CN115519058A - 一种镁合金筒形件及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金筒形件的成形方法，该成形方法包括以下步骤：将镁合金铸坯采用先挤压开坯后多向自由锻造开坯的方式开坯，得到预变形坯料，然后进行模锻成形，经冷却后再进行时效处理，得到镁合金筒形件；其中，挤压开坯的挤压比为3‑15，挤压速度为0.4‑1.6mm/s；多向自由锻造开坯的压下速度为5‑10mm/s，镦粗道次压下量为25‑35％；模锻压下速度为5‑20mm/s，保压时间为5‑20s。本发明工艺成本低，相比传统自由锻造方案，单件镁合金筒形件材料成本降低≥50％，后续机加工成本降低≥10％。本发明工艺相比常用的筒形件制备工艺旋压方案，具有速度快、效率高等特点，且相比传统自由锻造方案，后续机加工用时降低2‑3h，提高了生产效率。

Description

一种镁合金筒形件及其成形方法

技术领域

本发明涉及镁合金成形工艺，具体地，涉及一种镁合金筒形件及其成形方法。

背景技术

镁合金是工程应用最轻的结构材料，密度仅为铝的2/3，钢的1/5～1/4，且具有高比强度、比高度，电磁屏蔽性能、阻尼性能、抗冲击性优异，在航空航天、武器装备、轨道交通、3C电子等领域具有非常好的应用前景。

镁合金筒形件常用于武器装备和航空航天领域，如导弹导引头结构件、仪器舱、舵机舱等。基于批量化生产的要求，低成本、高效率的筒形件成形工艺则尤为重要。但镁为hcp结构，室温下仅有3个滑移系可以启动，变形能力差，对于具有一定特征的结构难以直接进行成形。铸造是典型的镁合金筒形件成形方法之一，但镁合金铸造易形成晶粒粗大、偏析、孔洞、夹杂等缺陷，铸件力学性能差，难以满足导弹导引头、飞行器舱体等性能指标要求；常规自由锻造和挤压工艺仅能够制备实心坯料，导致材料利用率低、机械加工余量大、耗时长，生产成本高；旋压工艺材料利用率高且生产效率相对较高，但旋压产品综合力学性能指标不如锻件，在导弹导引头、飞行器舱体上使用有较大风险。

现有技术方案当针对镁合金筒形件成形时，大都采用旋压、挤压、环轧等多种工艺相结合的工艺路线，工艺过程较为复杂。如采用旋压工艺所制备的镁合金筒形件，生产效率低，成本高，存在筒形件轴向和径向性能各向异性较大的问题；如采用环轧工艺成形的镁合金筒形件，仅适用于大直径的厚壁筒形件的成形，并不适用于一般筒形件的制备。

申请号为202010509339.X的发明专利公开了一种镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺，使得镁合金阶梯8型结构模锻件可以在锻造过程中保持等温，提高锻件的质量，采用变速率等温锻造工艺，使锻坯获得了良好的塑性，提高了等温锻造生产效率。该发明重点位于等温锻造模具，仅实现了阶梯形块体镁合金的成形，最终材料力学性能无法保证，不适用于筒形件的工程化制备。

申请号为201910073666.2的发明专利公开了一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，其采用铸棒→挤压变形→模锻镦粗变形→反挤压成形→时效处理的工艺路线，提高小端面变形量，提高显微组织，同时保证锥形筒形件显微晶粒尺寸。该发明侧重于稀土镁合金，仅实现了一种锥形筒形件的成形，工艺路线复杂，成本高，不适用于一般筒形件的工程化制备。

申请号为201810287671.9的发明专利公开了一种镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形装置及方法，其通过单道次大减薄率一次性旋压成形和表面修整，可有效获得符合尺寸要求的高成形质量带内筋筒形件，避免带内筋筒形件多道次旋压成形过程的不利因素。该发明重点位于旋压工艺技术，仅实现了一种带内筋镁合金筒形件的成形，最终材料力学性能无法保证，且旋压工艺生产效率偏低，不适用于一般筒形件的工程化制备。

