CN110512129A - 一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高强镁合金棒材的锻扭集成工艺。所述镁合金质量百分比成分为：Mg‑8.0~9.6Gd‑1.8~3.2Y‑0.3~0.7Zr，杂质包括Fe、Si、Cu、Ni及其他不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.02%，Si≤0.02%，Cu≤0.005%，Ni≤0.003%，杂质总含量不超过0.1%。工艺路线为：半连续铸造、均匀化退火、热挤压成棒材，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为10‑15μm，然后沿棒材径向进行旋锻变形，控制旋锻温度为10~150℃，控制道次变形量为6~12%，总变形量为6~25%，控制进料速度为3~6mm/min，最后进行自由端扭转变形，控制扭转温度为10~100℃，控制道次扭转剪切应变为5~30%，控制扭转速度为5~100°/min。最终制得抗拉强度≥460MPa，屈服强度≥370MPa，断后伸长率≥6.5%的镁合金棒材。
Description
技术领域
本发明涉及超高强变形镁合金领域，特别涉及Mg-Gd-Y-Zr稀土镁合金的旋锻变形与扭转变形领域。
技术背景
镁合金由于具有低的密度，高的刚度、比强度以及易于回收等特点，被誉为“21世纪绿色工程材料”，作为新一代的轻质结构材料，其优异的减重性在航天航空、轨道交通等领域的运用有着重要的意义。但是，阻碍镁合金大规模运用的技术瓶颈之一就是镁合金力学性能较差，难以满足服役环境所需的性能要求，运用时存在一定的安全隐患。相比于铸造镁合金，变形镁合金由于具有更优异的力学性能而受到了越来越多的关注，研究和运用。因此，探索制备超高强度镁合金的新技术以提高镁合金强度，是变形镁合金领域的重要研究目标。对于变形镁合金的推广具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种制备超高强变形镁合金的锻扭集成工艺。其目的是为了制备超高强度的变形镁合金，所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0~9.6Gd-1.8~3.2Y-0.3~0.7Zr，首先采用半连续电磁铸造方法制取镁合金锭坯，将镁合金锭坯进行均匀化热处理后通过热挤压获得棒材，然后沿径向对挤压棒材进行旋锻变形，最后对旋锻后的棒材进行自由端扭转变形。采用此方法制得的镁合金棒材室温抗拉强度≥460MPa，屈服强度≥370MPa，断后伸长率≥6.5%。本发明中提出的具体工艺如下：
1.采用半连续铸造方法制备镁合金铸锭，铸锭浇铸结束后立即进行去应力退火；
2.将铸锭进行均匀化处理，然后随炉冷却至室温；
3.对铸锭进行车皮，探伤，锯床下料，得到圆柱形锭坯。
4.将圆柱形锭坯进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为10-15μm。
5.沿挤压棒材径向进行旋锻变形，控制旋锻温度为10~150℃，控制道次变形量为5~20%，总变形量为5~30%，控制进料速度为3~6mm/min。
6.将旋锻后的棒材进行自由端扭转变形，控制扭转温度为10~100℃，控制道次扭转剪切应变为5~30%，控制扭转速度为5~100°/min。
所述旋锻变形，控制旋锻温度为10~100℃。
所述旋锻变形，控制旋锻总变形量6~20%。
所述旋锻变形，控制进料速度为4~6mm/min。
所述自由端扭转变形，控制扭转温度为10~50℃。
所述自由端扭转变形，控制棒材扭转剪切应变为10~30%。
所述自由端扭转变形，控制扭转速度为5~30°/min。
本发明的优点有：
1．将镁合金先进行热挤压变形可降低铸造合金内部的缺陷数量和尺寸，获得晶粒细小的动态再结晶组织，提高合金变形塑性，提高后续冷变形过程中的道次变形量和总变形量，提高合金强度。
2．将热挤压形成的挤压棒进行旋锻变形，旋锻变形可实现高的静水压应力，降低镁合金的开裂倾向，提高总变形量；旋锻变形还可实现高的应变速率，高应变速率可提高镁合金开裂前可累积的位错密度，高密度位错可诱发镁合金内部形成纳米量级；亚结构；旋锻温度过高时，变形时容易产生动态回复或再结晶，不仅使得晶粒内部的位错等缺陷湮灭，削弱加工硬化效应，动态再结晶还会使晶粒粗化，降低合金强度。在10-100℃旋锻时，不仅使合金棒材横截面的硬度整体上升，还可以在棒材心部获得高硬度区。旋锻总变形量大于30%，不仅易导致棒材开裂，而且会降低合金后续的塑性变形能力，降低后续扭转变形的变形量。若旋锻总变形量低于6%，则对材料的强化效果较弱。而且在室温下进行旋锻时，当总应变量为6%-30%，棒材表面的所能达到的最大剪切应变分别为46%-18%。
3．旋锻变形可以使棒材心部硬度远高于边部。而将旋锻后的样品进行扭转变形，可以细化棒材边部，诱发棒材边部产生剪切带，提高棒材边部硬度及强度。使用旋锻加扭转的集成工艺可以使得旋锻棒材沿径向的组织和力学性能更加均匀，达到更好的强化效果。扭转变形低于15%时，不足以激发剪切带的产生，应变高于30%时，容易诱发材料剪切失稳，产生裂纹，剪切应变量控制在15~30%时，棒材强化效果最佳。
4．采用半连续铸造方法制取镁合金锭坯，可减少夹杂、气孔、疏松、中心裂纹等缺陷。控制缺陷数量可降低其在后续变形过程中的开裂倾向，提高镁合金在后续旋锻变形和扭转变形过程中的成形性，提高可实现的总变形量。
具体实施方式
实施例1
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，道次变形量为6%，总变形量为6%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为17%,棒材表面总扭转剪切应变为17%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例2
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
e．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
b．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，道次变形量为6%，总变形量为6%，控制进料速度为4mm/min；
c．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为25%,棒材表面总扭转剪切应变为25%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例3
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
f．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
b．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，道次变形量为6%，总变形量为6%，控制进料速度为4mm/min；
c．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为18%,6%,4%,棒材表面总扭转剪切应变为28%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例4
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，道次变形量为12%，总变形量为12％，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为15%,棒材表面总扭转剪切应变为15%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得纳米异构镁合金进行力学性能测试，结果见表1。
