一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，包括固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后的深冷处理和在深冷处理过程中的超声场冲击处理。深冷处理过程包括从室温开始，冷却速度1～10oC/min，将镁合金材料冷却到－196oC的超低温下保温12～30h。超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，超声场的强度为1～50Kw/m2，声场频率为10～40KHz，超声场的处理时间为60～200S。将深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金置于温度为170oC的烘箱中，保温时间为2～6h，随后将烘箱中的镁合金置于空气中，自然恢复到室温。本发明可使镁合金材料组织致密，同时具有高强硬性和高强韧性。
【专利说明】一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镁合金材料的强化处理方法，特别是涉及一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法。
【背景技术】
[0002]镁合金材料作为最轻的金属合金材料之一，同时具有较高的比强度和比刚度，导热导电性好，阻尼减振，电磁屏蔽，易于加工成形，所以制备高强韧的镁合金材料，是材料应用与发展的趋势。
[0003]从现有技术看，通常采用在熔炼过程中加入细化剂对晶粒进行细晶强化或通过原位反应生成增强颗粒等方法，达到改善镁合金材料的力学性能。现有改善镁合金材料强韧性的中国专利主要有二个:一是专利号为201110400274.6，名称为一种超声场与细化剂复合细化AZ31镁合金晶粒的方法的发明专利，其通过AZ31镁合金在熔炼过程中，采用超声波将SiC陶瓷微粒引入到镁合金中，利用细化晶粒技术，改善铸造缺陷，提高合金的强度和韧性；二是专利号为201210580241.9，名称为一种原位自生Al3BC增强镁基复合材料及其制备方法的发明专利，该方法通过将Al — A3BC预制合金溶解，静置保温，搅拌或超声波处理后将合金液压铸或挤压铸造成形，即可得到颗粒增强镁基复合材料。以上两种增强镁合金材料强度和韧性的方法，都是通过在熔炼过程中利用细晶强化或者原位反应生成增强颗粒来强化镁合金材料的强韧性能，但是，采用上述方法来提高镁合金强韧性的能力非常有限，很难制备出高强韧性的镁合金材料来满足工业生产的需要，因此，迫切需要寻求一种新方法，来大幅提高镁合金材料的强韧性，以满足日益发展的工业需要。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，通过该方法处理的镁合金材料与现有技术相比，强韧性能得到大幅提高，从而能更好地满足
工业需要。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用这样一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，该方法包括对镁合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后，对镁合金材料进行的深冷处理和在深冷处理过程中对镁合金材料进行的超声场冲击处理。
[0006]在本发明中，所述深冷处理的过程包括，从室温开始，冷却速度I~10°C/min，将镁合金材料冷却到一 196°C的超低温下保温12~30h。
[0007]在本发明中，所述对镁合金材料进行的超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，所述超声场的强度为I~50Kw/m2，声场频率为10~40KHZ，超声场的处理时间为60~200S。
[0008]在本发明中，所述深冷处理的后期是深冷处理离设定结束时间t < 0.5h。
[0009]在本发明中，可将深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金材料置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为2~6h，随后将烘箱中的镁合金材料置于空气中，自然恢复到室温。
[0010]本发明的方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的镁合金材料放入35~45°C的水中进行淬火，然后冷却至室温。
[0011]在本发明中，所述固溶处理的过程包括将镁合金材料在400~470°C的温度下保温3~7h。
[0012]在本发明中，所述时效处理的过程包括将镁合金材料在100~150°C的温度下保温12~30h。
[0013]在本发明中，所述的镁合金材料优选为颗粒增强镁合金材料。
[0014]采用上述处理方法后，本发明具有以下有益效果:
从组织特征上看，当镁合金材料进行深冷处理时，因超低温作用，镁合金材料会发生收缩从而产生微塑性变形，塑性变形导致镁合金材料内部产生大量位错，这样在深冷处理时产生位错的基础上，通过施加一定强度的超声场冲击效应，利用超声场的空化效应和声流冲击效应，可促使镁合金材料中高密度位错进行快速运动，位错的快速运动可在镁合金材料内部诱发产生纳米孪晶，纳米孪晶的产生使镁合金材料具有纳米尺度共格晶面的组织特征，从而使镁合金材料同时具备高强度和高韧性的力学性能。
[0015]作为本发明的一种优选实施方式，所述超声场的强度为I~50Kw/m2，声场频率为10~40KHZ，超声场的处理时间为60~200S，并且在深冷处理的后期对镁合金材料进行超声场冲击处理，所述的深冷处理后期优选为深冷处理离设定结束时间t < 0.5h的时间范围内，即在深冷处理结束前的半小时内。采用这种技术方案后，由于超声场产生的高速瞬间冲击能量使镁合金材料表面的温度急剧升高又急剧冷却，这种高频能量从镁合金材料表面导入材料内部，因而引起材料组织不均匀的塑性变形和弹性应变，并促使镁合金材料中高密度位错的快速运动，使镁合金材料中产生大量的纳米孪晶，从而使镁合金材料的强韧性得到了大幅度提高。而且，当在深冷处理的后期对镁合金材料进行超声场冲击处理时，由于在深冷处理的后期，镁合金材料内部产生的位错更多，因此在镁合金材料内部能诱发产生更多的纳米孪晶，从而使镁合金材料具备更高的强韧性。
[0016]作为本发明的进一步改进，本发明将深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金材料置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为2~6h，随后将烘箱中的镁合金材料置于空气中，自然恢复到室温。采用这种技术方案后，利用高低温处理方法，可使镁合金材料的力学性能更佳。
