高強變形鎂合金製備工藝的製作方法
2023-04-23 16:43:31 1
專利名稱：高強變形鎂合金製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種變形鎂合金製備工藝，具體是一種高強變形鎂合金製備工藝。屬於金屬材料類，冶金類及塑性加工類領域。
背景技術：
隨著我國航空航天業、汽車業的迅猛發展，太空飛行器和汽車等交通工具的輕量化就成為永恆的追求。鎂合金具有高的比強度、比剛度、比彈性摸量，日益成為材料工作者關注的焦點。目前，鎂合金在實際應用方面的發展規模只有鋁業的1/50，鋼鐵工業的1/160，其主要原因是，90％鎂合金構件來自壓鑄方式獲得，限制了產品的品種和類型；大多數鎂合金結構件局限於強度要求不高的小體積零件。而鎂合金熱變形(如擠壓，扎制等)後合金的組織得到細化，鑄造缺陷消除，比鑄造鎂合金具有更高的強度，延展性，更多樣化的力學性能。常規Mg-Al基鎂合金如AM50A、AZ31和AZ91D等具有優良的鑄造性能，低廉的成本，但是其室溫力學性能明顯不足，已經嚴重的制約了其進一步的應用。
根據著名的霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒細化可以明顯提高鎂合金的強度。對Mg-Al基鎂合金而言，可以加入合金元素細化鑄態組織中粗大的β(Mg17Al12)相，獲得細小，彌散的晶界強化相，也可以通過塑性變形細化鑄態組織。經文獻檢索發現，於翔等人在《金屬成形工藝》，2004，2241-45)上發表的「變形對MB15鎂合金及組織性能的影響」一文中介紹的採用MB15合金，利用擠壓比為24和65進行擠壓，結果認為，通過擠壓變形，可以顯著細化鎂合金晶粒，明顯提高鎂合金的強度、延伸率等綜合機械性能。晶粒大小由鑄態的100～200μm減小到擠壓態的6～12μm，抗拉強度提高到270～330MPa，屈服強度提高到220～268MPa，延伸率在8.5％～19％之間。但是，由於該擠壓工藝採用一次大擠壓比擠壓成形，擠壓力大，變形不均勻性和應力分布不均勻度增加，加工硬化嚴重，從而限制了該工藝的應用範圍。
發明內容
本發明的目的在於克服現有變形鎂合金製備工藝的不足，提出一種加微量Ti高強變形鎂合金製備工藝，通過加入微量Ti細化基體中粗大的Mg17Al12相，同時通過塑性變形工藝，使合金的晶粒破碎、組織更細化、成份更均勻、內部更緻密，使其進一步提高合金的強度。該工藝是細晶強化和變形強化於一體的高強變形鎂合金的製備方法，擴大了Mg-Al基鎂合金的應用範圍。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明高強變形鎂合金的各成分及其重量百分比為3-9％Al，0.1-0.5％Mn，0.01-0.5％Ti，0.05-0.5％Zn，雜質元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其餘為Mg。製備工藝如下首先在氣體或覆蓋劑保護條件下，將工業純鎂完全熔化後，分別以工業純鋁、工業純鋅、Al-Mn中間合金、Al-Ti中間合金形式加入合金元素Al，Mn，Zn，Ti，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌使其混合均勻，撈去表面浮渣後進行鑄造，然後將鑄錠進行塑性變形。
以下對本發明工藝進一步說明，步驟如下(1)熔煉Mg在熔煉爐中加入烘乾的工業純鎂，加熱熔煉；(2)加Al，Mn和Zn在680℃～700℃加入工業純鋁，工業純鋅和Al-Mn中間合金；(3)加Ti在720℃下加入Al-Ti中間合金，保溫20分鐘後攪拌3～6分鐘，以使Ti充分熔化；(4)鑄造在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在720℃～730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後進行鑄造，鑄造方法可採用壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造或砂鑄。
(5)塑性變形鑄錠在380～420℃均勻化處理3～8h，在410℃保溫30～60分鐘，然後採用擠壓或扎制工藝進行塑性加工。
所述的擠壓工藝，採用以下兩種中的任意一種①鑄態直接擠壓，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為9～20；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為9～20。
②固溶後擠壓，鑄錠在415℃固溶20h，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為9～20；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為9～20。
