CN111482545B - 一种层绕旋锻制备镁合金棒材的方法及系统 - Google Patents

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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种层绕旋锻制备镁合金棒材的方法及系统。该方法是将两种或两种以上具有不同析出行为的镁合金丝材交错缠绕在镁合金棒材上，然后进行多模多道次旋锻加工，使两种材料在大压力变形的作用下实现良好的冶金结合。最后通过时效热处理调控第二相的析出，得到一种高强高韧析出强化的异构镁合金棒材。本发明通过层绕和旋锻相结合的变形方式，结合后续的固溶时效热处理，可以制备一系列多尺度析出强化异构镁合金棒材；制得的异构镁合金棒材在一定程度上可以兼得软相的韧性和硬相的强度，获得良好的综合力学性能。

Description

一种层绕旋锻制备镁合金棒材的方法及系统
技术领域
本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种层绕旋锻制备镁合金棒材的方法及系统。
背景技术
镁合金是目前实际应用中最轻的结构性金属材料，比铝合金轻30～50％，比钢铁轻50％以上，在交通和航空航天等领域有广泛的应用前景，是节能减重、保护环境的首选材料。但是，镁合金的强度和塑性都较差，这限制了其在生产中的规模化应用，目前镁合金的应用规模只有铝业的1/50，钢铁工业的1/160。因此，如何获得高强高韧的镁合金材料是目前研究的热点。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 108179338 A介绍了一种高强度镁合金及其压铸方法，该发明的特点是：(1)在镁合金中加入的各种稀土元素起到弥散强化和固溶强化的作用，大大提高了基体的强度；(2)稀土元素与镁合金中的氧、氢、氮、硫等杂质元素结合较强，在铸造过程中有利于杂质和气体的排除，净化熔体。但是，该技术也存在以下问题：(1)该方法大幅度提高了镁合金的强度，但塑性未有明显变化；(2)加入的La、Ce、Nd、Yb、Y等稀土元素，提高了生产成本，难以大批量应用。
进一步检索发现，Chen等人在《Metallurgical and Materials Transactions A》冶金与材料会刊A，2017，48(9)：3961-3970上发表的“Mechanical Properties ofGradient Structure Mg Alloy”(梯度结构镁合金的力学性能)一文，介绍了一种通过表面机械研磨处理制备梯度结构镁合金的表面纳米化技术，该技术的特点是： (1)所得的AZ31B镁合金基体中，由表面至心部的晶粒尺度递增，显著提高 AZ31B镁合金的综合力学性能；(2)当梯度结构层的体积分数在9.3～14％时，可获得较好的强度和塑性协同增强的效果。但是，该技术也存在以下问题：(1) 这种表面纳米化技术只能在样品表面形成较薄的梯度结构层，对于厚板材，梯度结构层对材料整体力学性能的影响不明显；(2)该方法适用于板材加工，不能制备棒材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层绕旋锻制备镁合金棒材的方法及系统，通过层绕和旋锻相结合的变形方式，结合后续的固溶时效热处理，可以制备一系列多尺度析出强化异构镁合金棒材，克服现有技术中存在的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种层绕旋锻制备异构镁合金棒材的系统，包括：
层绕装置：用于在镁合金棒材表面交错缠绕多层具有不同析出行为的镁合金丝材；
旋锻装置：用于对缠绕丝材的棒材进行多模多道次旋锻；
热处理装置：用于对旋锻后的棒材进行热处理，调控第二相的析出，得到高强高韧析出强化的异构镁合金棒材。
进一步的，所述层绕装置包括：
棒材固定旋转机构：用于固定并带动棒材旋转；
供线机构：用于为棒材旋转提供线材，从而在棒材表面形成由线材形成的多个层。
进一步的，所述棒材固定旋转机构包括主轴箱，三爪卡盘，尾架，顶尖，导轨；
所述主轴位于主轴箱内，主轴与三爪卡盘连接，主轴通过三爪卡盘带动棒材旋转，导轨位于棒材的正下方，尾架位于棒材另一侧，所述尾架可沿着导轨水平移动和固定，根据棒材的长度调节位置，尾架一侧的顶尖抵住棒材，并随棒材一起转动。
进一步的，所述供线机构包括材料箱，丝杠和夹具；
丝材置于材料箱内，材料箱为无盖结构且顶部前端设有一个或多个丝杠，丝杠与导轨处于同一水平面，安装在材料箱的侧壁上，每根丝杠上各安装一个可移动的夹具。
一种利用上述的系统制备异构镁合金棒材的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：层绕：将两种或两种以上具有不同析出行为的镁合金丝材交错缠绕在镁合金棒材上；
步骤(2)：旋锻：进行多模多道次旋锻加工，使不同的材料在大压力变形的作用下实现冶金结合；
步骤(3)：热处理：通过时效热处理调控第二相的析出，得到高强高韧析出强化的异构镁合金棒材。
进一步的，所述步骤(1)中的层绕具体为：
步骤(1-1)：对镁合金棒材和丝材进行预处理，将棒材和丝材安装固定；
步骤(1-2)：主轴带动镁合金棒材转动，同时，夹具沿丝杠移动，将镁丝紧密地缠绕在棒材上；