实施例5
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，道次变形量为12%，总变形量为12％，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为23%,棒材表面总扭转剪切应变为23%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例6
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，6%，总变形量为12%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为15%,棒材表面总扭转剪切应变为15%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例7
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，6%，总变形量为12%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为10%，10%，5%,棒材表面总扭转剪切应变为25%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例8
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，6%，5%，总变形量为17%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为15%，棒材表面总扭转剪切应变为15%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例9
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，6%，5%，总变形量为17%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为23%，棒材表面总扭转剪切应变为23%，，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表1。
实施例10
a．所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b．将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c．将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，6%，5%，总变形量为17%，控制进料速度为4mm/min；
d．将旋锻棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为10%，10%,5%,棒材表面总扭转剪切应变为25%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得纳米异构镁合金进行力学性能测试，结果见表1。
比较例1
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%，总变形量为6%，控制进料速度为4mm/min。
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表2。
比较例2
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为12%，总变形量为12%，控制进料速度为4mm/min
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表2。
比较例3
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%,6%，总变形量为12%，控制进料速度为4mm/min；
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表2。
比较例4
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃进行旋锻变形，控制道次变形量为6%,6%,5%，总变形量为17%，控制进料速度为4mm/min；
根据GB/T228-2002对所得镁合金棒材进行力学性能测试，结果见表2。
比较例5
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为15%,棒材表面总扭转剪切应变为15%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得纳米异构镁合金进行力学性能测试，结果见表2。
比较例6
a.所述镁合金质量百分比成分为：Mg-8.0Gd-3.0Y-0.4Zr，采用半连续铸造方法制备镁合金锭坯，并进行均匀化热处理；
b.将均匀化处理后的合金坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为12μm；
c.将挤压棒材在20℃下进行扭转变形，控制棒材表面道次扭转应变为23%,棒材表面总扭转剪切应变为23%，扭转温度为20℃，扭转速度为10°/min。
根据GB/T228-2002对所得纳米异构镁合金进行力学性能测试，结果见表2。
表1
表2
Claims (7)
1.一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述镁合金质量百分比成分为：Gd：8.0-9.6%，Y：1.8-3.2%，Zr：0.3-0.7%，Gd与Y的质量比为：3≤Gd/Y≤5，其余为Mg，以及Fe、Si、Cu、Ni和其他不可避免的杂质元素，杂质元素的质量含量，Fe≤0.02%，Si≤0.02%，Cu≤0.005%，Ni≤0.003%，杂质总含量不超过0.1%，具体包括以下步骤：
采用半连续电磁铸造方法制备镁合金锭坯；
将镁合金锭坯进行均匀化热处理，将热处理后的坯料进行热挤压变形，得到的挤压棒为完全动态再结晶组织，平均晶粒尺寸为10-15μm；
沿挤压棒材径向进行旋锻变形，控制旋锻温度为10~150℃，控制道次变形量为6~12%，总变形量为6~25%，控制进料速度为3~6mm/min；
将旋锻后的棒材进行自由端扭转变形，控制扭转温度为10~100℃，控制道次扭转剪切应变为5~30%，控制扭转速度为5~60°/min。
2.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述旋锻变形，控制旋锻温度为10~100℃。
3.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述旋锻变形，控制旋锻总变形量6~20%。
4.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述旋锻变形，控制进料速度为4~6mm/min。
5.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述自由端扭转变形，控制扭转温度为10~50℃。
6.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述自由端扭转变形，控制棒材表面的扭转剪切应变为10~30%。
7.根据权利要求1所述一种制备超高强变形镁合金棒材的锻扭集成工艺，其特征在于：所述自由端扭转变形，控制扭转速度为5~30°/min。
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