所述的扎制工藝，鑄錠在380～420℃均勻化處理3～8h，在410℃保溫30～60分鐘，然後循環軋制9道次，每一道次的壓縮比為14％，在每一道次軋制之前加熱10分鐘。
與現有技術相比，本發明變形鎂合金的顯微組織明顯細化，粗大的Mg17Al12相轉變為細小的條狀或顆粒狀，由連續分布變為孤立的彌散分布。以Mg-5Al-0.5Ti合金為例，晶粒尺寸由40um銳減為10um，合金的室溫抗拉強度292Mpa、屈服強度145MPa，延伸率為22％；即新合金的強度與目前常用的AZ91D鎂合金相比顯著提高，而合金成本則與AZ91D相當。
具體實施例方式
結合本發明技術方案的內容提供以下實施例實施例1合金成分(重量百分比)9.0％Al、0.03％Ti、0.3％Mn、0.05％Zn，雜質元素小於0.02％，其餘為Mg。
高強變形鎂合金製備工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業純鎂，同時採用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待鎂完全熔化後，在680℃加入工業純鋁、工業純鋅、Al-10Mn中間合金；(3)在720℃加入Al-10Ti中間合金，保溫20分鐘後攪拌3分鐘，以使Ti充分熔化；(4)在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在720℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後在低壓鑄造爐內採用氮氣給壓進行低壓鑄造；(5)鑄錠在420℃均勻化處理3h，在410℃下保溫30分鐘，採用鑄態直接擠壓工藝，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為20；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為9。本實施例的合金的晶粒大小為8μm，常溫抗拉強度、屈服強度、延伸率分別達到288MPa，140MPa，20％。
實施例2合金成分(重量百分比)3.0％Al、0.1％Mn、0.5％Zn，0.2％Ti，雜質元素小於0.02％，其餘為Mg。
高強變形鎂合金製備工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業純鎂，加熱熔煉，同時撒少量覆蓋劑(JDF)0.3Kg在坩堝底部；(2)待鎂完全熔化後，在700℃加入工業純鋁、工業純鋅、Al-10Mn中間合金；(3)在720℃加入Al-10Ti中間合金、保溫20分鐘後攪拌6分鐘，以使Ti充分熔化；(4)在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後在低壓鑄造爐內採用氮氣給壓進行低壓鑄造。(5)鑄錠在380℃均勻化處理5h，然後採用固溶後擠壓工藝，鑄錠在415℃固溶20h，然後在410℃下保溫60分鐘，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為16；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為14。本實施例的合金的晶粒大小為15μm，常溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別達到273MPa，135MPa，17％。
實施例3合金成分(重量百分比)5.0％Al、0.5％Ti、0.3％Mn、0.2％Zn，雜質元素小於0.02％，其餘為Mg。
高強變形鎂合金製備工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業純鎂，加熱熔煉，同時撒少量覆蓋劑(JDF)0.3Kg在坩堝底部；(2)待鎂完全熔化後，在690℃加入工業純鋁、工業純鋅、Al-10Mn中間合金；(3)在720℃加入Al-10Ti中間合金，保溫20分鐘後攪拌5分鐘，以使Ti充分熔化；(4)在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後在低壓鑄造爐內採用氮氣給壓進行低壓鑄造。(5)鑄錠在400℃均勻化處理8h，在410℃下保溫40分鐘，然後循環軋制9道次，每一道次的壓縮比為14％，在每一道次軋制之前加熱10分鐘。本實施例的合金的晶粒大小為10μm，常溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別達到292MPa，145MPa，22％。
實施例4合金成分(重量百分比)8％Al、0.01％Ti、0.5％Mn、0.4％Zn，雜質元素小於0.02％，其餘為Mg。
