和高温力学性能，细小的晶粒组织对提高合金的塑性也十分有利。锻压后合金的室温抗拉强度>350MPa，屈服强度>260Mpa，延伸率>8％；200℃时的抗拉强度>250MPa，屈服强度>180MPa，延伸率>18％。均匀化处理后金(0#)的室温抗拉强度234MPa，屈服强度178MPa，延伸率5.6％；200℃时的抗拉强度189MPa，屈服强度153MPa，延伸率13.5％。

本发明针对一种低成本稀土镁合金的锻压强化工艺，经过四个锻压工艺步骤的有机结合，成功的制备出了低成本、高性能、高性价比的镁合金零部件，为推广镁合金在航空航天、国防军工、汽车交通等领域的产业化应用具有重要的意义。

具体实施方式

实施例1

半连续铸造方法制备出

的Mg-3.1Al-1.5Gd-0.7Y-0.35Mn的镁合金铸锭，机加工去掉表皮后，取

的坯料进行锻压加工。锻压前将坯料经420℃×4h+520℃×10h均匀化处理。第一步将坯料在480℃保温1.5h，同时将上、下砧板加热到460℃，然后进行沿锭坯截面的最大两点连线方向及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在12～14m/s，道次变形量控制在10％～15％，当锭坯表面温度低于350℃停止锻压，总变形道次为4次。第二步锻压，将第一步锻压得到的坯料在400℃退火1h，同时将上、下砧板加热到420℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在10～13m/s，道次变形量控制在15％～20％，当锭坯表面温度低于300℃时停止锻压，总变形道次为10次。第三步锻压，将第二步锻压得到的坯料在320℃退火0.5h，同时将上、下砧板加热到330℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在8～10m/s，道次变形量控制在5％～8％，总锻压道次为15道次，终锻温度为258℃。第四步锻压采取沿X、Y方的自由锻压，使坯料沿Z方向拔长，成品形状是一个近似长方体，将第三步锻压得到的坯料在350℃退火0.5h后，同时将上、下加热到360℃，使坯料沿Z轴方向伸长65％后停止锻压，锻压后的力学性能见表1。

实施例2

半连续铸造方法制备出

的Mg-3.2Al-1.6Gd-0.6Y-0.4Mn的镁合金铸锭，机加工去掉表皮后，取

的坯料进行锻压加工。锻压前将坯料在420℃×4h+520℃×10h的均匀化处理。第一步将坯料在460℃保温1.5h，同时将上、下砧板加热到480℃，然后进行沿锭坯截面的最大两点连线方向及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在12～15m/s，道次变形量控制在10％～15％，当锭坯表面温度低于350℃停止锻压，总变形道次为5次。第二步锻压，将第一步锻压得到的坯料在420℃退火1h，同时将上、下砧板加热到420℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在10～13m/s，道次变形量控制在15％～25％，当锭坯表面温度低于300℃时停止锻压，总变形道次为12次。第三步锻压，将第二步锻压得到的坯料在300℃退火0.5h，同时将上、下砧板加热到320℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在8～10m/s，道次变形量控制在5％～8％，总锻压道次为16道次，终锻温度为254℃。第四步锻压采取沿X、Y方的自由锻压，使坯料沿Z方向拔长，成品形状为一个近似长方体，将第三步锻压得到的坯料在350℃退火0.5h后，同时将上、下加热到360℃，使坯料沿Z轴方向伸长65％后停止锻压，锻压后的力学性能见表1。