步骤(1-3)：镁丝缠绕至棒材尾端，用捆扎的方式将其固定并切除多余的镁丝，同时驱动夹具回到丝杠左侧顶端，以备下一道次缠绕；
步骤(1-4)：夹持另一种镁丝的夹具以相同方式继续缠绕；
步骤(1-5)：重复步骤(1-2)至(1-4)，使异种镁丝在棒材上交替缠绕，直至达到所需的直径，所得棒材在径向上形成异种镁合金交错排列的结构。
进一步的，所述预处理包括对镁合金棒材和丝材进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化皮；所述层绕过程的工艺参数为：主轴转速为1～500rpm，夹具移动速度为0.01～100m/min。
进一步的，所述步骤(2)旋锻具体为：对缠绕镁丝的镁合金棒材进行预热，旋锻模具按照直径从大到小的顺序逐级更换，将缠绕镁丝的镁合金棒材送入旋锻机施以旋锻变形；旋锻模具内部抽真空并充入惰性气体Ar，保持气流稳定。
进一步的，所述步骤(2)中的材料预热在真空炉中进行，预热时间为0.5～2h，预热温度为300～500℃；抽真空至10～100Pa，充入Ar至模具内压强与大气压相近；旋锻的工艺参数为：进料速度为0.1～10m/min，单道次变形量为5～20％，总变形量为10～50％。
进一步的，所述热处理具体为：对旋锻处理后的棒材进行真空固溶和时效处理；固溶温度为300～500℃，时间为1～100h；时效温度为50～250℃，时间为1～500h。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过层绕和旋锻相结合的变形方式，结合后续的固溶时效热处理，可以制备一系列多尺度析出强化异构镁合金棒材；制得的异构镁合金棒材在一定程度上可以兼得软相的韧性和硬相的强度，获得良好的综合力学性能。
(2)本发明可以根据实际需求，调控合金的种类、配比量、排列层数等，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性。
(3)本发明的操作流程简单，可制备大尺寸、且长度和直径可控的多层异构镁合金棒材，适合工业上规模化生产。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；其中图(a)为层绕，图(b)为旋锻，图 (c)为固溶后微观结构，图(d)为时效后微观结构。
图2为本发明的层绕变形工作段的结构示意图；其中(a)为层绕装置整体主视图，(b)为层绕装置整体俯视图。
图3为本发明的旋锻变形工作段的结构示意图；其中(a)为层绕后的镁合金棒材横截面示意图，(b)为旋锻模具示意图。
图4为本发明的热处理的示意图；其中(a)为固溶示意图，(b)为时效示意图，(c)为固溶后材料微观示意图，(d)为时效后材料微观示意图。
附图标记说明：
1-主轴箱，2-三爪卡盘，3-尾架，4-顶尖，5-材料箱，6-丝杠，7-导轨，8- 夹具，9-旋锻模具，10-真空热处理炉，11-油浴炉，12-温度计，13-Mg-10Y， 14-Mg-3Y。
A-夹具移动方向，B-棒材旋转方向。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细阐述，本实施例在以本发明技术方案为前提的情况下进行实施，给出详细的实施方法和操作过程。
(1)选取一根长度为1m，直径为8mm的Mg-10Y棒材和两卷直径为3mm 的Mg-3Y丝材，分别进行表面处理，去除材料表面的油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮金属。
(2)将处理好的Mg-10Y棒材固定在缠绕装置上，夹具夹持Mg-3Y丝材和 Mg-10Y丝材，先将Mg-3Y丝材的端部捆扎在棒材左侧，驱动主轴带动棒材旋转的同时，夹具水平向右移动，主轴转速为300rpm，夹具移动速度为1m/min，按照图1(a)所示交错缠绕，并将镁丝用捆扎的方式固定在棒材两端，防止松散混乱。当棒材直径达到32mm时，停止缠绕。
(3)将缠绕镁丝的镁合金棒材放置于真空炉中，加热到350℃保温1h；将预热后的镁合金棒材以0.5m/min的速率送入旋锻机，抽真空至10Pa，再充入Ar 至模具内压强与大气压一致，驱动旋锻机进行旋锻加工，分三道次逐级更换旋锻模具，三道次的旋锻模具直径依次为32mm、28mm、24mm，。
(4)取出旋锻加工后的镁合金棒材，去除表面油污并切除首尾结合较差的部分，对得到的棒材进行真空固溶处理和时效处理，固溶温度为450℃，时间为 12h，以消除加工变形对材料的影响，并使变形时动态析出的Y元素重新固溶到基体中。然后，对镁合金棒材进行时效处理，时效温度为200℃，时间为50h，最终获得具有不同析出相密度的异构镁合金材料。
获得的多尺度析出异构镁合金材料的微观结构如图4(d)所示，Mg-3Y和 Mg-10Y在200℃下时效处理时，Mg-3Y中的合金元素含量低，主要起固溶强化作用，在镁基体中几乎不产生析出强化相；而Mg-10Y则具有明显的时效强化，镁基体产生高密度的纳米级析出相。时效后的两种合金中析出相密度不同，从而导致两种基体硬度差异较大，进而获得软硬两相，形成异构镁合金棒材。因此，本专利通过上述的层绕旋锻结合多尺度析出处理的方法，成功制得了具有多尺度析出强化效果的高强高韧镁合金异构材料。

