CN115255825A - 一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，属于金属材料加工技术领域。它包括以下步骤：S1、制备镁合金铸锭；S2、热轧镁合金铸锭，得镁合金板材；S3、在镁合金板材上，选择宽度与厚度相匹配的条状区域进行静态再结晶退火，塑性变形处理后切割该条状区域，得条状镁合金，沿轴向拉拔加工成镁合金线材。本发明目的是在使镁合金内部金属单晶通过热轧准二维化，之后热形变剪切获得条状镁合金，经过拉拔成线材，将内部金属单晶沿线材方向纤维化，大大提升金相内部单晶的轴径比，提升镁合金线材的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金线材的加工，尤其涉及一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度高和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果好、易回收、具有良好生物安全性等特点，近年来在汽车轻量化、生物医用领域等领域有广阔的应用前景。然而，常规变形的镁合金尽管具有相对好的变形能力，但其绝对强度低、耐腐蚀性差、高温强度和抗蠕变性能低等不足限制其广泛应用。新一代以镁合金线材为主体的镁合金材料逐步成为合金领域的主流应用产品。镁合金线材的结构力学强度、可塑性及腐蚀速率是其实现应用的关键。
类似常规线材加工技术，镁线材一般通过简单的拉拔工艺获得，整个线材加工过程中镁合金显微组织、力学性能和耐腐蚀性能在此过程并未得到改善。镁合金线材力学性能的提升仅仅依靠合金线材的布局设计，而非来自镁合金线材本身结构强度等指标的提升。并且，常规热拉拔技术制备镁合金线材过程中，易发生回复和再结晶，从而使丝材的晶粒继续长大，综合力学性能下降，不利于连续拉拔，另外高温使丝材的加工硬化效果减弱，强度下降，在出模口拉拔丝材频繁发生断丝。
亦有现有技术采用室温多道次冷拔工艺，单道次变形量7～12％，累积变形量50～60％，退火温度400～420℃，退火时间1～3min，通过室温冷拔与再结晶退火配合，顺利将直径2～3mm的细晶镁合金线材加工到直径0.22mm。该工艺方法已成为一种较为成熟的常规变形镁合金线材生产方法，但该拉拔工艺对原材料晶粒尺寸要求必须是细晶，其选择热挤压线材为原材料时要求晶粒尺寸小于20μm，这极大的限制了镁合金的种类，仅有少许种类小晶相结构的镁合金可以采用此工艺进行加工。
因此，一种能够有效改善镁合金线材力学参数的加工方法及镁合金组份配比，是目前镁合金线材加工领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种高轴径比晶相结构的镁合金线材制备工艺，旨在使镁合金内部金属单晶通过热轧准二维化，之后热形变剪切获得条状镁合金，经过拉拔成线材，将内部金属单晶沿线材方向纤维化，大大提升金相内部单晶的轴径比，提升镁合金线材的力学性能，解决了现在的镁合金线材加工方法受限因素较多，加工效率低、所加工镁合金线材晶相发生变化导致线材强度降低的问题。
本发明采取以下技术方案来实现：
一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，包括以下步骤：
S1、制备镁合金铸锭；
S2、热轧镁合金铸锭，得镁合金板材，再经过热轧使其厚度为2-5mm；
S3、在镁合金板材上，选择宽度与厚度相匹配的条状区域进行静态再结晶退火，塑性变形处理后切割该条状区域，得条状镁合金，沿轴向拉拔加工成镁合金线材。
优选的，在S1中，镁合金铸锭由镁合金原料按配比制备而得，按质量分数计，所述镁合金原料包括Zn 0.2％-2.5％、Y 0.1％-4.1％、Mg余量；
所述镁合金铸锭制备后，进行表面处理,优选的，表面处理包括机械打磨，碱溶液除油，酸溶液活化，水洗，烘干。
优选的，在进行S2之前，先进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为500～600℃，以0.9-1.1℃/min升至热处理温度，保温10h-13h，随后在50℃-70℃水中冷却。
优选的，在S2中，镁合金铸锭热轧形成镁合金板材后，多次热轧至镁合金板材的厚度为2-5mm，每次热轧至原厚度的20％-25％。
优选的，所述S2包括以下步骤：
S2.1将镁合金铸锭加工成厚50-70mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为400-450℃，加热时间为3-4h；
S2.2将上述镁合金板材加工成厚10-20mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为350-400℃，加热时间为3-4h；