申请号为201410021997.9的发明专利公开了一种大直径高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺，其采用大炉熔炼→半连续铸造→均匀化退火→变温多向锻造→机械穿孔→环轧成形→时效处理的工艺路线，利用变温多向锻造开坯与环轧成形相结合的技术路线，不仅保证了厚壁筒形件的顺利成形，同时提高了该合金的使用性能。该发明侧重于稀土镁合金，针对的是一种大规格厚壁的筒形件，且最终采用环轧成形的工艺，不适用于一般筒形件的工程化制备。

发明内容

针对上述镁合金锻造材料利用率低、生产效率低以及现有技术方案不适用于一般筒形件工程化制备的问题，本发明提供了一种镁合金筒形件的成形方法，该方法采用自由锻造/挤压开坯和单向模锻成形相结合的工艺，为镁合金筒形件的制备提供一种低成本且高效的成形方法，同时能够保持较好的力学性能，以满足导弹导引头、舱壳体用镁合金结构件批量化生产的需求。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种镁合金筒形件的成形方法，该成形方法包括以下步骤：将镁合金铸坯采用先挤压开坯后多向自由锻造开坯的方式开坯，得到预变形坯料，然后进行模锻成形，经冷却后再进行时效处理，得到镁合金筒形件；

其中，挤压开坯的挤压比为3-15，挤压速度为0.4-1.6mm/s；多向自由锻造开坯的压下速度为5-10mm/s，镦粗道次压下量为25-35％；模锻压下速度为5-20mm/s，保压时间为5-20s。

上述技术方案中，镁合金铸坯可采用以下方法制得：将镁合金块采用半连续铸造方法制得镁合金铸棒，稳定浇铸时炉内熔体温度为670-695℃，拉锭速度为30-70mm/min；铸棒均匀化退火后经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后得到铸坯。为减少或消除非平衡凝固过程中产生的枝晶偏析，采用的均匀化退火工艺为：400-430℃保温10-20h。

镁合金为稀土微合金化Mg-Al-Zn系合金，按质量百分比计成分包括： Al：3.5-5.0％，优选为4.0-5.0％；Zn：2.0-3.5％，优选为2.0-3.0％；Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，优选为6.5％≤Al+Zn≤8.0％；Mn： 0.1-0.8％，优选为0.2-0.6％；RE：0.01-0.80％，优选为0.05-0.50％；Ca： 0.001-0.090％，优选为0.002-0.060％；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，可以是Gd、Y或两者混合元素，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％。

本发明首次提出该合金筒形件成形方法，解决该镁合金筒形件批量化应用时的生产成本和生产效率问题。

稀土微合金化可改善Mg-Al-Zn系的半连续铸造性能、合金力学性能和塑性加工性能，同时保证较低的材料成本。RE元素对性能的提高主要源于： (1)稀土元素在镁合金熔体中有除气精炼、净化熔体的效果；(2)稀土元素是镁的表面活性元素,能够降低合金液的表面张力；稀土元素与镁能形成简单的共晶系；REMg合金结晶温度间隔小，稀土元素能够增加镁合金的流动性,减少缩松、热裂倾向；(3)细化镁合金晶粒，实现细晶强化效果；(4)增加时效形核点，增大晶界扩散速率，促进β相在晶界形核并向晶内生长，改善时效强化效果；(5)Gd、Y在Mg中固溶度较高，且与Mg原子存在较大尺寸差异使镁晶格发生畸变，起到固溶强化效果。此外，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。

挤压制坯具有强烈的三向压应力状态，金属可发挥最大的塑性，通过挤压，可有效细化镁合金的晶粒组织，提高合金的强度和塑性，为后续模锻提供晶粒细小、塑性优良的挤压坯料。

为解决模锻过程中金属流动不均匀的难题，合理设计模具，采用上下模的单向模锻方式，并结合材料特点，合理设置模锻工艺参数，使得最后模锻成形的镁合金筒形件具有完整的金属流线。本发明采用一火次模锻快速成形，有效抑制动态再结晶及晶粒长大，有利于发挥形变强化及细晶强化效果，进一步提高合金强韧性。

