CN111330986A - 一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法 - Google Patents
一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于镁合金塑性加工技术领域，其公开了一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，包括如下步骤：S1：镁合金预固溶处理，获得均匀的组织；S2：自动化多道次转模等通道转角挤压加工；S3：挤压开坯；在300～400℃挤出开坯；S4：单道次大压下量轧制加工。本发明利用预固溶处理加多道次ECAP加工与后续挤压开坯，单道次大压下量轧制加工相结合，利用预固溶与多道次等通道转角挤压细化镁合金组织，优化变形织构，提高镁合金塑性变形能力；再通过挤压开坯与单道次大压下量轧制工艺实现快速减薄，缩减轧制道次，提高生产效率，并可通过调整工艺参数，获得了可控双峰组织，实现了镁合金高强高韧的目的。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金塑性加工技术领域，尤其涉及一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法。
背景技术
随着世界经济特别是我国经济的持续增长，资源、能源消耗与日俱增，能源问题、环境退化和全球变暖日益突出，能源危机迫在眉睫。为了实现节能环保，人们对结构轻量化要求日益提高，镁及其合金的应用越来越受到重视，应用范围也在不断拓展。用镁合金做结构件可以减轻零件重量从而降低能耗，是汽车、轨道交通、航空航天、3C产品等的理想结构材料。特别是近年来兴起的智能设备，比如：无人飞行器、超薄笔记本电脑、手机、VR设备等，对轻量化提出了越来越高的要求。鉴于镁合金的以上优势，可以预见镁合金是未来智能设备的理想轻量化结构材料。目前的应用领域主要包括汽车、航天航空、高速铁路、高档电器、笔记本电脑、摄录像机、移动电话、林业机械、电动工具等产业，特别是汽车、航空航天、高速铁路、军工和电子工业对镁合金板材的潜在需求巨大。
目前，镁合金的应用主要以模铸、压铸和半固态成形产品为主，变形镁合金仅在航空航天、电子和军事等高端前沿领域有一定应用。智能设备的零部件往往以薄壁、异形件为主，采用板材进行二次成形是理想的制造方式。然而相对于铝合金，镁及镁合金绝对强度仍然不足，室温下的塑性和延展性有限，塑性成形性能差，不能满足智能设备的需求。虽然目前先进稀土镁合金的强度已接近中高强度铝合金的水平，但是非稀土镁合金的强度依然与稀土镁合金、铝合金具有相当大的差距截至目前为止，尚未发现除稀土之外能够在镁合金中形成有效强化相的合金元素。因此在钢铁、铝合金、铜合金等金属中行之有效的固溶强化、第二相强化对提高镁合金强度的效果不理想。这导致了镁合金室温绝对强度低，不能够满足智能设备的需求。更为重要的是，目前镁合金的塑性成形性能差，特别是高强镁合金(强度大于400MPa)基本不具有二次成形能力。已有的镁合金零部件和产品以铸造成型为主，比如汽车方向盘，轮毂，笔记本、相机壳体等。已有的变形镁合金强度普遍较低，比如典型的AZ31变形镁合金强度在300MPa以下，极大的降低了镁合金的轻量化优势。2002年Wang等提出晶粒尺寸双峰分布组织概念，即晶粒集中在≤300nm和>1.5μm两个范围内。研究发现轧制+瞬时退火方法制备的具有双峰分布组织的铜室温断裂延伸率达到65％，接近退火粗晶铜；但是其强度达到430MPa，略低于完全纳米晶铜(480MPa)。小的纳米晶粒提供了足够的强度，大的晶粒提供了高的加工硬化能力抑制了基体的塑性失稳，从而在不显著降低强度的情况下有效的改善了拉伸塑性。随后，研究者在铝、镍、钛、TiAl等中获得了双峰分布组织，并取得了非常好的强韧化效果。这种不同尺寸晶粒、第二相等不同物理性能的组成单元非均匀分布的微观组织概念，成为异构。基于“异构”概念的微观组织设计在不改变合金化学成分的条件下有望为高可成形性、高强镁合金的的开发带来曙光。金属材料微观组织异构设计与复合材料设计的理念不谋而合，代表了未来金属材料微观组织精确调控、定量化设计和学科交叉融合的发展趋势，因此我们提出了一种制备可控双峰高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，提高了镁合金板材的成材率和二次加工性能，有望推进高强高韧镁合金板材在通讯、电子、汽车等普通民用领域的广泛应用。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，包括以下步骤：
