CN112589024A - 一种镁合金锻件及其制备方法 - 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

本发明针对的镁合金质量百分比成分为Al：3.5‑5.0％，Zn：2.0‑3.5％，Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.1‑0.8％，RE：0.01‑0.80％，Ca：0.001‑0.090％，其他不可避免的杂质元素，余量为镁，RE是稀土元素，开发出一套锻造工艺，成功制备出高延展性中强镁合金大型锻件，促进大规格镁合金承载结构件更广泛的应用。

Description

一种镁合金锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金锻件及其制备方法，特别涉及一种高延展性中强镁合金大型锻件及其制备方法。
背景技术
随着航空航天及国防武器装备的升级换代，大规格承载结构件对轻量化材料具有迫切需求，同时要求其有较低的成本。镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度比刚度高、电磁屏蔽性好、阻尼减震效果佳、易于机加工等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”，在航空航天、国防军工、汽车等领域具有广阔的应用前景。
Mg-Al-Zn(AZ)系合金因其良好的塑性加工性能、耐蚀性能及导热性能，成为目前应用较多的变形镁合金。其中，AZ31、AZ40是目前常见的商用镁合金，但其力学性能较低，且基本无时效强化效果，难以满足武器装备、航空航天、轨道交通等领域对结构材料力学性能的高要求。
自由锻造是批量化生产大规格镁合金锻件的主要方法，具有生产效率高、锻件形状尺寸可控、晶粒细化效果显著等优点。然而，目前镁合金的应用仍以挤压板型材、轧制板材为主，大规格块体锻件的应用较少。主要原因为：一、镁合金具有密排六方晶体结构，塑性加工性能较差；二、自由锻造为降温过程，锭坯终锻温度低易开裂；三、大规格锻件存在难变形区，塑性变形不充分；从而导致镁合金大型锻件加工难度大、成材率和力学性能低。
为了解决这些技术难题，本发明设计出一种新型Mg-Al-Zn系合金及其锻造工艺，成功制备出高延展性中强镁合金大型锻件，促进大规格镁合金承载结构件更广泛的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种力学性能优良的镁合金大型锻件及其成形工艺，以满足航空航天、武器装备等领域对低成本高性能镁合金承载构件的迫切需求。
本发明提供一种镁合金锻件的制备方法，选用的镁合金质量百分比成分为Al：3.5-5.0％
Zn：2.0-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁。
所述的RE指的是稀土元素。
制备过程还包括以下步骤：
(1)采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
(2)铸棒均匀化退火后加工得到锻造锭坯；
(3)锭坯加热至420-450℃保温6-12h，液压机上下平砧预热至300℃以上；
(4)以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行3-5道次镦粗，压下速度10-16mm/s，道次压下量30-60％；随后沿X、Y、Z方向进行3-6道次镦粗，道次压下量10-35％；再以X(或Y)为轴，滚动压缩棱边12-20道次，道次压下量5-30％，最后沿X(或Y)方向压下15-30％。锻造过程中，当锭坯表面温度低于300℃，回炉进行中间退火，退火温度380-420℃，时间30-90min，退火次数0-2次；
(5)时效处理，锻件在170-210℃保温8-20h。
进一步地，所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％。
进一步地，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％。
进一步地，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％。
进一步地，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％。
进一步地，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％。
进一步地，所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％。
进一步地，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
进一步地，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
进一步地，所述步骤(1)中采取的半连续铸造工艺，稳定浇铸时炉内熔体温度为670-695℃，拉锭速度为30-70mm/min。
进一步地，步骤(2)中的均匀化退火工艺为：400-430℃保温10-20h。
进一步地，步骤(1)得到直径Φ250-360mm、长度大于4000mm的镁合金铸棒。
进一步地，步骤(2)中在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ220-320mm、高度280-600mm的锻造锭坯。
进一步地，所述步骤(5)的时效处理后，冷却至室温。冷却方式可以根据需要选择，本领域技术人员可以采用水冷、空冷等方式冷却。优选采用空冷的方式冷却。
所得锻件直径≥200mm、高度≥280mm，锻件室温抗拉强度≥320MPa、屈服强度≥230MPa、伸长率≥16％。
进一步地，所述步骤(4)首先沿Z、Y方向进行3-5道次镦粗，压下速度12-16mm/s，道次压下量40-60％；随后沿X、Y、Z方向进行3-6道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X(或Y)为轴，滚动压缩棱边14-20道次，道次压下量5-25％；最后沿X(或Y)方向压下20-30％。锻造过程中，当锭坯表面温度低于300℃，回炉进行中间退火，退火温度390-420℃，时间50-90min，退火次数0-1次。
进一步优选的，所述步骤(5)的锻件在180-210℃等温时效8-18h。
本发明提供一种镁合金锻件，镁合金质量百分比成分为
Al：3.5-5.0％
Zn：2.0-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁。
锻件室温抗拉强度≥320MPa、屈服强度≥230MPa、伸长率≥16％。
进一步地，所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％。
进一步地，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％。
进一步地，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％。
进一步地，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％。
进一步地，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％。