模锻压下速度为5-20mm/s，保压时间为5-20s，优选模锻压下速度 10-15mm/s，保压时间10-15s，压下速度过慢，晶粒易长大，且温度降低甚至需要回炉保温进行多火次模锻，大幅削弱形变强化及细晶强化效果，导致模锻件力学性能降低；因此模锻时需要设置较快的压下速度，但是根据本材料特性，过快的压下速度，会使得金属流动不均匀，模锻件表面易开裂。

优选地，在进行所述挤压开坯前，将挤压模具预热至330-390℃，镁合金铸坯预热至280-340℃。

进一步地，在进行所述挤压开坯前，将挤压模具预热至360-380℃，镁合金铸坯预热至300-320℃并保温10-20min。

优选地，在进行所述多向自由锻造开坯前，锻造设备预热至350℃以上，挤压坯料预热至400-420℃，预热时间为2-4h。

进一步优选地，在进行所述多向自由锻造开坯前，锻造设备预热至 400-430℃，挤压坯料预热至400-415℃，预热时间为2-3h。

具体地，所述多向自由锻造开坯的拔长道次压下量为8-25％，首道次镦粗压下量为40-50％。多向锻造拔长采用多道次小变形拔长，拔长道次为30-40 次。

挤压可使铸棒内部晶粒细化，强烈的三向压应力状态，金属可发挥最大的塑性，大变形镦粗可加大合金动态再结晶驱动力，且大变形可使晶内位错密度增加，多道次拔长可消除表层难变形区域，使整个锻坯发生充分塑性变形，材料内部反复发生动态再结晶，最终实现细晶组织，强韧性提高，为后续模锻提供晶粒细小、塑性优良、近各向同性的预变形坯料。

优选地，在多向自由锻造过程中需换向，将挤压坯料的轴向调整为所述多向自由锻造开坯的径向，锻后预变形坯料的高径比为1.5-3。

优选地，在进行所述模锻成形前，将预变形坯料加热至400-420℃保温 1-3h。可以提前在模具腔内表面喷涂脱模剂，采用下顶出方式快速脱模。

具体地，所述时效热处理包括：首先在195-230℃下保温1-2h，随后在 170-190℃下保温8-12h。

本发明第二方面提供一种镁合金筒形件，该筒形件由上述的成形方法获得。

通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：

1、本发明工艺成本低，相比传统自由锻造方案，单件镁合金筒形件材料成本降低≥50％，后续机加工成本降低≥10％。

2、本发明工艺相比常用的筒形件制备工艺旋压方案，具有速度快、效率高等特点，且相比传统自由锻造方案，后续机加工用时降低2-3h，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的筒形件的实物图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

一种本发明的镁合金筒形件的成形方法，包括以下步骤：

(1)半连续铸造得到Mg-4Al-2.5Zn镁合金铸棒，表面车皮见光，经超声探伤后锯切下料成尺寸Φ500*600mm的铸锭，并进行420℃均匀化处理，保温15h，保温结束后自然冷却到室温。

(2)将铸锭进行工频炉预热处理，挤压模具和挤压筒预热至390℃，锭坯在工频炉加热至280℃保温10min后进行挤压，挤压比为3，挤压速度0.4mm/s，对挤压件进行下料，下料尺寸为Φ140*350mm。

(3)锻造前对上下砧板行预热处理，预热温度350℃，锻前对挤压坯料进行预热处理，预热温度为400℃，预热时间为2h。将挤压后的挤压坯料进行多向自由锻造，压下速度为10mm/s，镦粗首道次压下量40％，其余镦粗道次压下量为25％，拔长道次压下量8％，拔长30道次，自由锻造需换向，锻后锻坯轴向与锻前铸锭轴向为垂直关系，锻后尺寸为Φ160*320mm。

(4)将预变形制坯的坯料和模锻模具进行400℃回炉保温，保温时间 1h。然后利用模具模锻成形，模锻速率为5mm/s，保压时间5s。

(5)待模锻成形后，通过顶料杆和顶料垫块将筒形件顶出，空冷。冷却结束后，对镁合金筒形件进行195℃1h+170℃12h热处理，得到时效热处理后的镁合金筒形件，实物如图1所示。

