一種低合金化鎂合金的變溫鍛造強(qiáng)化工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低合金化鎂合金的變溫鍛造強(qiáng)化工藝，鎂合金質(zhì)量百分比成分為：Al：2.50~3.50%、Zn：2.60~3.50%、Ti：0.30~0.80%、Y：0.10~0.50%，其余為Mg及不可去除的雜質(zhì)元素，該工藝包括以下步驟：A:將坯料在380~420℃下保溫0.5~4小時后進(jìn)行多向鍛造開坯；B:將坯料在300~350℃下保溫0.5~1小時后進(jìn)行多向鍛造；C:待坯料溫度降至200~250℃進(jìn)行多向鍛造；D:將坯料在280~300℃下保溫0.5~2小時后進(jìn)行鍛造成形。本發(fā)明通過調(diào)控各步驟工藝參數(shù)，成功制備出高強(qiáng)度的低合金化鎂合金鍛件，大幅度降低了高性能鎂合金的制造成本，對拓展鎂合金在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用方面具有重大的推動意義。
【專利說明】
一種低合金化鏌合金的變溫鍛造強(qiáng)化工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種低合金化鎂合金變溫鍛造工藝，屬于鎂合金鍛造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金具有比強(qiáng)度比剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，并具有很好的電磁屏蔽、阻尼減振 性、切削加工性以及加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天領(lǐng)域、國防軍工領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng) 域以及3C領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有鎂合金的強(qiáng)度低、韌性差、成本高等缺點(diǎn)限制了 其在航天航空和汽車工業(yè)領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用，因此如何提高強(qiáng)鎂合金的強(qiáng)度，降低成本一 直是世界各國的研究熱點(diǎn)。Mg-Al-Zn系合金(如:AZ80、AZ31、AZ91等）已被廣泛的用于各個 領(lǐng)域。我國豐富的稀土資源為開發(fā)研究稀土鎂合金提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。人們對Mg-Al-Zn合 金進(jìn)行了大量理論研究，研究結(jié)果表明，稀土元素釓、釔的加入可以通過影響合金的沉淀析 出動力學(xué)和沉淀相的體積分?jǐn)?shù)而提高合金的性能；另一方面鋯元素的加入可顯著細(xì)化合金 晶粒，從而進(jìn)一步改善合金的力學(xué)性能。然而，目前對該合金的研究主要還處在實驗室階 段，至今還沒有研制出可廣泛應(yīng)用于工業(yè)實際的低成本、高強(qiáng)度鎂合金材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對一種低成本Mg-Al-Zn合金，發(fā)明一種梯度變溫多向鍛造工藝來達(dá)到高 強(qiáng)度的效果，進(jìn)而提高合金的力學(xué)性能，拓展其應(yīng)用范圍。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種低合金化鎂合金的變溫鍛造強(qiáng)化工藝，鎂合金質(zhì) 量百分比成分為：A1:2.50 ~3.50 %、Zn :2.60 ~3.50 %、Ti :0.30 ~0.80 %、Υ:0· 10 ~ 0.50%，其余為Mg及不可去除的雜質(zhì)元素，該工藝包括以下步驟：
[0005] A:將坯料在380~420 °C下保溫0.5~4小時后進(jìn)行多向鍛造開坯；
[0006] B:將坯料在300~350°C下保溫0.5~2小時后進(jìn)行多向鍛造；
[0007] C:待坯料溫度降至200~250 °C進(jìn)行多向鍛造；
[0008] D:將坯料在280~300 °C下保溫0.5~2小時后進(jìn)行鍛造成形。