进一步地，所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％。
进一步地，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
进一步地，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
进一步地，所述镁合金锻件使用上述的加工方法制备得到。
本发明还提供一种镁合金部件，该装置使用上述的镁合金锻件加工得到。
本发明还提供一种装置，该装置使用上述的镁合金部件。
有益效果：
1.针对一种新型稀土微合金化Mg-Al-Zn系合金，首次提出该合金大型锻件的自由锻造成形工艺，解决了镁合金大型锻件组织均匀性差、力学性能及成材率低的技术难题。
2.本发明将合金中Al含量与Zn含量总和控制在6-8％之间，其作用在于：Al+Zn含量过低，固溶强化效果差，时效析出相较少，合金力学性能显著降低；Al+Zn含量过高，铸造时熔体流动性较差，易出现冷隔、疏松等缺陷，且热变形时形成粗大球状β相，合金延展性降低、易开裂。将Al+Zn控制在6-8％之间，铸造时熔体流动性好，有利于获得大直径高品质铸棒，为制备大型锻件提供必要前提；同时保证合金具有良好的力学性能和塑性加工性能。
3.稀土微合金化可改善该Mg-Al-Zn合金的塑性加工性能，同时保证较低的材料成本。RE元素的添加使晶粒细化，抑制晶界处粗大球状β动态分解相，且改变Mg基体层错能，促进塑性变形时非基面滑移的启动，从而提高合金延展性及可成形性，降低开裂风险。
4.本发明合金采用多道次多向大塑性变形锻造，锻造总道次可超过30次，累积总压下量可超过600％。锻造过程中合金变形量大，动态再结晶驱动力则大，再结晶程度高、软化作用显著，保证良好的材料塑性。该多向锻造方式实现锭坯高向变换，即锻前锭坯高向和径向分别成为锻后锭坯径向和高向，各方向变形均匀充分、晶粒显著细化，锻件强度和延伸率大幅提升。
5.该合金锻造过程中采用较快压下速度(10-16mm/s)，动态再结晶晶粒长大受抑制而得到细化，且锻件降温速率慢，回炉退火次数少，有利于综合力学性能；此外，可提高锻造加工效率。若压下速度过慢，锻造后期温度大幅降低，晶界处出现粗大球状β动态分解相，易成为显微裂纹源，开裂风险增大，且动态分解相消耗大量基体中Al原子，使后续时效强化效果减弱；若压下速度过快，局部位错密度显著增大，造成应力集中，锻件易开裂。
附图说明
图1为本发明成形工艺制备的锻件。
图2为本发明成形工艺制备的锻件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例所制备产品的抗拉强度、屈服强度、伸长率参照GB/T228.1-2010标准执行。
实施例1
以下以Mg-5Al-2.8Zn-0.3Mn-0.017Ca-0.08Gd(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为683℃，拉锭速度为58mm/min，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ240mm，长度310mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至440℃保温8h，液压机上下平砧预热至400℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行4道次镦粗，压下速度12-15mm/s，道次压下量35-50％；随后沿X、Y、Z方向进行5道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X为轴，滚动压缩棱边18道次，道次压下量10-30％；最后沿X方向压下20％，得到直径230mm、高度325mm的镁合金锻件，如图1所示。锻造过程中，未进行中间退火；
5.锻件在180℃保温16h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例2
以下以Mg-4.0Al-2.9Zn-0.6Mn-0.007Ca-0.09Gd-0.24Y(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为675℃，拉锭速度为60mm/min，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ240mm，长度355mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至420℃保温8h，液压机上下平砧预热至400℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行4道次镦粗，压下速度10-14mm/s，道次压下量30-55％；随后沿X、Y、Z方向进行4道次镦粗，道次压下量15-30％；再以Y为轴，滚动压缩棱边15道次，道次压下量10-30％；最后沿Y方向压下16％，得到直径250mm、高度320mm的镁合金锻件。锻造过程中，回炉进行中间退火1次，退火温度380℃，时间50min；
5.锻件在180℃保温16h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例3
以下以Mg-4.3Al-3.2Zn-0.1Mn-0.004Ca-0.46Y(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为44mm/min，得到直径Φ310mm，长度4500mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ270mm，长度540mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至440℃保温10h，液压机上下平砧预热至420℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行5道次镦粗，压下速度10-15mm/s，道次压下量30-50％；随后沿X、Y、Z方向进行5道次镦粗，道次压下量15-30％；再以X为轴，滚动压缩棱边17道次，道次压下量10-25％；最后沿X方向压下20％，得到直径300mm、高度420mm的镁合金锻件，如图2所示。锻造过程中，未进行中间退火；
5.锻件在190℃保温15h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。
对比例1
以下以Mg-5Al-2.8Zn-0.3Mn-0.017Ca-0.08Gd(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为683℃，拉锭速度为58mm/min，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ240mm，长度310mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至460℃保温8h，液压机上下平砧预热至420℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行4道次镦粗，压下速度12-15mm/s，道次压下量35-50％；随后沿X、Y、Z方向进行5道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X为轴，滚动压缩棱边18道次，道次压下量10-30％；最后沿X方向压下20％，得到直径230mm、高度325mm的镁合金锻件。锻造过程中，未进行中间退火；