高強變形鎂合金製備工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業純鎂，加熱熔煉，同時採用FS60.5％/CO2混合氣體保護；(2)待鎂完全熔化後，在700℃加入工業純鋁、工業純鋅、Al-10Mn中間合金；(3)在720℃加入Al-10Ti中間合金，保溫20分鐘後攪拌6分鐘，以使Ti充分熔化；(4)在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後在低壓鑄造爐內採用氮氣給壓進行低壓鑄造。(5)鑄錠在400℃均勻化處理3h，在410℃下保溫60分鐘，採用鑄態直接擠壓工藝，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為9；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為20。本實施例的合金的晶粒大小為6μm，常溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別達到285MPa，143Mpa，21％。
權利要求
1.一種高強變形鎂合金製備工藝，其特徵在於，所述的鎂合金組分及其重量百分比為3-9％Al，0.1-0.5％Mn，0.01-0.5％Ti，0.05-0.5％Zn，雜質元素Fe＜0.005％，Cu＜0.014％，Ni＜0.002％，其餘為Mg，製備工藝如下在氣體或覆蓋劑保護條件下，將工業純鎂完全熔化後，分別以工業純鋁、工業純鋅，Al-Ti中間合金，Al-Mn中間合金形式加入合金元素Al，Ti，Mn，Zn，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌使其混合均勻，撈去表面浮渣後進行鑄造，然後將鑄錠進行塑性變形。
2.根據權利要求1所述的高強變形鎂合金製備工藝，其特徵是，製備工藝分為合金的熔煉過程和塑性變形過程，其中熔煉過程在氣體或覆蓋劑保護條件下進行，以下對其作進一步的限定，步驟如下(1)熔煉Mg在熔煉爐中加入烘乾的工業純鎂，加熱熔煉；(2)加Al，Mn和Zn在680℃～700℃加入工業純鋁，工業純鋅和Al-Mn中間合金；(3)加Ti在720℃下加入Al-Ti中間合金，保溫20分鐘後攪拌3～6分鐘，以使Ti充分熔化；(4)鑄造在720℃下繼續保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌合金液使成分均勻，在720℃～730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然後撈去表面浮渣後進行鑄造，鑄造方法可採用壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造或砂鑄；(5)變形鑄錠在380～420℃均勻化處理3～8h，在410℃保溫30～60分鐘，採用擠壓工藝或扎制工藝塑性加工；
3.根據權利要求2所述的高強變形鎂合金的製備工藝，其特徵是，所述的擠壓工藝，採用以下兩種中的任意一種①鑄態直接擠壓，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為9～20，接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為9～20；②固溶後擠壓，鑄錠在415℃固溶20h，在模具溫度為400℃時進行第一次擠壓，擠壓比為9～20，接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進行第二次擠壓，擠壓比為9～20。
4.根據權利要求2所述的高強變形鎂合金製備工藝，其特徵在於，鑄造方法採用壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造或砂鑄。
5.根據權利要求2所述的高強變形鎂合金製備工藝，其特徵還在於，所述的扎制工藝，循環軋制9道次，每一道次的壓縮比為14％，在每一道次軋制之前加熱10分鐘。
全文摘要
一種高強變形鎂合金製備工藝，屬於金屬材料類，冶金類及塑性加工類領域。合金包含的各成分及其重量百分比為3－9％Al，0.1－0.5％Mn，0.01－0.5％Ti，0.05－0.5％Zn，雜質元素小於0.02％，其餘為Mg。製備工藝如下在熔劑保護熔煉條件下，將工業純鎂完全熔化後，分別以工業純鋁、工業純鋅、Al－Mn中間合金、Al－Ti中間合金形式加入合金元素Al，Ti，Mn，Zn，待合金元素全部溶解後，用工具攪拌使其混合均勻，撈去表面浮渣後進行鑄造。鑄錠在380～420℃均勻化處理3～8h，在410℃保溫30～60分鐘，然後進行塑性變形。本發明成本低廉，生產效率高，明顯提高了合金的室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率。該工藝是細晶強化和變形強化於一體的高強變形鎂合金的製備方法，擴大了Mg－Al基鎂合金的應用範圍。
文檔編號C22C1/02GK1614065SQ200410066790
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月29日 優先權日2004年9月29日
發明者陳永軍, 王渠東, 翟春泉, 丁文江 申請人:上海交通大學