S2.3将上述镁合金板材加工成厚2-5mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为250-300℃，加热时间为2-3h。
优选的，在S3中，宽度与厚度相匹配的条状区域进行静态结晶再处理时的退火温度为200-250℃，时间为10min；进一步的，进行静态结晶再处理时的退火温度为250℃；
塑性变形处理为采用退火温度为245-255℃，时间为5-10min的静态退火工艺加工的热塑性变形处理；
所述条状镁合金板材条状区域的宽度与厚度之比为0.9～1.1:1，进一步的，所述条状镁合金板材的宽度与厚度值相等；
沿轴向拉拔加工成镁合金线材的过程中，单道次变形量为20-25％，采用结晶退火温度为400-450℃，时间为5-10min的结晶退火热处理；进一步的，拉拔过程中结晶退火温度为400℃，时间为10min，单道次变形量为20％，拉拔速度为0.05m/s；
所述镁合金线材的直径为0.3-1mm。
本发明的有益效果是：
1、将镁合金铸锭多次热轧，获得厚2～5mm的镁合金板材，使得镁合金内部金属单晶在热轧平面上向二维伸展，降低金属单晶垂直于热轧面的Z轴方向的长度；
2、在镁合金板材平面方向上选择条状区域进行塑性变形处理，将该塑性变形处理条状区域切割取下获得条状镁合金，沿轴向拉拔加工成镁合金线材。该步骤将热轧成准二维平面的金属单晶切割并通过塑性变形处理对单晶进行再结晶获得更小体积的金属单晶，进一步缩小条状镁合金中金属单晶的尺寸，该塑性变形区域即为晶粒细化的静态再结晶条带区域。之后采取沿轴向拉拔的方法将该小体积的金属单晶进一步沿条状镁合金的轴向拉长，获得高轴径比晶相结构的镁合金线材；
3、根据金相图可以看出，经过拉伸后的镁合金线材中，晶相图显示其各晶粒交叉排布，晶体粒径大幅度降低，原有的球状晶粒几乎变得不可见，以条状混绕态大轴径比的单晶形式存在。最终使得镁合金线材的拉伸性能大幅度提升，抗拉强度可以达到420MPa，延伸率达到16％以上。
附图说明
图1为实施例1镁合金板材的晶粒尺寸分布图；
图2为实施例2镁合金板材的晶粒尺寸分布图；
图3为本发明未经拉伸的镁合金线材的金相图；
图4为本发明经拉伸的镁合金线材的金相图。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例中，Mg-2Zn-0.2Y合金，成分按重量百分比：2％Zn，0.2％Y，余量为Mg。
高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺,包括以下步骤：
S1、按重量百分比计，将预先熔炼的Mg-Zn合金锭预热到300℃，放入坩埚电阻炉中升温至700℃恒温10min完全熔化后，快速加入称好的Mg-Y中间合金，保温15min后搅拌1min，浇入金属型模具中，浇铸成铸锭，去除表面缺陷和杂质，合金的熔炼均在CO2和SF6混合气体的保护气氛中进行，随后进行表面处理，依次为机械打磨，碱溶液除油，酸溶液活化，水洗，烘干箱低温烘干得镁合金铸锭；镁合金铸锭以0.9-1.1℃/min升至500℃做均匀化热处理12h；然后在50℃-70℃水中冷却。
S2、热轧成镁合金板材：
S2.1、通过出炉温度为400℃，加热时间为3.5h的热轧加工成厚50mm、宽400mm、长250mm的镁合金板材；
S2.2、随后通过出炉温度为350℃，加热时间为3h的热轧加工成厚10mm、宽400mm、长250mm的镁合金板材；
S2.3、随后通过出炉温度为250℃，加热时间为3h的热轧，加工成厚3mm、宽400mm、长250mm的镁合金板材。
S3、在镁合金板材上选择宽度为3mm的条状区域，通过静态再结晶退火工艺进行加工，退火温度为200℃，时间为10min，利用温度测量装置(包含热电偶等)确保退火温度稳定，从而加工出一个晶粒细化的静态再结晶条带区域。图1为该区域的晶粒尺寸分布图，晶粒为等轴晶。将该区域切割下来，机加工成直径Φ2mm的棒材，将棒材进行拉拔，拉拔过程中配合退火热处理，温度为400℃，时间为10min，单道次变形量为20％，拉拔速度在0.05m/s，最终形成直径0.3mm的丝材。拉伸前后的金相图分别如图3和图4所示。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为400MPa，延伸率为15％。
实施例2
本实施例与实施例1采用方式相同，主要区别如下：
采用Mg-0.2Zn-4.1Y合金，成分按重量百分比：0.2％Zn，4.1％Y，余量为Mg。
在S2中，铸锭的均匀化处理温度为550℃；
