CN114395743B - 一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法 - Google Patents

一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法，包括如下步骤：(1)对挤压机出口处的变形加工材进行多级在线淬火处理；(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；(3)对变形加工材入炉进行深冷处理，温度为‑150℃～‑50℃，保温时间4～8小时，同时外加电脉冲能场辅助热处理；(4)对热处理后的加工材进行超声冲击，超声振动振幅为20～50μm，振动时间为5～20min；(5)将处理过后的加工材迅速升温至80～100℃，在该温度下保温1～3小时，随后空冷至室温。本发明采用深冷处理、电脉冲辅助处理及超声振动、时效耦合的方法，能够有效的消除稀土镁合金变形加工材中残余应力，制备出力学性能更优异，成型质量更高的稀土镁合金变形加工材。

Description

一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法
技术领域
本发明涉及一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法，属于有色金属材料加工技术领域。
背景技术
镁合金变形加工材是航空航天、武器装备与交通运输领域中重要的零部件。镁合金由于塑性较差且热膨胀系数较大，因此在热加工成型过程中往往发生不均匀的塑性变形且膨胀收缩不一致，从而产生残余应力与热应力。残余应力会严重影响变形加工材的成型质量与力学性能，进而可能诱发应力腐蚀裂纹与断裂等，影响其服役寿命。
对于中厚加工材或者大直径棒材(截面积范围为1.3×105～2.8×105mm2)等变形加工材来说，其作为后续最终成型的中间体材料，由于尺寸过大，冷却速度相对缓慢，不可能采用常规预拉伸的方式消除残余应力，但残余应力的存在又是导致合金后续变形失效或者变形开裂的主要原因，所以必须寻找更为合适的方案进行残余应力的消除。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法，在提高稀土镁合金变形加工材成型质量的同时，消除变形积攒的残余应力，制备出力学性能更优异，成型质量更高的稀土镁合金变形加工材。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法，包括如下步骤：
(1)挤压过程中，对挤压机出口处的变形加工材进行多级在线淬火处理；
(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；
(3)对变形加工材入炉进行深冷处理，温度为-150℃～-50℃，保温时间4～8小时，同时连接电脉冲发生装置，外加电脉冲能场辅助热处理；
(4)利用超声振动设备对热处理后的加工材进行超声冲击，超声振动振幅为20～50μm，振动频率为22kHz～50kHz，振动时间为5～20min；
(5)将处理过后的加工材迅速升温至80～100℃，在该温度下保温1～3小时，随后空冷至室温。
在所述步骤(1)中，通过对变形加工材进行在线淬火快速冷却，可以有效的抑制镁合金晶粒的长大，保持挤压过程产生的细小再结晶晶粒，起到细晶强化的效果，提升镁合金加工材的力学性能。同时多级淬火制度可以在确保使合金快速冷却的前提下减小温度梯度，减少温度梯度过大所产生的热应力，有效地防止镁合金加工材开裂。优选地，所采取得在线淬火措施为：在挤压机出口处5～10cm使用70～90℃热水进行一级水冷淬火，一级淬火结束后，在距挤压机出口25～30cm使用10～30℃室温水进行二级水冷淬火，二级淬火结束后，用自动鼓风系统吹冷风进行三级风冷淬火。
在所述步骤(2)中，通过初步压矫，可以高效的解决镁合金挤压材易翘曲的缺点，提高成型质量并缓解翘度部位的应力集中。
在所述步骤(3)中，挤压大变形与快速冷却都会引起位错的大量塞积以及晶格畸变，晶界界面能处于亚稳态状态，通过热处理可以提供能量，使未完成动态再结晶的晶粒继续完成再结晶，同时使位错开始运动，减少位错塞积，晶界处于稳定状态，起到消除残余应力的作用。
优选地，在所述步骤(3)中，所述电脉冲形式为正脉冲，脉冲电流参数设定为：占空比10～20％，频率为300～800Hz，电流密度为30～80A/cm2。所述脉冲开始时间为低温处理的第1～3个小时。电脉冲处理及深冷处理的联合使用可以构造内外较大的温度差异，实现内部应力的矫正，最终实现合金残余应力的消减。
在所述步骤(4)中，所述超声振动设备由超声波发生装置、超声换能器、和调幅杆组成。超声振动频率高，可以使镁合金加工材发生共振，产生激振动应力，给晶粒提供大量的振动能量，使晶粒摆脱周围晶粒的束缚，回到低能的平衡位置，减少晶格畸变，同时也使得塞积的位错开始运动，位错密度减小，降低残余应力。
在所述步骤(5)中，升温方式包括感应加热或者热水加热。保温处理作为后续工艺，与前期工艺成形鲜明对比，同样可以有效降低合金的残余应力。
本发明的有益技术效果：
本发明通过深冷处理、电脉冲辅助处理及超声振动、时效耦合的方法对镁合金变形加工材进行变形后处理，能够有效的消除稀土镁合金变形加工材中残余应力，制备出力学性能更优异，成型质量更高的稀土镁合金变形加工材。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
实施例1
截面积为2.8×105mm2的镁合金加工材成分配比为：Mg-8Gd-4Y-1Zr-0.5Mn(wt.％)，变形后处理方法包括以下步骤：
(1)挤压过程中采取在线淬火措施：在挤压机出口处5cm使用87℃热水进行一级水冷淬火，一级淬火结束后，在距挤压机出口27cm使用20℃室温水进行二级水冷淬火，二级淬火结束后，用自动鼓风系统吹冷风进行三级风冷淬火；
(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；
(3)对变形加工材入炉进行冷处理，温度为-150℃，保温时间4小时，同时连接电脉冲发生装置，外加电脉冲能场辅助热处理，脉冲形式为正脉冲，脉冲电流参数设定为：占空比20％，频率为800Hz，电流密度为30A/cm2，脉冲时间为低温处理的第3个小时；
(4)利用超声振动设备对热处理后的加工材进行超声冲击，设备由超声波发生装置、超声换能器、和调幅杆组成，超声振动振幅为50μm，振动频率为22kHz，振动时间为20min；
(5)将处理过后的加工材迅速升温至100℃，升温方式感应加热，持续时间为1小时，随后空冷至室温。
实施效果：随机抽取一块加工材，以加工材重心处为起点，沿x轴方向上每6cm取一个点，y轴方向上每4cm取一个点，共取14个样品，用细砂纸进行打磨，用X射线衍射仪进行残余应力的测量，经测量，该加工材残余应力平均值下降80％。
实施例2
截面积为1.5×105mm2的镁合金加工材成分配比为：Mg-9Y-1MM-1Zn-0.5Zr(wt.％)，变形后处理方法包括以下步骤：
(1)挤压过程中采取在线淬火措施：在挤压机出口处10cm使用90℃热水进行一级水冷淬火，一级淬火结束后，在距挤压机出口25cm使用30℃室温水进行二级水冷淬火，二级淬火结束后，用自动鼓风系统吹冷风进行三级风冷淬火；
(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；
(3)对变形加工材入炉进行冷处理，温度为-50℃，保温时间8小时，同时连接电脉冲发生装置，外加电脉冲能场辅助热处理，脉冲形式为正脉冲，脉冲电流参数设定为：占空比10％，频率为300Hz，电流密度为80A/cm2，脉冲时间为低温处理的第1个小时；
(4)利用超声振动设备对热处理后的加工材进行超声冲击，设备由超声波发生装置、超声换能器、和调幅杆组成，超声振动振幅为20μm，振动频率为50kHz，振动时间为5min；
(5)将处理过后的加工材迅速升温至100℃，升温方式为热水加热，持续时间为3小时，随后空冷至室温。
实施效果：随机抽取一块加工材，以加工材重心处为起点，沿x轴方向上每6cm取一个点，y轴方向上每4cm取一个点，共取14个样品，用细砂纸进行打磨，用X射线衍射仪进行残余应力的测量，经测量，该加工材残余应力平均值下降90％。
实施例3
截面积为2.5×105mm2的镁合金加工材成分配比为：Mg-6Gd-4Y-1Zr-1Zn(wt.％)，变形后处理方法包括以下步骤：
(1)挤压过程中采取在线淬火措施：在挤压机出口处8cm使用86℃热水进行一级水冷淬火，一级淬火结束后，在距挤压机出口29cm使用25℃室温水进行二级水冷淬火，二级淬火结束后，用自动鼓风系统吹冷风进行三级风冷淬火；
(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；
(3)对变形加工材入炉进行冷处理，温度为-75℃，保温时间4.5小时，同时连接电脉冲发生装置，外加电脉冲能场辅助热处理，脉冲形式为正脉冲，脉冲电流参数设定为：占空比17％，频率为650Hz，电流密度为39A/cm2，脉冲时间为低温处理的第2.6个小时；
(4)利用超声振动设备对热处理后的加工材进行超声冲击，设备由超声波发生装置、超声换能器、和调幅杆组成，超声振动振幅为22μm，振动频率为35kHz，振动时间为18min；
(5)将处理过后的加工材迅速升温至95℃，升温方式为热水加热，持续时间为2.5小时，随后空冷至室温。
实施效果：随机抽取一块加工材，以加工材重心处为起点，沿x轴方向上每5cm取一个点，y轴方向上每3cm取一个点，共取10个样品，用细砂纸进行打磨，用X射线衍射仪进行残余应力的测量，经测量，该加工材残余应力平均值下降88％。

