CN109576543B - 一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.1～0.65％，锌：0.05～1.2％，其余为镁，且钙与锌的质量百分数比值≥0.4；或者为：钙：0.1～0.65％，硅：0.05～0.6％，其余为镁，且钙与硅的质量百分数比值≥0.9。通过半连续铸造方法制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在室温进行真应变为0.01～0.07的冷变形，随后，在150～230℃进行10～120min的烘烤，水淬。相比于未经烘烤处理的镁合金，经本烘烤处理后屈服强度可提升30％以上，长时间服役条件下的疲劳、蠕变寿命可提升至少5倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，具体涉及的是一种通过烘烤快速引入析出相对位错、晶界形成钉扎，从而制备出具有高强度、长服役寿命的镁合金板材。属有色金属材料加工技术领域。
背景技术
在节能减排的大环境下，轻量化已成为制造业趋势所在，而镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、强度较好、生物相容性高等特点，使得其成为近年研发的重点并取得一定进展。目前开发的镁合金室温强度可与铝合金相媲美，但在在长时间服役下比铝合金更易发生疲劳、蠕变失效，服役寿命与铝合金之间还存在较大差距，成为限制其服役应用的主要瓶颈之一。
现有研究通过不断增加合金元素，尤其是稀土元素比例，并通过时效处理引入第二相粒子，来阻碍位错滑移、晶界迁移，以提升镁合金的抗疲劳、抗蠕变性能。这种高合金化镁合金组织在长时间服役条件下并不稳定：随着服役温度上升，析出相粗化、软化，对位错运动阻碍效果不佳；过饱和固溶体在外应力作用下还会出现无析出带的选择性分布及应力集中，这些都会引起裂纹的提前出现及加速扩展。另一方面，大量稀土元素的添加通常会使得镁合金的密度增大，且时效处理时间较长，使得生产效率降低、成本上升。需要一种简单高效、去稀土、低成本、能稳定提升抗疲劳、抗蠕变性能的组织调控工艺及方法，来改善镁合金长时间服役寿命及推广镁合金的服役应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，该方法设计合理、操作方便、成本低、效率高、稳定改善镁合金长时间服役寿命的方法。
为了达到上述目的，本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，包括：
通过室温低应变引入位错，并利用低温短时烘烤促进析出相在位错周围迅速形核并钉扎位错，从而提升镁合金的屈服强度，延长镁合金的中低温疲劳寿命和中高温蠕变寿命，具体包括以下步骤：
A.镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.1～0.65％，锌：0.05～1.2％，其余为镁，且钙与锌的质量百分数比值≥0.4；或者为：钙：0.1～0.65％，硅：0.05～0.6％，其余为镁，且钙与硅的质量百分数比值≥0.9；
B.半连续铸造方法制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在室温进行真应变为0.01～0.07的冷变形，随后，在150～230℃进行10～120min的烘烤，水淬。
本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，所述的镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.2～0.65％，锌：0.1～1％，其余为镁，且钙与锌的质量百分数比值≥0.5。
本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，所述的镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.2～0.65％，硅：0.1～0.6％，其余为镁，且钙与硅的质量百分数比值≥1。
本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，所述的室温真应变为0.02～0.07，烘烤温度为150～220℃。
本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，所述的中低温疲劳寿命是指在室温至200℃温度范围内的疲劳寿命。
本发明一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，所述的中高温蠕变寿命是指在200～350℃温度范围内的蠕变寿命。
本发明提供的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，有以下几大优点：
1.本发明通过室温低应变引入位错，并利用中低温短时烘烤促进析出相在位错周围迅速形核并钉扎位错，从而提升镁合金的屈服强度，改善镁合金的在服役条件下的中低温疲劳寿命和中高温蠕变寿命。
2.利用烘烤快速引入的大量细小弥散的Mg2Ca粒子。这种沿柱面析出的Mg2Ca粒子在350℃以下都具有较好的稳定性。添加的Zn、Si元素还分别会和Mg、Ca在基面上形成三元稳定相，并优先在晶界处析出。可稳定阻碍基面、柱面滑移及晶界迁移这几大镁合金中的主要疲劳、蠕变机制，延缓它们对材料性能的损伤，因此改善服役寿命。
3.利用小应变量的室温预变形，在晶粒内部预置一定数量的位错，这些位错附近能量较高，提供大量形核位置，有利于烘烤过程中的快速、均匀析出，将工艺控制在至2小时内，大大提高了生产效率。
4.所涉及镁合金无需添加大量合金元素，成本低廉，对镁合金“轻质”特点损害较小，环保、易回收。所涉及到的设备要求简单、操作方便。
5.经本发明方法处理，屈服强度可提升30％以上，长时间服役条件下，疲劳、蠕变寿命提升至少5倍。
综上所述，本发明工艺合理，流程简单，操作方便，成本低，效率高，对镁合金强度提升、长时间服役寿命改善效果明显、稳定，具有广阔的应用前景。
具体实施例
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