[0017]本发明的镁合金材料优选为颗粒增强镁合金材料，由于颗粒增强镁合金在熔炼制备时，具有弥散强化、位错强化的效果，因而具有高强度特征，这样在其原有的强化基础上，通过本发明的深冷处理和在深冷处理过程中的超声场冲击处理后，更进一步发挥了位错强化、纳米孪晶强化的效果，使该镁合金材料的强韧性得到大幅度提高。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0019]一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，该方法包括对镁合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后，对镁合金材料进行的深冷处理和在深冷处理过程中对镁合金材料进行的超声场冲击处理。[0020]本发明的深冷处理过程包括，从室温开始，冷却速度I~10°C/min，将镁合金材料冷却到一 196°C的超低温下保温12~30h。
[0021]本发明对镁合金材料进行的超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，所述超声场的强度为I~50Kw/m2，声场频率为10~40KHZ，超声场的处理时间为60~200S。
[0022]在本发明中，所述深冷处理的后期是指深冷处理离设定结束时间t ^ 0.5h，即在深冷处理结束前的半小时内。
[0023]本发明优选将深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金材料置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为2~6h，随后将烘箱中的镁合金材料置于空气中，自然恢复到室温。
[0024]本发明的方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的镁合金材料放入35~45°C的水中进行淬火，然后冷却至室温。
[0025]在本发明中，所述固溶处理的过程包括将镁合金材料在400~470°C的温度下保温3~7h。
[0026]在本发明中，所述时效处理的过程包括将镁合金材料在100~150°C的温度下保温12~30h。
[0027]在本发明中，所述的镁合金材料优选为颗粒增强镁合金材料。所述颗粒增强镁合金可通过常规的外加法或原位反应合成法即内生法，在熔炼制备时，将增强相优选为增强颗粒引入到镁合金材料中制备而成。这种颗粒增强镁合金材料的优点在于，其在制备时，保留了其弥散强化、位错强化的效果，从而使镁镁合金材料具有高强度特征。这样在其原有的强化基础上，通过本发明上述的深冷处理和在深冷处理过程中的超声场冲击处理后，更进一步发挥了位错强化、纳米孪晶强化的效果，从而使该镁合金材料的强韧性得到了大幅度提闻。
[0028]在本发明中，实施深 冷处理的装置可采用市售的具有隔热保温、不屏蔽超声场的深冷柜或箱，采用的冷源是液氮。实施超声场冲击处理的装置可采用市售的超声波发生器，所述超声波发生器能产生频率大于IOkHz的振荡电信号，通过换能器转换为同频率的纵波机械振动能量，再通过变幅杆将换能器微小振幅(一般为4 μ m)变换到20~80 μ m,然后借助各种形式的工具头将振动能量传递到镁合金材料上。
[0029]在本发明中，所述深冷处理和深冷处理后期的超声场冲击处理，以及深冷处理后的烘箱保温处理，可重复循环操作2~3次。
[0030]实施例1:
采用ZK61镁合金棒材作为样品进行强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al ( 0.05%, Zn:5.0 ~6.0%, Mn ( 0.1%，Zr:0.3 ~0.9%, Si ( 0.05%, Fe ( 0.05%,Cu ( 0.05%, Ni ( 0.005%，其它:0.31%，余量为 Mg。
[0031]固溶处理；将所述镁合金棒材放置在热处理炉中，在400°C的温度下保温3h。
[0032]淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入35°C的水中进行淬火，然后冷却至室温。
[0033]时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在100°C的温度下保温12h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。
[0034]深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度l°C/min，将镁合金棒材冷却到一 196°C的超低温下保温12h，在对镁合金棒材保温了 11.5~12h时,对镁合金棒材施加超声场冲击处理,超声场强度lKw/m2,声场频率10KHZ，超声处理时间60S。
[0035]将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为2h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。
[0036]对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度(Sb)为338Mpa，屈服强度(δ。2)为221Mpa，伸长率(Φ )为23%。从检测报告中可以得出:镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。
[0037]实施例2:
采用AZ61镁合金棒材作为样品进行强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al: 5.5 ~6.5%, Zn: 0.5 ~1.5%, Mn: 0.15 ~0.4%, Si ( 0.10%, Fe ( 0.005%, Cu ( 0.05%,Ni ≤0.005%，其它≤ 0.35%，余量:Mg。
[0038]固溶处理；将所述镁合金棒材放置在热处理炉中，在470°C的温度下保温7h。
[0039]淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入40°C的水中进行淬火，然后冷却至室温。
[0040]时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在150°C的温度下保温30h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。
[0041]深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度10°C/min，将镁合金棒材冷却到一 196°C的超低温下保温30h，在对镁合金棒材保温了 29.5~30h时,对镁合金棒材施加超声场冲击处理,超声场强度50Kw/m2,声场频率40KHZ，超声处理时间200S。