[0009]進(jìn)一步地，步驟A、B、C中的多向鍛造均是在三個正交方向依次循環(huán)鍛造。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟A中，當(dāng)坯料表面溫度低于320 °C時停鍛。
[0011] 進(jìn)一步地，步驟B中，多向鍛造為大變形量多向鍛造。
[0012] 進(jìn)一步地，步驟B中，當(dāng)坯料表面溫度低于280°C時停鍛。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟c中，多向鍛造為小變形量多向鍛造。
[0014]進(jìn)一步地，步驟A中，多向鍛造開坯前將液壓機(jī)的砧板溫度加熱至400~420°C;鍛 造時控制壓下速度10~15mm/s、道次變形量15~20 %、總壓下道次3~6次。
[0015]進(jìn)一步地，步驟B中，多向鍛造前將液壓機(jī)的砧板溫度加熱至350~380°C ;鍛造時 控制壓下速度10~15mm/s、道次變形量30~40%、總鍛造道次6~12次。
[0016]進(jìn)一步地，步驟C中，多向鍛造前將液壓機(jī)的砧板溫度加熱至230~280°C ;鍛造時 控制壓下速度8-10mm/s、道次變形量5~10%、總鍛造道次>12次。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟D中，鍛造成形為單向、多向或模鍛成形，控制總變形量>50%。。
[0018] 本發(fā)明針對合金質(zhì)量百分比成分為（wt. % ) :A1:2.50~3.50%、Zn: 2.60~ 3.50%、Ti :0.30~0.80%、Y:0.10~0.50%，其余為Mg及不可去除的雜質(zhì)元素。合金鑄錠是 通過半連續(xù)鑄造方式制備。澆鑄成形后機(jī)械去除鑄錠外表皮。為消除或減弱非平衡凝固過 程中形成的樹枝晶對變形的不利影響，鑄錠經(jīng)420°C保溫15小時均勻化處理。鑄態(tài)合金變形 能力差，為提高合金的變形能力，在高溫下沿坯料的三正交方向進(jìn)行鍛造開坯。鍛造前坯料 在380~420°C下保溫0.5~4h，并加熱上下砧板至溫度400~420°C。鍛造開坯過程在液壓機(jī) 上進(jìn)行，壓下速度l〇-15mm/s、道次變形量15~20%、總壓下道次3~6次，當(dāng)坯料表面溫度低 于320°C時停鍛。鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，常溫下可開動的滑移系較少，變形能力差。較高的 變形溫度使鎂合金的棱柱面及棱錐面的滑移系開動。同時，高溫下可充分激活動態(tài)再結(jié)晶 過程，不僅為變形提供持續(xù)軟化過程，而且可改善鑄態(tài)組織，為后續(xù)的變形提供保證。
[0019] 高溫下鎂合金的變形能力較好，但動態(tài)在結(jié)晶的形核尺寸較大，晶界迀移能力強(qiáng)， 新生晶粒長大明顯，因此起不到良好的細(xì)化晶粒效果。鎂合金的力學(xué)性能對晶粒尺寸十分 敏感，晶粒越細(xì)其力學(xué)性能越好。因此單純高溫鍛造，起不到顯著的提高強(qiáng)韌化的效果。本 發(fā)明為得到晶粒充分細(xì)化的組織，設(shè)計了第二階段的中溫大變形量鍛造。鍛造前坯料在300 ~350°C下保溫0.5~2小時，同時加熱上下砧板至350~380°C，然后在液壓機(jī)上沿三正交方 向進(jìn)行大變形量鍛造。鍛造過程中控制壓下速度10~15mm/s、道次變形量30~40%、總鍛造 道次6~12次，當(dāng)坯料表面溫度低于280°C時停鍛。
[0020] 相對低的溫度及較大的變形量可導(dǎo)致晶粒嚴(yán)重細(xì)化，然而坯料內(nèi)部依然存在著一 些較大晶粒，這些晶粒主要來源兩個方面。一方面:變形初期不同晶粒間的變形不均勻，導(dǎo) 致再結(jié)晶晶粒在某些區(qū)域優(yōu)先生成，優(yōu)先形成的再結(jié)晶區(qū)域很容易吸納變形，后續(xù)變形主 要集中在這一區(qū)域，導(dǎo)致一些原始粗晶內(nèi)變形不深入，而形成了殘留的原始晶粒。另一方面 一些動態(tài)再結(jié)晶晶粒的異常長大，也是粗晶的主要來源之一。如果后續(xù)能將這些粗晶進(jìn)一 步細(xì)化，可使得合金的力學(xué)性能進(jìn)一步提高。因此本發(fā)明針對這一目的，設(shè)計了第三階段的 低溫小變形量多向鍛造。