Claims (10)

1.一种层绕旋锻制备异构镁合金棒材的系统，其特征在于，包括：
层绕装置：用于在镁合金棒材表面交错缠绕多层具有不同析出行为的镁合金丝材；每一层由沿镁合金棒材轴向依次排列的镁合金丝材组成，其中每一圈镁合金丝材的轴线位于与镁合金棒材轴线相垂直的面上；
旋锻装置：用于对缠绕丝材的棒材进行多模多道次旋锻；
热处理装置：用于对旋锻后的棒材进行热处理，调控第二相的析出，得到高强高韧析出强化的异构镁合金棒材。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述层绕装置包括：
棒材固定旋转机构：用于固定并带动棒材旋转；
供线机构：用于为棒材旋转提供线材，从而在棒材表面形成由线材形成的多个层。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述棒材固定旋转机构包括主轴箱，三爪卡盘，尾架，顶尖，导轨；
所述主轴位于主轴箱内，主轴与三爪卡盘连接，主轴通过三爪卡盘带动棒材旋转，导轨位于棒材的正下方，尾架位于棒材另一侧，所述尾架可沿着导轨水平移动和固定，根据棒材的长度调节位置，尾架一侧的顶尖抵住棒材，并随棒材一起转动。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述供线机构包括材料箱，丝杠和夹具；
丝材置于材料箱内，材料箱为无盖结构且顶部前端设有一个或多个丝杠，丝杠与导轨处于同一水平面，安装在材料箱的侧壁上，每根丝杠上各安装一个可移动的夹具。
5.一种利用权利要求4所述的系统制备异构镁合金棒材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）：层绕：将两种或两种以上具有不同析出行为的镁合金丝材交错缠绕在镁合金棒材上；每一层由沿镁合金棒材轴向依次排列的镁合金丝材组成，其中每一圈镁合金丝材的轴线位于与镁合金棒材轴线相垂直的面上；
步骤（2）：旋锻：进行多模多道次旋锻加工，使不同的材料在大压力变形的作用下实现冶金结合；
步骤（3）：热处理：通过时效热处理调控第二相的析出，得到高强高韧析出强化的异构镁合金棒材。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的层绕具体为：
步骤（1-1）：对镁合金棒材和丝材进行预处理，将棒材和丝材安装固定；
步骤（1-2）：主轴带动镁合金棒材转动，同时，夹具沿丝杠移动，将镁丝紧密地缠绕在棒材上；
步骤（1-3）：镁丝缠绕至棒材尾端，用捆扎的方式将其固定并切除多余的镁丝，同时驱动夹具回到丝杠左侧顶端，以备下一道次缠绕；
步骤（1-4）：夹持另一种镁丝的夹具以相同方式继续缠绕；
步骤（1-5）：重复步骤（1-2）至（1-4），使异种镁丝在棒材上交替缠绕，直至达到所需的直径，所得棒材在径向上形成异种镁合金交错排列的结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预处理包括对镁合金棒材和丝材进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化皮；所述层绕过程的工艺参数为：主轴转速为1~500rpm，夹具移动速度为0.01~100m/min。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）旋锻具体为：对缠绕镁丝的镁合金棒材进行预热，旋锻模具按照直径从大到小的顺序逐级更换，将缠绕镁丝的镁合金棒材送入旋锻机施以旋锻变形；旋锻模具内部抽真空并充入惰性气体Ar，保持气流稳定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的材料预热在真空炉中进行，预热时间为0.5~2h，预热温度为300~500℃；抽真空至10~100Pa，充入Ar至模具内压强与大气压相近；旋锻的工艺参数为：进料速度为0.1~10m/min，单道次变形量为5~20%，总变形量为10~50%。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理具体为：对旋锻处理后的棒材进行真空固溶和时效处理；固溶温度为300~500℃，时间为1~100h；时效温度为50~250℃，时间为1~500h。
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