[0042]将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为6h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。
[0043]对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度(Sb)为298Mpa，屈服强度(δ 0 2)为206Mpa，伸长率(Φ )为20.5%。从检测报告中可以得出:镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。
[0044]实施例3:
首先制备SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材，然后以SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材作为样品进行强化处理，所述AZ31镁合金各成分的重量百分含量为Al:3.0~4.0%，Mn:0.15~
0.5%, Zn:0.2 ~0.8%, Cu:0.05%, Ni:0.005%, Si:0.15%，其它:0.37%，余量为 Mg。
[0045]将AZ31镁合金铸锭装入720°C坩埚中，此间输入N2作为保护气体进行保护，待全部融化后，脱气、扒渣；将SiC粉末研磨成纳米颗粒(粒度小于IOOnm)按颗粒增强相理论重量的30%称量后，充分烘干，然后将烘干的SiC纳米颗粒放入坩埚中，并行电磁搅拌和人工搅拌，搅拌时间为5min。搅拌后的熔体静置2~3min，待温度再次升到720°C时，浇铸成直径IOOmm铸锭；将所述IOOmm铸锭进行热挤压，挤压温度220°C，挤压比30:1，得到直径28mm的SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材。
[0046]固溶处理；将所述SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材放置在热处理炉中，在420°C的温度下保温5h。
[0047]淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入45°C的水中进行淬火，然后冷却至室温。[0048]时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在130°C的温度下保温20h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。
[0049]深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度6°C/min，将镁合金棒材冷却到一 196°C的超低温下保温20h，在对镁合金棒材保温了 19.5~20h时,对镁合金棒材施加超声场冲击处理,超声场强度30Kw/m2,声场频率30KHZ，超声处理时间120S。
[0050]将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为4h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。
[0051]对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度(Sb)为320Mpa，屈服强度(δ。2)为200Mpa，伸长率(Φ )为17%。从检测报告中可以得出:镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。
[0052]综上，采用本发明的方法后，可使镁合金材料组织致密，具有高强硬性和高强韧性，本发明将传统热处理进行了一种新的突破。
【权利要求】
1.一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，该方法包括对镁合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，其特征在于:该方法还包括在时效处理后，对镁合金材料进行的深冷处理和在深冷处理过程中对镁合金材料进行的超声场冲击处理。
2.根据权利要求1所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述深冷处理的过程包括，从室温开始，冷却速度I~10°C/min，将镁合金材料冷却到一 196°C的超低温下保温12~30h。
3.根据权利要求1或2所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述对镁合金材料进行的超声场冲击处理在深冷处理的后期进行，所述超声场的强度为I~50Kw/m2，声场频率为10~40KHZ，超声场的处理时间为60~200S。
4.根据权利要求3所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述深冷处理的后期是深冷处理离设定结束时间t ( 0.5h。
5.根据权利要求3所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:将深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金材料置于温度为170°C的烘箱中，保温时间为2~6h，随后将烘箱中的镁合金材料置于空气中，自然恢复到室温。
6.根据权利要求1所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:该方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的镁合金材料放入35~45°C 的水中进行淬火，然后冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述固溶处理的过程包括将镁合金材料在400~470°C的温度下保温3~7h。
8.根据权利要求1所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述时效处理的过程包括将镁合金材料在100~150°C的温度下保温12~30h。
9.根据权利要求1所述的提高镁合金材料强度和韧性的处理方法，其特征在于:所述的镁合金材料为颗粒增强镁合金材料。
【文档编号】C22F3/02GK103469132SQ201310453776
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】王占洪, 张勋寅, 朱晓宏 申请人:常州市润源经编机械有限公司