待坯料降溫度降至200~250°C時沿三正交方向依次循環(huán)鍛造。鍛 造前加熱砧板至溫度230~280°C，鍛造過程中控制壓下速度8-lOmm/s、道次變形量5~ 10%、總鍛造道次>12次。低溫變形時會在粗晶內(nèi)部引入大量的孿晶(粗晶中更容易發(fā)生孿 生變形），這些孿晶在后續(xù)的退火或熱變形過程中為再結(jié)晶提供形核場所，進(jìn)而起到細(xì)化粗 晶的作用。這里溫度的選擇是能否在粗晶中引入孿晶的關(guān)鍵因素之一，過低的溫度會導(dǎo)致 開裂，過高的溫度很難在基體中引入孿生變形。同時，三個循環(huán)的加載方向，使得孿生在更 多的基體晶粒內(nèi)發(fā)生。待晶粒充分細(xì)化后，進(jìn)行最終鍛造成形。鍛造前在280~300°C下保溫 坯料0.5~2小時，然后后進(jìn)行終鍛成形。終鍛成形可進(jìn)行單向、多向或模鍛成形，控制總變 形量>50 %。
[0021] 合金坯料經(jīng)四個步驟鍛造后其力學(xué)性能明顯提高，屈服強(qiáng)度>250MPa、抗拉強(qiáng)度〉 350MPa、斷后伸長率>10%。（均勻化態(tài)合金的拉伸性能：屈服強(qiáng)度：約130MPa、抗拉強(qiáng)度： 189MPa、斷后伸長率約8% )
[0022] 該發(fā)明針對一種低合金化鎂合金，通過四個工藝步驟的有結(jié)合，成功的制備了具 有高性能、低成本的鎂合金零部件。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是，針對特定的鎂合金，采用新穎的工藝步驟，通過大量的試驗 獲得工藝之間的相互制約、影響的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)控各步驟工藝參數(shù)，成功制備出 高強(qiáng)度的低合金化鎂合金鍛件，大幅度降低了高強(qiáng)鎂合金的制造成本，對拓展鎂合金在航 空航天、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用方面具有重大的推動意義。
【具體實施方式】
[0024] 實施例 1:半連續(xù)鑄造方式澆鑄出 Φ 230mm的Mg-2 · 82A1-2 · 73Zn-0 · 31Ti-0 · 48Y (wt. % )的鎂合金鑄錠，機(jī)械車皮后進(jìn)行420°C保溫15小時的均勻化退火。第一步鍛造前坯 料加熱至420°C保溫4小時，同時加熱上下砧板溫度至420°C，然后在進(jìn)行三個正交方向鍛 造，壓下速度15~20mm/s、道次變形量15~20%、總鍛造道次6次，當(dāng)坯料表面溫度低于320 °(：停止鍛造。坯料回爐退火，退火溫度350°C保溫1小時，并加熱上下砧板至溫度380°C，然后 進(jìn)行第二步驟鍛造。第二步鍛造依然采用三個正交方向依次循環(huán)鍛造方式、壓下速度10-15mm/s、變形量30~35%、鍛造道次12次，坯料表面溫度260~270°C時停鍛?？绽浣禍刂帘?面溫度250°C，并加熱上下砧板至溫度280°C開始第三步鍛造。第三步鍛造采用三正交方向 鍛造，變形速度8-lOmm/s，經(jīng)13道次后停鍛造。坯料再次回爐退火，退火溫度300°C保溫2h后 進(jìn)行第四步驟鍛造。第四步采用單向鍛造，一道次壓下變形量55%后停止鍛造。鍛壓后力學(xué) 性能列于表1.
[0025] 實施例2 :半連續(xù)鑄造方式澆鑄出 Φ 200mm的Mg-2 · 65A1-3 · 36Zn-0 · 52Ti-0 · 36Y (wt. % )的鎂合金鑄錠，機(jī)械車皮后420°C均勻化退火，保溫15小時后空冷至室溫。第一步鍛 造前坯料加熱至380°C保溫4小時，同時加熱上下砧板溫度至400°C，然后在進(jìn)行三個正交方 向鍛造，壓下速度l〇_15mm/s、道次變形量15~20%、鍛造道次5次，坯料表面溫度310~320 °(：停止鍛造。坯料回爐退火，退火溫度330°C保溫1小時，并加熱上下砧板至溫度350°C，然后 進(jìn)行第二步驟鍛造。第二步鍛造依然采用三個正交方向依次循環(huán)鍛造方式、壓下速度ΙΟ-? 5mm/s 、 變形量 30 ~ 35 % 、 鍛造道次 10 次， 坯料表面溫度 240 ~ 250°C 時停鍛 ，上下砧板溫度 實測240~250 °C。因此直接開始第三步鍛造，第三步鍛造采用三正交方向鍛造，變形速度8-lOmm/s，經(jīng)14道次后停鍛造。坯料再次回爐退火，退火溫度290°C保溫lh后進(jìn)行第四步驟鍛 造。第四步采用三正交方向鍛造，累計變形量60%后停止鍛造，其力學(xué)性能列于表1。