实施例3

半连续铸造方法制备出

的Mg-3.1Al-1.8Gd-0.4Y-0.35Mn的镁合金铸锭，机加工去掉表皮后，取

的坯料进行锻压加工。锻压前将坯料在420℃×4h+520℃×10h的均匀化处理。第一步将坯料在460℃保温1h，同时将上、下砧板加热到480℃，然后进行沿锭坯截面的最大两点连线方向及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在12～14m/s，道次变形量控制在15％～20％，当锭坯表面温度低于350℃停止锻压，总变形道次为4次。第二步锻压，将第一步锻压得到的坯料在400℃退火1.5h，同时将上、下砧板加热到420℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在10～13m/s，道次变形量控制在15％～20％，当锭坯表面温度低于300℃时停止锻压，总变形道次为10次。第三步锻压，将第二步锻压得到的坯料在300℃退火0.5h，同时将上、下砧板加热到330℃，然后进行沿锭坯截面的棱对角及截面垂直方向的循环锻压，压下速度控制在8～10m/s，道次变形量控制在5％～8％，总锻压道次为16道次，终锻温度为264℃。第四步锻压采取沿X、Y方的自由锻压，使坯料沿Z方向拔长，成品形状为一个近似长方体，将第三步锻压得到的坯料在320℃退火0.5h后，同时将上、下加热到330℃，使坯料沿Z轴方向伸长70％后停止锻压，锻压后的力学性能见表1。

实施例4(对比例)

为了与普通锻压相比较，选用

的坯料进行锻压加工。锻压前将坯料在420℃×4h+520℃×10h的均匀化处理。将坯料在460℃保温1h，同时将上、下砧板加热到480℃，然后进行沿锭坯X、Y、Z三向的循环锻压，压下速度控制在12～14m/s，道次变形量控制在8％～20％，当锭坯表面温度低于350℃停止锻压，每道次锻压完后在460℃保温1h进行退火。最后使坯料沿Z轴方向伸长70％后停止锻压，锻压后的力学性能见表1。

表1拉伸测试结果

Claims

1.一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，镁合金的质量百分比成分为，Al：2.5%~3.5、Gd：1.0%~2.0%、Y：0.5%~1.0%、Mn：0.15%~0.5%，其余为镁和不可去除杂质元素，该工艺包括如下步骤：

（1）、将坯料在450~500 ℃保温0.5~2 h后进行多向锻压开坯；

（2）、将所述步骤（1）得到的坯料在400~440 ℃保温1~4 h后进行多向锻压；

（3）、将所述步骤（2）中得到的坯料在300~320 ℃保温0.5~1 h后进行多向锻压；

（4）、将所述步骤（3）中得到的坯料在300~360 ℃保温0.5~1 h后进行自由锻压或模锻成形；

所述步骤（1）中的多向锻压开坯是先沿坯料截面的最大两点连线方向锻压；然后沿与第一次垂直的方向锻压，经过反复几次的锻压使截面近似为等边八边形；然后沿与截面垂直的方向进行锻压。

2.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的多向锻压，每道次都是沿等边八边形的对角线进行锻压，每次锻压完后均保持截面近似为等边八边形，再沿与截面垂直的方向进行锻压。

3.根据权利要求2所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的多向锻压开坯采用大变形量锻压，当坯料表面温度低于350 ℃时停止锻压；所述步骤（2）中的多向锻压为大变形量锻压，当坯料表面温度低于300 ℃时停止锻压。

4.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，多向锻压为多道次、小变形量锻压；终锻温度控制在250 ℃以上。

5.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（1）中，多向锻压开坯前将上、下砧板加热到450~480 ℃，锻压时压下速度为12~15 m/s，道次变形量控制在10%~20%，总压下道次为3~6次。

6.根据权利要求1或2所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，多向锻压前将上、下砧板加热到400~440 ℃，锻压时压下速度为10~13 m/s，道次变形量控制在15%~25%，总压下道次为8~12次。

7.根据权利要求1或4所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，多向锻压前将上、下砧板加热到300~330 ℃，锻压时压下速度为8~12m/s，道次变形量控制在5%~8%，总压下道次为14次以上。

8.根据权利要求1所述的一种稀土镁合金锻压强化工艺，其特征在于，所述步骤（4）中，锻压成形若是自由锻控制上、下砧板温度在坯料温度以上10 ~20℃，若是模锻控制模具温度在坯料温度以下10~40 ℃，控制总变形量在60%以上。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述稀土镁合金锻压强化工艺所制备的镁合金，其特征在于：屈服强度>260MPa、抗拉强度>350MPa、断后伸长率>8%。