在S2.1中，出炉温度为450℃，加热时间为4h，镁合金板材规格为厚45mm、宽400mm、长250mm；
在S2.2中，出炉温度为400℃，加热时间为3h，镁合金板材规格为厚10mm、宽400mm、长250mm；
在S2.3中，出炉温度为300℃，加热时间为3h，镁合金板材规格为厚2mm、宽400mm、长250mm；
在S3中，条状区域宽度为2mm，退火温度为250℃，时间为10min，由图2显示晶粒细化的静态再结晶条带区域的晶粒尺寸分布图。
拉伸性能(GB/T 228-2002)：抗拉强度为420MPa，延伸率为16％。
在实施例1-2中的S2中，将镁合金铸锭多次热轧，获得厚2～5mm的镁合金板材，目的是使镁合金内部金属单晶在热轧平面上向二维伸展，降低金属单晶垂直于热轧面的Z轴方向的长度。
在实施例1-2中的S3中，镁合金板材平面方向上选择宽2～5mm的条状区域进行塑性变形处理，将该塑性变形处理条状区域切割取下获得条状镁合金，沿轴向拉拔加工成镁合金线材，目的是该步骤将热轧成准二维平面的金属单晶切割并通过塑性变形处理对单晶进行再结晶获得更小体积的金属单晶，进一步缩小条状镁合金中金属单晶的尺寸，该塑性变形区域即为晶粒细化的静态再结晶条带区域，之后采取沿轴向拉拔的方法将该小体积的金属单晶进一步沿条状镁合金的轴向拉长，获得高轴径比晶相结构的镁合金线材。
如图3所示，其晶相图可以看出在各相边界清晰，晶体粒径在20微米尺寸范围内较多；
如图4所示，经过拉伸后的镁合金线材中，晶相图显示其各晶粒交叉排布，晶体粒径大幅度降低，原有的球状晶粒几乎变得不可见，以条状缠绕态大轴径比的单晶形式存在，最终使得镁合金线材的拉伸性能大幅度提升，抗拉强度可以达到420MPa，延伸率达到16％以上。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备镁合金铸锭；
S2、热轧镁合金铸锭，得镁合金板材；再经过热轧使其厚度为2-5mm；
S3、在镁合金板材上，选择宽度与厚度相匹配的条状区域进行静态再结晶退火，塑性变形处理后切割该条状区域，得条状镁合金，沿轴向拉拔加工成镁合金线材。
2.根据权利要求1所述的一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：在S1中，镁合金铸锭由镁合金原料按配比制备而得，按质量分数计，所述镁合金原料包括Zn0.2％-2.5％、Y 0.1％-4.1％、Mg余量。
3.根据权利要求1所述的一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：在进行S2之前，先进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为500～600℃，以0.9-1.1℃/min升至热处理温度，保温10h-13h，随后在50℃-70℃水中冷却。
4.根据权利要求1所述的一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：在S2中，镁合金铸锭热轧形成镁合金板材后，多次热轧至镁合金板材的厚度为2-5mm，每次热轧至原厚度的20％-25％。
5.根据权利要求4所述的一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：所述S2包括以下步骤：
S2.1将镁合金铸锭加工成厚50-70mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为400-450℃，加热时间为3-4h；
S2.2将上述镁合金板材加工成厚10-20mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为350-400℃，加热时间为3-4h；
S2.3将上述镁合金板材加工成厚2-5mm的镁合金板材，热轧时金属出炉温度为250-300℃，加热时间为2-3h。
6.根据权利要求1所述的一种高轴径比细晶结构的镁合金线材制备工艺，其特征在于：在S3中，宽度与厚度相匹配的条状区域进行静态结晶再处理时的退火温度为250℃，时间为10min；
塑性变形处理为采用退火温度为245-255℃，时间为5-10min的静态退火工艺加工的热塑性变形处理；
所述条状镁合金板材条状区域的宽度与厚度之比为0.9～1.1:1；
沿轴向拉拔加工成镁合金线材的过程中，单道次变形量为20-25％，采用结晶退火温度为400-450℃，时间为5-10min，拉拔速度为0.05-0.1m/S的结晶退火热处理；
所述镁合金线材的直径为0.3-1mm。
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