Claims (4)

1.一种消除镁合金变形加工材残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)挤压过程中，对挤压机出口处的变形加工材进行多级在线淬火处理；所采取得在线淬火措施为：在挤压机出口处5～10cm使用70～90℃热水进行一级水冷淬火，一级淬火结束后，在距挤压机出口25～30cm使用10～30℃室温水进行二级水冷淬火，二级淬火结束后，用自动鼓风系统吹冷风进行三级风冷淬火；
(2)对挤压完成的加工材中翘曲度较大的部位进行简单压矫处理；
(3)对变形加工材入炉进行深冷处理，温度为-150℃～-50℃，保温时间4～8小时，同时连接电脉冲发生装置，外加电脉冲能场辅助热处理；脉冲开始时间为深冷处理的第1～3个小时；
(4)利用超声振动设备对热处理后的加工材进行超声冲击，超声振动振幅为20～50μm，振动频率为22kHz～50kHz，振动时间为5～20min；
(5)将处理过后的加工材迅速升温至80～100℃，在该温度下保温1～3小时，随后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的消除镁合金变形加工材残余应力的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述电脉冲形式为正脉冲，脉冲电流参数设定为：占空比10～20％，频率为300～800Hz，电流密度为30～80A/cm2。
3.根据权利要求1所述的消除镁合金变形加工材残余应力的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述超声振动设备由超声波发生装置、超声换能器、和调幅杆组成。
4.根据权利要求1所述的消除镁合金变形加工材残余应力的方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，升温方式包括感应加热或者热水加热。
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