S1：镁合金预固溶处理，获得均匀的组织：AZ61,AZ91一般加热到420℃，保温20h。此步为行业常规固溶热处理，目的是获得均匀的原始组织，利于后一步ECAP对晶粒和第二相的充分细化。具体温度和时间视原材料牌号而定，某些镁合金不需要均匀化固溶处理。
S2：自动化多道次转模等通道转角挤压加工：将固溶过的镁合金坯料置入模具中一起加热并进行保温，再对坯料进行转模等通道转角挤压加工到12道次以上，得到超细晶镁合金块材；
S3：挤压开坯：利用自动化等通道转角挤压成型一体化装备中的板材开坯模具，在300～400℃挤出开坯；
S4：单道次大压下量轧制加工：将S3所得的超细晶镁合金厚板进行单道次轧制，轧制温度范围是350～450℃，保温5min一次性轧制，制得镁合金薄板。
上述的S2中，在将镁合金坯料直接置入加工模具中一起进行加热保温，加热保温的温度范围是300～350℃，加热保温的时间是30～60min。
上述的S3中，利用自动化等通道转角挤压成型一体化装备，不需要将坯料取出，直接将超细化的块材加热保温30min，挤出开坯，制备成较厚板材。挤出开坯温度为300～400℃。
上述的S4中，只对S3制得的厚板加热，不对轧辊加热，加热温度350～450℃，保温5min。单道次压下50％以上。
1、本发明中所述的制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，通过将ECAP、挤压开坯与板材轧制技术充分结合，利用ECAP加工镁合金的均匀组织和性能特点，充分发挥超细晶镁合金的变形特性，对其进行中低温开坯、热轧，可显著提高镁合金板材强度，并提高单道次压下量，减少轧制道次，提高生产效率，降低能源消耗和成本；
2、本发明中所述的制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，经该工艺加工的AZ91镁合金板材屈服强度可达350MPa以上，极限强度可达420Mpa，断裂延伸率可达19％。能够获得包含30微米到170微米的粗晶和纳米级别的细晶的双峰组织；
3、本发明中所述的制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，通过对原材料进行等通道转角挤压加工(ECAP)预处理，获得了均匀的超细晶组织，使得后续在不产生边裂的前提下，在350～450℃一次轧制，实现50％～80％的减薄量成为可能，从而制备了具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板，提高了镁合金板材的成材率和二次加工性能，有望推进高强高韧镁合金板材在通讯、电子、汽车等普通民用领域的广泛应用。
附图说明
图1为固溶AZ91镁合金金相组织；
图2为经等通道转角挤压加工16道次后AZ91镁合金SEM图；
图3为超细晶AZ91镁合金与未ECAP的固溶AZ91镁合金单道次70％压下量轧制所得板材的金相组织；
图4为超细晶AZ91经单道次70％压下量热轧后EBSD测定的组织和晶粒面积分布图；
图5案例一材料的拉伸试验曲线；
图6为经等通道转角挤压、挤压开坯与轧制组合加工后AZ91镁合金金相组织和超细晶AZ91经单道次60％压下量热轧后EBSD测定的组织和晶粒面积分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
参照图1-6，本实例采用AZ91(Mg-9wt％Al-1wt％Zn)镁合金作为试验材料。
