一種小變形量制備大塊納米晶鎂合金的方法
【專利摘要】一種小變形量制備大塊納米晶鎂合金的方法，包括：鎂合金熔煉、冷塑性變形、低溫短時熱處理三道工序，其特征在于：合金熔煉時添加少量的Ag元素；澆鑄成錠后，在室溫下施以小變形量的冷塑性變形；變形后樣品在較低溫度進行短時間熱處理，經(jīng)過1～8道次重復冷塑性變形和熱處理后，最終獲得晶粒尺寸均勻的納米晶(40～100nm)鎂合金材料。
【專利說明】
-種小變形量制備大塊納米晶鎮(zhèn)合金的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及的是一種新型納米晶材料的制備技術，具體是一種適用于儀合金的， 小變形量的制備大塊納米晶材料的技術。
【背景技術】
[0002] 儀合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，在國防軍事、航空航天、汽車、電 子通信等領域中正得到日益廣泛的應用。相比于侶合金、鐵合金等其他輕金屬結構材料，儀 合金的強度和初性都較差。為了提高儀合金的強度，通過塑性變形細化儀合金晶粒是一種 有效的手段。大塑性變形技術簡稱(SPD)具有顯著的細化晶粒能力，可W將材料的晶粒組織 細化到亞微米甚至納米級，被國際材料學界公認為是制備塊體納米和超細晶材料的最具前 途的方法。但是，大塑性變形技術通常需要對材料施W高應變量，在實施時存在模具、設備 成本高，工藝連續(xù)性差，樣品尺寸小等許多缺點。并且由于儀合金是密排六方結構，塑性變 形能力差，施加的高應變量往往會導致儀合金在變形過程中破裂。因此，運些缺點嚴重地阻 礙了大塑性變形技術在實際生產(chǎn)中的應用。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號化200710045628.3，發(fā)明名稱:制備大 塊超細晶材料的鐵壓模具，該專利采用上、下型腔構成的分型模具，通過利用與上型腔截面 相同的沖頭，對位于上型腔內(nèi)的材料施壓，材料在此壓力作用下進入下型腔。由于上、下型 腔形狀完全相同但成90°夾角，使每道次鐵壓變形后，經(jīng)歷劇烈剪切變形的材料恢復到原來 形狀。沖頭退回，打開模具銷釘取出材料后，可再次放入上型腔進行第二道次鐵壓加工。該 技術的特點如下：（1)制備的材料晶粒尺寸細小，可達到1 OOnm~1皿;（2)加工的材料受到強 烈剪切作用，變形量大，且不易發(fā)生破裂；（3)可W制備大塊的試樣，塊體在加工前后形狀相 同，可W實現(xiàn)多道反復加工來累計應變量，從而達到細化晶粒的作用。該技術是大塑性變形 技術近年來開發(fā)的比較成功的一種新型大塑性變形技術，它在一定程度上改善了大塑性變 形樣品尺寸太小，無法滿足工業(yè)化應用的缺陷，并且在儀侶、儀娃和儀稀上合金上已經(jīng)得到 了成功的應用。但是，由于儀合金本身的變形能力很差，利用該技術變形儀合金時需要在高 溫下進行，而在較高的溫度下，儀合金的晶粒尺寸長大明顯，因此該技術所制得的儀合金樣 品晶粒尺寸較大，無法達到納米級或亞微米級。
[0004] 進一步檢索發(fā)現(xiàn)，H. Q. Sun等人在《Acta Material ia》材料學報，2007，55:975-982 上發(fā)表的('P1 曰sticstr曰in-induced 邑rain refinement in the nanometer scale in 曰 Mg alloy"(塑性應變誘發(fā)晶粒細化制備納米儀合金)一文中，介紹了一種表面納米化技術， 該技術可W在AZ91D儀合金表面得到晶粒尺寸為30nm左右的納米層，適用于板材加工。但 是，運種表面納米化技術只能在樣品表面形成幾百微米的影響層，若板材厚度較厚，則運種 納米化的細晶層對材料整體的力學性能的影響就很不明顯。而且通過表面納米化制備的儀 合金板材表面質(zhì)量較差，存在大量表面氧化和開裂現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種小變形量制備納米晶儀合金的方 法。所用的變形方式可W是擠壓、社制、鍛造等常規(guī)工業(yè)化塑性變形技術，通過添加合金元 素 Ag降低儀合金的再結晶溫度，并利用Ag元素的界面偏析性質(zhì)，阻礙再結晶晶粒的長大，實 現(xiàn)大塊均勻的納米晶儀合金塊體材料的制備。