本实施例利用原材料为Mg-0.6Ca-0.9Zn铸锭(质量百分数)，Ca/Zn质量比为0.67，经热轧获取厚度为15mm的板材。经固溶处理后在室温下对板材进行真应变为0.03的预变形，随后在220℃下进行60min的烘烤，水淬。对经烘烤处理的试样在200℃下进行压缩性能测试，获取其屈服强度；在预设200℃、100MPa服役条件下分别进行压缩疲劳、蠕变性能测试，分别记断裂时的次数、时间为疲劳、蠕变寿命，并与未经烘烤处理的试样进行对比，结果如表1所示。
表1
从表1中可知，经烘烤处理后的镁合金在200℃下压缩屈服强度为130MPa，相比未经烘烤处理样品的90MPa，提升约53.8％。在200℃、100MPa条件下，板材并未在短时间内发生瞬间断裂，因此在此条件下性能属于长时间性能。压缩疲劳寿命从103次提升至107次，提升了104倍；压缩蠕变寿命从40小时增长至300小时以上，提升7.5倍以上。烘烤处理不仅提升了该镁合金板材的屈服强度，还显著改善了其在预设服役条件下的疲劳、蠕变寿命。
实施例2
本实施例利用原材料为Mg-0.2Ca-0.2Zn铸锭(质量百分数)，Ca/Zn质量比为1，经热挤压获取厚度为2mm的板材。经固溶处理后在室温下对板材进行真应变为0.07的预变形，随后在150℃下进行120min的烘烤，水淬。对经烘烤处理的试样在室温下进行拉伸性能测试，获取其屈服强度。在预设的室温、80MPa服役条件下进行拉伸疲劳性能测试，记发生断裂时的次数为疲劳寿命；在预设的300℃、30MPa下进行拉伸蠕变性能测试，记发生断裂时的时间为蠕变寿命。并与未经烘烤处理的试样进行对比，结果如表2所示。
表2
从表2中可知，经烘烤处理后的镁合金在室温下的拉伸屈服强度为100MPa，相比未经烘烤处理样品的76MPa，提升约31.6％。而在两种预设的条件下使用时，板材并未在短时间内发生瞬间断裂，属于长时间服役性能。拉伸疲劳寿命从105次提升至107次，提升了100倍；拉伸蠕变寿命从1小时延长至约100小时，提升约100倍。烘烤处理不仅提升了该镁合金板材的屈服强度，还显著改善了其在预设服役条件下的疲劳、蠕变寿命。
实施例3
本实施例利用原材料为Mg-0.65Ca-0.6Si铸锭(质量百分数)，Ca/Zn质量比为1.08，热轧获取厚度为20mm的板材。经固溶处理后在室温下对板材进行真应变为0.02的预变形，随后在220℃下进行30min的烘烤，水淬。对经烘烤处理的试样在室温下进行压缩性能测试，获取其屈服强度。在预设的室温、100MPa服役条件下进行压缩疲劳性能测试，记发生断裂时的次数为疲劳寿命；在预设的220℃、100MPa下进行压缩蠕变性能测试，记发生断裂时的时间为蠕变寿命。并与未经烘烤处理的试样进行对比，结果如表3所示。
表3
从表3中可知，经烘烤处理后的镁合金在室温下的压缩屈服强度为156MPa，相比未经烘烤处理样品的102MPa，提升约52.9％。而在两种预设的条件下使用时，板材并未在短时间内发生瞬间断裂，属于长时间服役性能。压缩疲劳寿命从103次提升至107次，提升了104倍；压缩蠕变寿命从1小时延长至约200小时，提升约200倍。烘烤处理不仅提升了该镁合金板材的屈服强度，还显著改善了其在预设服役条件下的疲劳、蠕变寿命。
实施例4
本实施例利用原材料为Mg-0.2Ca-0.1Si铸锭(质量百分数)，Ca/Zn质量比为2，热挤压获取厚度为10mm的板材。经固溶处理后在室温下对板材进行真应变为0.04的预变形，随后在150℃下进行120min的烘烤，水淬。对经烘烤处理的试样在200℃下进行拉伸性能测试，获取其屈服强度。在预设的200℃、60MPa服役条件下进行拉伸疲劳性能测试，记发生断裂时的次数为疲劳寿命；在预设的200℃、60MPa下进行拉伸蠕变性能测试，记发生断裂时的时间为蠕变寿命。并与未经烘烤处理的试样进行对比，结果如表4所示。
表4
从表4中可知，经烘烤处理后的镁合金在室温下的拉伸屈服强度为80MPa，相比未经烘烤处理样品的52MPa，提升约53.8％。而在预设200℃、60MPa服役条件下使用时，板材并未在短时间内发生瞬间断裂，属于长时间服役性能。拉伸疲劳寿命从104次提升至107次，提升了103倍；拉伸蠕变寿命从约5小时延长至300小时以上，提升约60倍。烘烤处理不仅提升了该镁合金板材的屈服强度，还显著改善了其在预设服役条件下的疲劳、蠕变寿命。
Claims (6)
1.一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：通过室温低应变引入位错，并利用中低温短时烘烤促进析出相在位错周围迅速形核并钉扎位错，从而提升镁合金的屈服强度，改善镁合金的中低温疲劳寿命和中高温蠕变寿命，具体包括以下步骤：
A.镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.1～0.65％，锌：0.05～1.2％，其余为镁，且钙与锌的质量百分数比值≥0.4；或者为：钙：0.1～0.65％，硅：0.05～0.6％，其余为镁，且钙与硅的质量百分数比值≥0.9；
B.半连续铸造方法制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在室温进行真应变为0.01～0.07的冷变形，随后，在150～230℃进行10～120min的烘烤，水淬。
2.根据权利要求1所述的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：A步骤所述的镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.2～0.65％，锌：0.1～1％，其余为镁，且钙与锌的质量百分数比值≥0.5。
3.根据权利要求1所述的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：A步骤所述的镁合金所含元素及其质量百分数为：钙：0.2～0.65％，硅：0.1～0.6％，其余为镁，且钙与硅的质量百分数比值≥1。
4.根据权利要求1所述的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：B步骤所述的室温真应变为0.02～0.07，烘烤温度为150～220℃。
5.根据权利要求1所述的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：所述的中低温疲劳寿命是指在室温至200℃温度范围内的疲劳寿命。
6.根据权利要求1所述的一种利用烘烤改善镁合金长时间服役寿命的方法，其特征在于：所述的中高温蠕变寿命是指在200～350℃温度范围内的蠕变寿命。
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