专利名称：一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法
一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法技术领域
本发明公开了一种超细晶镁合金的制备方法，特指利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法。属于镁合金加工技术领域。
背景技术：
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能好和易于回收等优点，在3C 产品、汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。例如，利用其优异的比强度，镁合金已被广泛用于制备笔记本电脑壳体和汽车附件等；因为其良好的导热性而被用于生产发热量高的电脑及投影仪的外壳和散热部件；同时因其优异的电磁屏蔽性能，被用于制造手机电话的壳体及屏蔽材料。在这种背景下，镁合金的发展面临着很好的机遇，其在各种合金制件中所占比例逐年增加。但是，与传统铝、铁等立方结构金属相比，镁合金低的强度及塑性严重地限制了镁合金的广泛应用。
众所周知，细化晶粒有利于提高强度和延性。近年来开发出的超细晶镁合金特种加工技术，如等径角挤压(ECAE)等虽可以较好细化晶粒，但加工材料因受模具限制，尺寸较小，且工序繁多，生产效率低，制约了其在工业上的推广和应用。利用累积轧制焊(ARB) 也可以细化晶粒。轧制中，轧件边部因产生附加拉应力而易出现侧裂，故道次压下量一般不超过20%，但是为保证镁合金的顺利焊合，又要求道次压下量大于20%，这就限定了该工艺只适用于AZ31及MB2等塑性较好镁合金，对于塑性较差的AZ91等铸态镁合金以及稀土镁合金等较难应用。同时为累积较大变形量而获得细晶，则需要多次重复ARB过程(一般至少4-5次)，这无疑会降低生产效率、增加成本且晶粒细化至1 2 μ m已达极限。为制备晶粒尺寸小于Iym的超细晶镁合金和克服现有技术存在的适用材料有限等问题，有必要提供一种新的细化镁合金的加工方法。发明内容
本发明的目的在于克服现有关于制备超细晶镁合金工艺中存在的生产效率不高、 适用材料有限、晶粒细化程度低等问题而提供一种加工工艺合理、所需设备简单、操作方便的利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法。
本发明的一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，包括下列步骤
第一步均勻化处理
将镁合金铸锭或变形态材料，加热到350 550°C，保温0. 5 24h后空冷；
第二步冲锻
将第一步所得材料加热到冲锻温度250 580°C，保温10 90min，进行至少一次高速冲锻，每次高速冲锻后水淬，所述每次高速冲锻应变速率为0. 1 100s—1，压下量为 60 90%。
本发明的一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法中，每次高速冲锻后，将冲锻件分割后叠加在一起，加热后进行下一次冲锻。
本发明一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法中，所述的保温时间10 60min，冲锻温度为300 520°C，冲锻应变速率为0. 1 50s—1，单次压下量为70 90%。
本发明一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，所述镁合金选自Mg-Al-Si 系列合金、Mg-Zn-^ 系列合金或稀土镁合金中的一种。
本发明通过加热镁合金后进行冲锻，利用高应变速率、大道次压下量细化镁合金晶粒。通过高应变速率结合大的道次压下量可获得细小晶粒。由于具有密排六方的镁合金晶体结构对称性差，滑移系非常有限，且镁合金的层错能较低，从而镁合金在热压过程中很容易发生动态再结晶。利用冲锻可抑制形核的晶粒长大，保留细小的再结晶晶粒，从而得到晶粒细小的镁合金。冲锻后晶粒细小的镁合金经剪断、叠加，加热后再次冲锻，反复循环可获得超细晶镁合金。
本发明一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法具有以下几大优点
1、采用高速冲锻，道次压下量大，可以快速、有效地细化镁合金晶粒，大幅度提高生产效率，更利于大规模工业化应用。
2、适用材料广泛，有效地解决了现有制备超细晶镁合金方法中存在的难以加工塑性差或变形抗力大的镁合金这一突出问题；
3、本发明工艺利用常规锻压设备即可实现，设计合理，设备要求简单，操作方便， 具有良好的工业应用前景。
综上所述，本发明工艺设计合理，设备要求简单，操作方便，生产效率高，有效地克服了现有技术关于难以加工塑形差或变形抗力大的镁合金，道次变形量小，晶粒细化缓慢和难以规模化应用等问题，具有良好的工业应用前景。
附图1为本发明高速冲锻的原理示意图。
附图加为本发明实施例1的热轧态AZ21镁合金450°C均勻化退火池后的金相组幺口 /Ν ο
附图2b为本发明实施例1的AZ21镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度400°C，应变速率0.如―1，压下量72%。
附图2c为本发明实施例1的AZ21镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度350°C，应变速率0.如―1，压下量70%。
附图2d为本发明实施例1的AZ21镁合金第三次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度260°C，应变速率0.如―1，压下量72%。