实施例2

一种本发明的镁合金筒形件的成形方法，包括以下步骤：

(1)半连续铸造得到Mg-4.4Al-2.6Zn镁合金铸棒，表面车皮见光，经超声探伤后锯切下料成尺寸Φ500*800mm的铸锭，并进行415℃均匀化处理，保温20h，保温结束后自然冷却到室温。

(2)将铸锭进行工频炉预热处理，挤压模具和挤压筒预热至330℃，锭坯在工频炉加热至340℃保温10min后进行挤压，挤压比为15，挤压速度 1.6mm/s，对挤压件进行下料，下料尺寸为Φ125*540mm。

(3)锻造前对上下砧板行预热处理，预热温度410℃，锻前对挤压坯料进行预热处理，预热温度为420℃，预热时间为4h。将挤压后的挤压坯料进行多向自由锻造，压下速度为10mm/s，镦粗首道次压下量50％，其余镦粗道次压下量为35％，拔长道次压下量25％，拔长40道次，自由锻造需换向，锻后锻坯轴向与锻前铸锭轴向为垂直关系，锻后尺寸为Φ160*320mm。

(4)将预变形制坯的坯料和模锻模具进行420℃回炉保温，保温时间3h。然后利用模具模锻成形，模锻速率为20mm/s，保压时间20s。

(5)待模锻成形后，通过顶料杆和顶料垫块将筒形件顶出，空冷。冷却结束后，对镁合金筒形件进行230℃1h+190℃8h热处理，得到时效热处理后的镁合金筒形件。

实施例3

一种本发明的镁合金筒形件的成形方法，包括以下步骤：

(1)半连续铸造得到Mg-4.5Al-2.5Zn镁合金铸棒，表面车皮见光，经超声探伤后锯切下料成尺寸Φ500*800mm的铸锭，并进行420℃均匀化处理，保温16h，保温结束后自然冷却到室温。

(2)将铸锭进行工频炉预热处理，挤压模具和挤压筒预热至380℃，锭坯在工频炉加热至310℃保温8min后进行挤压，挤压比为3.5，挤压速度 1.2mm/s，对挤压件进行下料，下料尺寸为Φ140*350mm。

(3)锻造前对上下砧板行预热处理，预热温度390℃，锻前对挤压坯料进行预热处理，预热温度为415℃，预热时间为3h。将挤压后的挤压坯料进行多向自由锻造，压下速度为10mm/s，镦粗首道次压下量45％，其余镦粗道次压下量为30％，拔长道次压下量15％，拔长30道次，自由锻造需换向，锻后锻坯轴向与锻前铸锭轴向为垂直关系，锻后尺寸为Φ160*320mm。

(4)将预变形制坯的坯料和模锻模具进行415℃回炉保温，保温时间 2h。然后利用模具模锻成形，模锻速率为15mm/s，保压时间10s。

(5)待模锻成形后，通过顶料杆和顶料垫块将筒形件顶出，空冷。冷却结束后，对镁合金筒形件进行210℃1.5h+180℃10h热处理，得到时效热处理后的镁合金筒形件。

实施例4

一种本发明的镁合金筒形件的成形方法，包括以下步骤：

(1)半连续铸造得到Mg-4Al-2.5Zn镁合金铸棒，表面车皮见光，经超声探伤后锯切下料成尺寸Φ500*600mm的铸锭，并进行420℃均匀化处理，保温15h，保温结束后自然冷却到室温。

(2)将铸锭进行工频炉预热处理，挤压模具和挤压筒预热至380℃，锭坯在工频炉加热至300℃保温10min后进行挤压，挤压比为8，挤压速度 0.88mm/s，对挤压件进行下料，下料尺寸为Φ140*350mm。

(3)锻造前对上下砧板行预热处理，预热温度400℃，锻前对挤压坯料进行预热处理，预热温度为400℃，预热时间为3h。将挤压后的挤压坯料进行多向自由锻造，压下速度为10mm/s，镦粗首道次压下量40％，其余镦粗道次压下量为30％，拔长道次压下量15％，拔长30道次，自由锻造需换向，锻后锻坯轴向与锻前铸锭轴向为垂直关系，锻后尺寸为Φ160*320mm。