5.锻件在180℃保温16h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。由表可知，对比例1中锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
对比例2
以下以Mg-4.4Al-2.3Zn-0.5Mn-0.027Ca-0.11Gd-0.06Y(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为680℃，拉锭速度为50mm/min，得到直径Φ300mm，长度4500mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ260mm，长度400mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至420℃保温10h，液压机上下平砧预热至420℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行4道次镦粗，压下速度6-8mm/s，道次压下量35-55％；随后沿X、Y、Z方向进行6道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X为轴，滚动压缩棱边20道次，道次压下量10-30％；最后沿X方向压下25％，得到直径250mm、高度420mm的镁合金锻件。锻造过程中，回炉进行中间退火1次，退火温度400℃，时间60min。由于本对比例压下速度较慢，锻件开裂风险增大，成品率低于实施例1-3；
5.锻件在200℃保温12h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。由表可知，对比例2中锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
对比例3
以下以Mg-3.6Al-2.1Zn-0.5Mn-0.066Ca-0.23Gd(wt.％)合金锻件为例对本发明进行详细阐述。
1.采用半连续铸造，稳定浇铸时炉内熔体温度为683℃，拉锭速度为58mm/min，得到直径Φ270mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒在420℃均匀化退火10h后经机械车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ240mm，长度310mm的锻造锭坯；
3.锭坯加热至440℃保温8h，液压机上下平砧预热至400℃；
4.以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行4道次镦粗，压下速度12-15mm/s，道次压下量35-50％；随后沿X、Y、Z方向进行5道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X为轴，滚动压缩棱边18道次，道次压下量10-30％；最后沿X方向压下20％，得到直径230mm、高度325mm的镁合金锻件。锻造过程中，未进行中间退火；
5.锻件在180℃保温16h冷却后，室温拉伸力学性能结果如表1所示。由表可知，对比例3中锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
表1实施例/对比例中锻件拉伸力学性能
Figure BDA0002761270450000111
Figure BDA0002761270450000121
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种镁合金锻件的制备方法，其特征在于：选用的镁合金质量百分比成分为Al：3.5-5.0％，Zn：2.0-3.5％，Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.1-0.8％，RE：0.01-0.80％，Ca：0.001-0.090％，其他不可避免的杂质元素，余量为镁，所述的RE指的是稀土元素，制备过程还包括以下步骤：
(1)采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
(2)铸棒均匀化退火后加工得到锻造锭坯；
(3)锭坯加热至420-450℃保温6-12h，液压机上下平砧预热至300℃以上；
(4)以锭坯高向、任意两个垂直的径向为Z、Y、X方向，首先沿Z、Y方向进行3-5道次镦粗，压下速度10-16mm/s，道次压下量30-60％；随后沿X、Y、Z方向进行3-6道次镦粗，道次压下量10-35％；再以X或Y为轴，滚动压缩棱边12-20道次，道次压下量5-30％，最后沿X或Y方向压下15-30％。锻造过程中，当锭坯表面温度低于300℃，回炉进行中间退火，退火温度380-420℃，时间30-90min，退火次数0-2次；
(5)时效处理，锻件在170-210℃保温8-20h，冷却至室温。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中采取的半连续铸造工艺，稳定浇铸时炉内熔体温度为670-695℃，拉锭速度为30-70mm/min，步骤(2)中的均匀化退火工艺为：400-430℃保温10-20h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)得到直径Φ250-360mm、长度大于4000mm的镁合金铸棒，步骤(2)中在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ220-320mm、高度280-600mm的锻造锭坯，步骤(4)得到直径≥200mm、高度≥280mm的锻件。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)首先沿Z、Y方向进行3-5道次镦粗，压下速度12-16mm/s，道次压下量40-60％；随后沿X、Y、Z方向进行3-6道次镦粗，道次压下量10-30％；再以X或Y为轴，滚动压缩棱边14-20道次，道次压下量5-25％；最后沿X或Y方向压下20-30％。锻造过程中，当锭坯表面温度低于300℃，回炉进行中间退火，退火温度390-420℃，时间50-90min，退火次数0-1次。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)的锻件在180-210℃等温时效8-18h。
8.一种镁合金锻件，其特征在于：镁合金质量百分比成分为：Al：3.5-5.0％，Zn：2.0-3.5％，Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.1-0.8％，RE：0.01-0.80％，Ca：0.001-0.090％，其他不可避免的杂质元素，余量为镁，锻件室温抗拉强度≥320MPa、屈服强度≥230MPa、伸长率≥16％。
9.如权利要求8所述的锻件，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的制备方法得到。
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