首先将铸态AZ91镁合金线切割加工成49mm×49mm×100mm的长方体块材，图1为经固溶处理的AZ91的金相组织。随后将其置于RD-ECAP模具中加热至300℃保温30min，并进行16道次的ECAP加工，经ECAP加工后平均晶粒尺寸约为8微米，如图2。将制备的超细晶AZ91镁合金与未ECAP的固溶AZ91镁合金单道次70％压下量轧制，获得的微观组织如图3所示，通过EBSD测定的超细晶AZ91经单道次70％压下量热轧后，晶粒面积分布图如图4所示，并分别对以上三种材料进行拉伸试验，结果如图5所示，ss.+ECAP代表固溶后经ECAP加工的AZ91镁合金其沿挤压方向屈服强度为140Mpa，极限强度为325Mpa，最大延伸率为24％；ss.+R代表固溶后未经ECAP加工直接进行70％压下量轧制的板材，沿轧制方向屈服强度为270MPa，极限强度为320MPa，最大延伸率为5％。ss.+ECAP+R代表固溶后经ECAP加工直接进行70％压下量轧制的板材，沿轧制方向屈服强度为350MPa，极限强度为420MPa，最大延伸率为19％。
实施例2
本实施例中，采用AZ91(Mg-9wt％Al-1wt％Zn)镁合金。
加工工艺与实施例1的区别在于：S4中的单道次压下量为60％。同样获得了双峰组织，经EBSD测定的微观组织图谱和晶粒面积分布图，如图6所示。
在实施例1～实施例2中，经等通道转角挤压、挤压开坯与单道次大压下量轧制组合加工后的AZ91镁合金都获得了双峰组织。
通过ECAP加工技术可以制备出组织细密、性能良好的超细晶镁合金，特别是在提高镁合金塑性/超塑性的优势方面已经通过多方实验证实。本发明充分利用ECAP后的超细晶镁合金具有良好塑性变形能力的特点，与后续单道次大压下量轧制加工相结合，集成了一种制备双峰组织高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法。我们对此集成加工技术的加工工艺、参数及材料性能进行了细致的研究工作，旨在获得高性能镁合金板材的同时，提高加工成材率，缩减轧制道次，提高生产效率，降低生产成本的目的，促进高性能镁合金的应用。本发明的特点是利用预固溶处理加多道次ECAP加工与后续挤压开坯，单道次大压下量轧制加工相结合，制备出具有双峰组织的高强高韧镁合金板材。利用预固溶与多道次等通道转角挤压细化镁合金组织，优化变形织构，提高镁合金塑性变形能力；再通过挤压开坯与单道次大压下量轧制工艺实现快速减薄，缩减轧制道次，提高生产效率，并获得了可控双峰组织，实现了镁合金高强高韧的目的。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
Claims (5)
1.一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：镁合金预固溶处理，获得均匀的组织：AZ61,AZ91一般加热到420℃，保温20h，此步为行业常规固溶热处理，目的是获得均匀的原始组织，利于后一步ECAP对晶粒和第二相的充分细化；
S2：自动化多道次转模等通道转角挤压加工：将固溶过的镁合金坯料置入模具中一起加热并进行保温，再对坯料进行转模等通道转角挤压加工到12道次以上，得到超细晶镁合金块材；
S3：挤压开坯：利用自动化等通道转角挤压成型一体化装备中的板材开坯模具，在300～400℃挤出开坯；
S4：单道次大压下量轧制加工：将S3所得的超细晶镁合金厚板进行单道次轧制，轧制温度范围是350～450℃，预热保温5min一次性轧制压下量50％～80％，制得镁合金薄板。
2.根据权利要求1所述的一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，其特征在于：所述S3中，利用自动化等通道转角挤压成型一体化装备，不需要将坯料取出，直接将超细化的块材加热保温30min，挤出开坯，制备成较厚板材。
3.根据权利要求1所述的一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，其特征在于：所述S1、S2和S3中的ECAP加工，用于获得均匀的超细晶组织，后续在不产生边裂的前提下，在350～450℃一次轧制。
4.根据权利要求1所述的一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，其特征在于：所述的S4中，只对S3制得的厚板加热，不对轧辊加热，加热温度350～450℃。
5.根据权利要求1所述的一种制备具有可控双峰组织的高强高韧镁合金薄板的高效集成加工方法，其特征在于：所述的S3中，预热保温时间为5min，单道次压下量50％～80％，且可根据加工工艺参数的调整，制备不同粗晶与细晶比例的双峰组织镁合金，进而调整材料力学性能。
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