附图3a为本发明实施例2的热轧态AZ31镁合金460°C均勻化退火池后的金相组幺口 /Ν ο
附图北为本发明实施例2的ΑΖ31镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度450°C，应变速率k—1，压下量73. 4%。
附图3c为本发明实施例2的AZ31镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度400°C，应变速率k—1，压下量75%。
附图3d为本发明实施例2的AZ31镁合金第三次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度300°C，应变速率k—1，压下量70%。附图如为本发明实施例3的热轧态AZ31镁合金460°C均勻化退火池后的金相组幺口 /Ν ο
附图4b为本发明实施例3的AZ31镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间 15min,变形温度450°C，应变速率lk—1，压下量85. 5%。
附图如为本发明实施例3的AZ31镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间 15min,变形温度400°C，应变速率lk—1，压下量72%。
附图4d为本发明实施例3的AZ31镁合金第三次冲锻的金相组织，保温时间 15min,变形温度3600C，应变速率lk—1，压下量71.4%。
附图fe为本发明实施例4的热轧态AZ91镁合金460°C均勻化退火池后的金相组幺口 /Ν ο
附图恥为本发明实施例4的ΑΖ91镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度450°C，应变速率如―1，压下量80%。
附图5c为本发明实施例4的AZ91镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度400°C，应变速率如―1，压下量77%。
附图5d为本发明实施例4的AZ91镁合金第三次冲锻的金相组织，保温时间 20min,变形温度350°C，应变速率如―1，压下量72%。
附图6a为本发明实施例5的热轧态160镁合金460°C均勻化退火池后的金相组幺口 /Ν ο
附图6b为本发明实施例5的3(60镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间 15min,变形温度460°C，应变速率6s—1，压下量84. 6%。
附图6c为本发明实施例5的3(60镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间 15min,变形温度320°C，应变速率6s—1，压下量82. 8%。
附图7a为本发明实施例6的挤压态Mg-6Gd_3Y稀土镁合金460°C均勻化退火Ih 后的金相组织。
附图7b为本发明实施例6的Mg-6Gd_3Y稀土镁合金第一次冲锻的金相组织，保温时间25min，变形温度550°C，应变速率0.如―1，压下量80%。
附图7c为本发明实施例6的Mg-6Gd_3Y稀土镁合金第二次冲锻的金相组织，保温时间25min，变形温度520°C，应变速率0.如―1，压下量75%。
附图7d为本发明实施例6的Mg-6Gd_3Y稀土镁合金第三次冲锻的金相组织，保温时间25min，变形温度470 V，应变速率0.如―1，压下量72. 4 %。
具体实施案例
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
本实施例利用原材料为热轧态AZ21镁合金。经过450°C均勻化退火池后，平均晶粒尺寸约为26. 7 μ m(图加)。放入箱式电阻炉中加热至400°C后，保温20min，以应变速率为0. 4s-1进行冲锻，压下量为72%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。如图2b所示，平均晶粒尺寸约为3.5μπι。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起， 加热到350°C保温20min后进行第二次冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为0. 4s-\70%, 平均晶粒尺寸约为1. 2 μ m(图2c)。第三次冲锻控制的保温时间、变形温度、应变速率和压下量分别为20min、26(TC、0. 4s_\72 %，冲锻后水淬，所得的金相组织如图2d，平均晶粒尺寸小于1 μ m0
实施例2
本实施例利用原材料为热轧态AZ31镁合金。经过460°C均勻化退火池后，平均晶粒尺寸约为24. 5 μ m(图3a)。放入箱式电阻炉中加热至450°C后，保温20min，以应变速率为k—1进行冲锻，压下量为73. 4%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。如图北所示，平均晶粒尺寸约为3.8μπι。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起， 加热到400°C保温20min后进行第二次冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为%，平均晶粒尺寸约为1. 4μ m(图3c)。第三次冲锻控制的保温时间、变形温度、应变速率和压下量分别为201^11、3001、28_1、70(%，冲锻后水淬，所得的金相组织如图3d，平均晶粒尺寸小于 1 μ m。
实施例3