[0006] 本發(fā)明是通過W下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括W下步驟：
[0007] 第一步，合金烙煉:在烙煉儀時，將儀重量的2 %~8 %的Ag顆粒加入烙液里。所述 的添加溫度為720°C，誘鑄溫度為700°C，誘鑄所用金屬型模具預熱溫度為200°C。
[000引第二步，塑性變形:在室溫下對合金進行20 %~40 %應變量的變形，具體可選擇擠 壓、社制、鍛造等各種常規(guī)工業(yè)塑性變形技術。
[0009] 第=步，低溫短時退火處理:在250~300°C對變形后的材料進行1~30分鐘的退火 處理。
[0010] 第四步，重復第二步至第=步操作1~8次，直至獲得均勻的納米晶塊體材料。
[0011] 本發(fā)明包括W下技術效果：
[0012] 1.本發(fā)明專利采用常規(guī)擠壓、社制、鍛造等工業(yè)化塑性變形技術，僅對材料施加 20%~40%的小變形量。運個程度的變形量一方面是向儀合金內(nèi)引入了較多位錯等缺陷， 另一方面則是由于較低的變形量是儀合金材料在室溫加工時可W承受的程度，確保不會發(fā) 生材料斷裂失穩(wěn)現(xiàn)象。室溫加工可W有效的抑制儀合金晶粒長大，為得到納米晶材料提供 了必要的條件。
[001引2.本發(fā)明專利采用在儀合金烙煉時，添力睡量比為2 %~8 %的Ag元素。根據(jù)儀-銀 二元相圖可知，300°CW下時，Ag元素在儀基體中溶解度很低。在進行低溫熱處理時，Ag元素 會很快的從儀基體里析出并形成團簇。運些原子團簇為儀合金的再結晶提供形核條件，從 而有效的降低儀合金的再結晶溫度，進而抑制儀合金再結晶晶粒的長大。
[0014] 3.本發(fā)明專利采用對室溫變形后的材料進行250~300°C，1~30分鐘的低溫短時 退火處理。運一熱處理工藝是在綜合考慮儀合金再結晶和晶粒長大速率的前提下得到的。 當溫度高于該溫度范圍時，儀合金的晶粒會發(fā)生快速長大現(xiàn)象，不易獲得納米級的細小晶 粒；當溫度低于該溫度范圍時，室溫變形后的儀合金又不會發(fā)生明顯的動態(tài)再結晶過程。此 夕h熱處理時間也是根據(jù)運一準則，在獲得再結晶晶粒的前提下，盡量避免晶粒長大，因此 選擇的退火時間為1~30分鐘。
[0015] 4.本發(fā)明專利巧妙的將合金元素的脫溶與動態(tài)再結晶過程相結合，解決了儀合金 冷塑性成形易于斷裂失穩(wěn)，熱塑性成形細化效果不好的難題。利用該方法可W很容易制備 晶粒尺寸范圍為40~lOOnm，大塊且均勻的儀合金納米材料。該方法能實現(xiàn)一般大塑性變形 的細化效果，并可W制備塊體材料，適用于工業(yè)生產(chǎn)和應用。
[0016] 5.本發(fā)明專利加工工藝簡單，投資少，安全系數(shù)較高，生產(chǎn)效率高。
[0017] 6.本發(fā)明專利所設及的模具結構簡單，模具加工成本低，并且可制備板材、棒材、 塊體等多種材料。而且模具加熱方便，易于控制加工溫度，工藝的可重復性高。
[0018] 7.本發(fā)明專利所制備的納米晶儀合金材料的力學性能相比于鑄態(tài)有了顯著的增 強。
【附圖說明】
[0019] 圖1為實施例工藝流程示意圖
[0020] 圖2為Mg-Ag二元相圖
[0021] 圖3為鑄造儀合金的金相照片
[0022] 圖4為室溫社制30 %的儀合金的TEM明場像
[0023] 圖5為低溫短時熱處理后的儀合金納米晶材料的TEM明場像及晶粒尺寸統(tǒng)計