[0026] 實施例3 :半連續(xù)鑄造方式澆鑄出 Φ 200mm的Mg-3 · 23A1-2 · 84Zn-0 · 72Ti-0 · 25Y (wt. % )的鎂合金鑄錠，機(jī)械車皮后420°C均勻化退火，保溫15小時后空冷至室溫。第一步鍛 造前坯料加熱至380°C保溫1小時，同時加熱上下砧板溫度至400°C，然后在進(jìn)行三個正交方 向鍛造，壓下速度l〇-15mm/s、道次變形量15~20%、鍛造道次4,坯料表面溫度305~310°C 停止鍛造。坯料回爐退火，退火溫度300°C保溫0.5小時，并加熱上下砧板至溫度370°C，然后 進(jìn)行第二步驟鍛造。第二步鍛造依然采用三個正交方向依次循環(huán)鍛造方式、壓下速度ΙΟ-? 5mm/s 、 變形量 32 ~ 37 % 、 鍛造道次8次， 坯料表面溫度230 ~ 240 °C 時停鍛 。坯料回爐退火， 退火溫度240°C保溫lh，并加熱上下砧板至溫度250°C，開始第三步鍛造，第三步鍛造采用三 正交方向循環(huán)鍛造，變形速度8-lOmm/s，經(jīng)14道次后停鍛造。坯料再次回爐退火，退火溫度 290°C保溫lh后進(jìn)行第四步驟鍛造。第四步采用三正交方向循環(huán)鍛造，累計變形量60%后停 止鍛造，其力學(xué)性能列于表1。
[0027]表1.本發(fā)明實施例制備的合金力學(xué)性能表
【主權(quán)項】
1. 一種低合金化鎂合金的變溫鍛造強(qiáng)化工藝，其特征在于，鎂合金質(zhì)量百分比成分為： Al: 2 · 5(Κ3 · 50%、Zn: 2 · 60~3 · 50%、Ti :O · 3(M) · 80%、Y:O · I(M) · 50%，其余為Mg及不可去除的雜 質(zhì)元素，該工藝包括以下步驟： A:將坯料在380~420 °C下保溫0.5~4小時后進(jìn)行多向鍛造開坯； B:將坯料在300~350°C下保溫0.5~2小時后進(jìn)行多向鍛造； C:待坯料溫度降至200~250°C進(jìn)行多向鍛造； D:將坯料在280~300°C下保溫0.5~2小時后進(jìn)行鍛造成形。2. 如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟A、B、C中的多向鍛造均是在三個正交方 向依次循環(huán)鍛造。3. 如權(quán)利要求1-2任一項所述的工藝，其特征在于，步驟A中，當(dāng)坯料表面溫度低于 320 °C時停鍛。4. 如權(quán)利要求1-3任一項所述的工藝，其特征在于，步驟B中，多向鍛造為大變形量多向 鍛造，當(dāng)坯料表面溫度低于280°C時停鍛。5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的工藝，其特征在于，步驟C中，多向鍛造為小變形量多向 鍛造。6. 如權(quán)利要求1-5任一項所述的工藝，其特征在于，步驟A中，多向鍛造開坯前將液壓機(jī) 的砧板溫度加熱至400~420 °C;鍛造時控制壓下速度10~15mm/s、道次變形量15~20%、總壓下 道次3~6次。7. 如權(quán)利要求1-6任一項所述的工藝，其特征在于，步驟B中，多向鍛造前將液壓機(jī)的砧 板溫度加熱至350~380°C;鍛造時控制壓下速度10~15mm/s、道次變形量30~40%、總鍛造道次 6~12次。8. 如權(quán)利要求1-7任一項所述的工藝，其特征在于，步驟C中，多向鍛造前將液壓機(jī)的砧 板溫度加熱至230~280 °C;鍛造時控制壓下速度8-10mm/s、道次變形量5~10%、總鍛造道次〉 12次。9. 如權(quán)利要求1-8任一項所述的工藝，其特征在于，步驟D中，鍛造成形為單向、多向或 模鍛成形，控制總變形量>50%。10. 權(quán)利要求1-9中所述工藝制備的鎂合金，其特征在于：屈服強(qiáng)度>250MPa、抗拉強(qiáng)度〉 350MPa、斷后伸長率>10%。
【文檔編號】C22C23/02GK105951012SQ201610478737
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】肖宏超, 李軼, 熊雯瑛
【申請人】湖南航天新材料技術(shù)研究院有限公司