(4)将预变形制坯的坯料和模锻模具进行400℃回炉保温，保温时间 1h。然后利用模具模锻成形，模锻速率为5mm/s，保压时间5s。

(5)待模锻成形后，通过顶料杆和顶料垫块将筒形件顶出，空冷。冷却结束后，对镁合金筒形件进行200℃1h+180℃12h热处理，得到时效热处理后的镁合金筒形件。

实施例5

一种本发明的镁合金筒形件的成形方法，包括以下步骤：

(1)半连续铸造得到Mg-4Al-2.5Zn镁合金铸棒，表面车皮见光，经超声探伤后锯切下料成尺寸Φ500*600mm的铸锭，并进行420℃均匀化处理，保温15h，保温结束后自然冷却到室温。

(2)将铸锭进行工频炉预热处理，挤压模具和挤压筒预热至360℃，锭坯在工频炉加热至320℃保温20min后进行挤压，挤压比为10，挤压速度 1.3mm/s，对挤压件进行下料，下料尺寸为Φ140*350mm。

(3)锻造前对上下砧板行预热处理，预热温度430℃，锻前对挤压坯料进行预热处理，预热温度为415℃，预热时间为3h。将挤压后的挤压坯料进行多向自由锻造，压下速度为10mm/s，镦粗首道次压下量45％，其余镦粗道次压下量为30％，拔长道次压下量15％，拔长30道次，自由锻造需换向，锻后锻坯轴向与锻前铸锭轴向为垂直关系，锻后尺寸为Φ160*320mm。

(4)将预变形制坯的坯料和模锻模具进行415℃回炉保温，保温时间 1h。然后利用模具模锻成形，模锻速率为5mm/s，保压时间5s。

(5)待模锻成形后，通过顶料杆和顶料垫块将筒形件顶出，空冷。冷却结束后，对镁合金筒形件进行200℃1h+180℃12h热处理，得到时效热处理后的镁合金筒形件。

对实施例1-实施例5制得的筒形件进行力学性能测试，结果如表1所示。

表1实施例筒形件力学性能

从表1可以看出，实施例制得的筒形件均具有良好的力学性能，可见，本发明提供的成形方法可适于筒形件的工程化制备。

以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：将镁合金铸坯采用先挤压开坯后多向自由锻造开坯的方式开坯，得到预变形坯料，然后进行模锻成形，经冷却后再进行时效处理，得到镁合金筒形件；

其中，挤压开坯的挤压比为3-15，挤压速度为0.4-1.6mm/s；多向自由锻造开坯的压下速度为5-10mm/s，镦粗道次压下量为25-35％；模锻压下速度为5-20mm/s，保压时间为5-20s。

2.根据权利要求1所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，在进行所述挤压开坯前，将挤压模具预热至330-390℃，镁合金铸坯预热至280-340℃。

3.根据权利要求2所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，在进行所述挤压开坯前，将挤压模具预热至360-380℃，镁合金铸坯预热至300-320℃并保温10-20min。

4.根据权利要求1所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，在进行所述多向自由锻造开坯前，锻造设备预热至350℃以上，挤压坯料预热至400-420℃，预热时间为2-4h。

5.根据权利要求4所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，在进行所述多向自由锻造开坯前，锻造设备预热至400-430℃，挤压坯料预热至400-415℃，预热时间为2-3h。

6.根据权利要求1所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，所述多向自由锻造开坯的拔长道次压下量为8-25％，首道次镦粗压下量为40-50％。

7.根据权利要求1所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，将挤压坯料的轴向调整为所述多向自由锻造开坯的径向，锻后预变形坯料的高径比为1.5-3。

8.根据权利要求1所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，在进行所述模锻成形前，将预变形坯料加热至400-420℃保温1-3h。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的镁合金筒形件的成形方法，其特征在于，所述时效热处理包括：首先在195-230℃下保温1-2h，随后在170-190℃下保温8-12h。

10.一种镁合金筒形件，其特征在于，由权利要求1至9中任一项所述的成形方法获得。

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