本实施例利用原材料为热轧态AZ31镁合金。经过460°C均勻化退火池后，平均晶粒尺寸约为24. 5 μ m(图4a)。放入箱式电阻炉中加热至450°C后，保温15min，以应变速率为15s—1进行冲锻，压下量为85.5%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。如图4b所示，平均晶粒尺寸约为3.6μπι。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起，加热到400°C保温15min后进行第二次冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为Ik—1、 72%，平均晶粒尺寸约为1. 4μ m(图4c)。第三次冲锻控制的保温时间、变形温度、应变速率和压下量分别为15min、36(TC、1^^71. 4%，冲锻后水淬，所得的金相组织如图4d，平均晶粒尺寸小于1 μ m。
实施例4
本实施例利用原材料为热轧态AZ91镁合金。经过460°C均勻化退火池后，平均晶粒尺寸约为58. 4μ m(图5a)。放入箱式电阻炉中加热至450°C后，保温20min，以应变速率为4s—1进行冲锻，压下量为80%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。如图恥所示，平均晶粒尺寸约为3.3μπι。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起， 加热到400°C保温20min后进行第二次冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为如人77%，平均晶粒尺寸约为1. 1 μ m(图5c)。第三次冲锻控制的保温时间、变形温度、应变速率和压下量分别为20min、350"C^s"1,72%,冲锻后水淬，所得的金相组织如图5d，平均晶粒尺寸小于 1 μ m。
实施例5
本实施例利用原材料为热轧态160镁合金。经过460°C均勻化退火池后，平均晶粒尺寸约为18. 4μ m(图6a)。放入箱式电阻炉中加热至460°C后，保温15min，以应变速率为6s—1进行冲锻，压下量为84. 6%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。如图6b所示，平均晶粒尺寸约为3.2μπι。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起， 加热到320°C保温15min后进行第二次冲锻，冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为6s—1、 82. 8%，平均晶粒尺寸小于1 μ m(图6c)。
实施例6
本实施例利用原材料为Mg-Gd-Y镁合金。经过460°C均勻化退火Ih后，平均晶粒尺寸约为^ym(图7a)。放入箱式电阻炉中加热至550°C后，保温25min，以应变速率为0. 4s-1进行冲锻，压下量为80%，冲锻后水淬。平行于压缩方向切开，观测横截面的晶粒度。 如图7b所示，平均晶粒尺寸约为4. 8 μ m。将第一次冲锻件对半切成两块，叠加在一起，加热到520°C保温25min、进行第二次冲锻后水淬，应变速率和压下量分别为0.如^75%,平均晶粒尺寸约为2. 6 μ m(图7c)。第三次冲锻控制的保温时间、变形温度、应变速率和压下量分别为25min、47(TC、0. 4^、72. 4%，冲锻后水淬，所得的金相组织如图7d，平均晶粒尺寸小于1 μ m0
权利要求
1.一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，包括下列步骤第一步均勻化处理将镁合金铸锭或变形态材料，加热到350 550°C，保温0. 5 24h后空冷；第二步冲锻将第一步所得材料加热到冲锻温度250 580°C，保温10 90min，进行至少一次高速冲锻，每次高速冲锻后水淬，所述每次高速冲锻应变速率为0. 1 100s—1，压下量为60 90%。
2.根据权利要求1所述的一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，其特征在于 每次高速冲锻后，将冲锻件分割后叠加在一起，加热后进行下一次冲锻。
3.根据权利要求2所述的一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，其特征在于 所述的保温时间10 60min，冲锻温度为300 520°C，冲锻应变速率为0. 1 50s—1，单次压下量为70 90%。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种利用高速冲锻制备超细晶镁合金的方法，其特征在于所述镁合金选自Mg-Al-Si系列合金、Mg-Zn-Zr系列合金或稀土镁合金中的一种。
全文摘要
本发明涉及镁合金加工技术，即一种利用高速冲锻成型制备超细晶镁合金的方法，具体方法将铸态或变形态镁合金，均匀化退火后，加热到一定温度，保温，进行至少一次高速冲锻，每次高速冲锻后水淬，所述每次高速冲锻压下量为60～90％，应变速率为0.1～100s-1；亦可将冲锻件经剪断、叠加，加热后进行第二次冲锻，冲锻温度比上一次冲锻温度低，如此反复循环操作。与现有制备超细晶镁合金的剧塑性变形工艺相比，本发明工艺设计合理，操作方便，生产效率高，利用常规锻压设备即可实现，设备要求简单、适用材料广泛，又因道次压下量大，晶粒细化快，避免了繁多的工序，提高了生产效率，具有良好的工业应用前景。
文档编号C22F1/06GK102517527SQ20111044806
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者吴新星, 杨续跃, 马继军 申请人:中南大学