[0024] 表1為納米晶儀合金與鑄態(tài)力學性能的對比數(shù)據(jù)表
[0025]

【具體實施方式】
[0026] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在W本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0027] 如圖1所示，W下實施例設及=步工序包括:合金烙煉、室溫社制和低溫短時熱處 理，其中：
[00%]所述的儀合金在烙煉過程中添加重量百分比5%的Ag顆粒，添加溫度為720°C，并 在(兩者體積比)98%C02+2%SF6的烙煉保護氣氛下充分攬拌儀烙液且靜置15分鐘后進行誘 鑄。合金的誘鑄溫度為700°C，誘鑄所用金屬型模具預熱溫度為200°C。如圖2所示，從Mg-Ag 二元相圖上看可知，Ag元素在300°C W下的溶解度很低，小于0.5%的重量比。
[0029] 在所得鑄錠上切取20mm X 30mm X 6mm的小塊樣品，打磨表面和棱角。如圖3所示的 鑄造 Mg-Ag合金的微觀結構，可W看出此時的晶粒尺寸為100皿W上，由于金屬的冷卻速度 較快，晶粒內(nèi)部存在一些退火李晶。在室溫下對該樣品進行社制變形，社漉轉(zhuǎn)速為4rpm。調(diào) 整社漉間距，使每次下社變形量為5%~10%，當變形量達到30%時停止社制。如圖4所示的 是室溫社制后的Mg-Ag合金的微觀結構照片，此時晶粒尺寸并未出現(xiàn)明顯細化，但在晶粒內(nèi) 部位錯，李晶等缺陷密度非常高。
[0030] 對所得的室溫社制樣品進行275°C，10min的短時低溫退火處理，如圖5所示的熱處 理后的微觀結構，可W看出儀合金出現(xiàn)了非常明顯的晶粒細化，將圖中的晶粒尺寸進行統(tǒng) 計后發(fā)現(xiàn)所得儀合金的主要晶粒尺寸范圍為40~lOOnm。
[0031] 重復社制和退火兩道工序2次，確保整塊樣品充分納米化，完成加工。
[0032] 與鑄態(tài)相比，利用該方法制備的納米晶材料的屈服強度由鑄態(tài)的60MPa提高到 1201口曰，斷裂強度則由1701化提高到2301口曰，斷裂延伸率則由鑄態(tài)的10%上升到17%。
【主權項】
1. 一種小變形量制備大塊納米晶鎂合金的方法，包括:鎂合金熔煉、冷塑性變形、熱處 理三步工序，其特征在于:在700~750 °C時向鎂熔液中添加鎂重量的2~8%的銀顆粒，在體 積比為98%C02+2%SF6的熔煉保護氣體作用下對熔液進行充分攪拌，使Ag顆粒充分溶解，靜 置15分鐘，并在700°C的溫度下進行澆鑄;澆鑄成錠后，在室溫下或室溫以下對鑄造所得鎂 合金進行20 %~40 %的塑性變形，變形后進行熱處理，最終獲得納米晶鎂合金材料。2. 根據(jù)權利要求1所述的小變形量制備納米晶鎂合金的方法，其特征是:所述的塑性變 形是擠壓、乳制、鍛造或沖壓。3. 根據(jù)權利要求1所述的小變形量制備納米晶鎂合金的方法，其特征是:熱處理的特征 是，退火溫度為250~300°C，退火時間是1~30分鐘。4. 根據(jù)權利要求1所述的小變形量制備納米晶鎂合金的方法，其特征是:冷塑性成形和 熱處理兩道工序重復1~8次。
【文檔編號】C22C1/02GK106048269SQ201610589439
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610589439.1, CN 106048269 A, CN 106048269A, CN 201610589439, CN-A-106048269, CN106048269 A, CN106048269A, CN201610589439, CN201610589439.1
【發(fā)明人】周浩, 肖禮容, 沙學超, 王立華, 毛圣成, 韓曉東, 張澤
【申請人】北京工業(yè)大學