CN103233191B - 一种提高变形镁合金强度的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，本工艺通过小变形量的冷轧后，再经不同时间的人工时效，以达到显著提高镁合金强度的目的。具体包括以下步骤：1）室温冷轧镁合金，其冷轧变形量为5-7.5%；2）再将冷轧预变形后的镁合金加热至150-200℃时效，保温时间为15-100h，最后空冷至室温。该发明可以显著提高镁合金的强度，且相对于常规时效工艺，本发明还可以显著提高镁合金时效速率。另外所用工艺设备为常规通用设备，容易操作，成本较低，工业上易于实现。

Description

一种提高变形镁合金强度的热处理工艺

技术领域

本发明涉及镁合金材料的热处理工艺，特别涉及一种提高变形镁合金强度的热处理工艺。

背景技术

近年来，随着各种工业迅速高效的发展，对生产中应用的结构材料及各种零部件等的性能提出了越来越高的要求，急需开发出各种新型的材料，如镁及镁合金，以满足不同环境对各种材料使用性能的要求。镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，在航空航天、汽车、国防军工、3C领域等具有广阔的应用前景。但是大多数镁合金具有密排六方结构，是一种难以塑性变形、压力加工成形性能差的金属材料，且镁合金产品以铸造件为主，而镁合金铸造件存在晶粒粗大、力学性能较差、易产生缺陷等缺点，大大限制了镁合金应用范围。但通过挤压、轧制等塑性加工工艺制备的镁合金材料及零部件具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。因此变形镁合金的研究已成为世界镁工业发展中的重要方向。

研究发现，对变形镁合金进行不同时间的人工时效，时效过程中虽有第二相的析出，但强化效果较弱，在一定范围内，随时效时间增长第二相的数量增多，但这并没有使变形镁合金的力学性能得到显著的改善。因此，改善变形镁合金的力学性能十分重要。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种在有效控制合金组织结构的基础上能充分发挥材料高强度潜力的热处理工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，其特征在于：通过小变形量的冷轧后，再经不同时间的人工时效，实现镁合金强度的显著提高，具体工艺步骤为：

1）冷轧塑性变形：将镁合金在轧机上进行1道次冷轧，其冷轧变形量为5-7.5%；

2）人工时效：将冷轧塑性变形后的镁合金加热至150-200℃进行人工时效，保温时间为15-100h，最后空冷至室温。

上述技术方案中的小变形量指的是步骤1）中的冷轧变形量5-7.5%。

进一步地，所述镁合金为AZ系或Z K系镁合金体系。

本发明通过先进行小变形量的冷轧预变形，在变形镁合金中引入孪晶和位错。再经过不同时间的人工时效，使固溶的合金元素从基体中析出，形成第二相。一般第二相倾向于在晶界、孪晶、位错等能量较高处析出，所以冷轧预变形可以促进第二相的析出，第二相可以起到弥散强化的作用。而且冷轧预变形过程中产生的孪晶，可以阻碍位错的运动。另一方面，对镁合金进行冷轧导致了基面织构的增强，在沿着挤压方向拉伸时，会使基面的法向与外力轴线的夹角接近90°，Schmid因子趋于0，这时需要更大的外力才能使其发生滑移。所以冷轧产生的孪晶以及基面织构的增强显著提高了镁合金的强度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明强化效果显著：本发明利用预变形使得镁合金中产生的孪晶，阻碍位错的运动，同时促进了时效过程中第二相的析出，再者冷轧后基面织构的增强显著提高了高强度变形镁合金的强度。经过此热处理工艺的变形镁合金屈服强度最高可以提高114MPa。

2、本发明操作简单、成本较低：本发明利用常规的通用设备即可实现，工艺设计合理、流程短，其中预变形仅需1道次小变形，人工时效后即可获得更高强度的变形镁合金，提高了生产效率，降低成本，有利于大规模工业化应用。

3、本发明适用面广：本发明可适用于多种牌号商用变形镁合金体系，如AZ系、ZK系、ZM系镁合金等。

附图说明

图1为AZ61镁合金挤压板和经过本发明工艺热处理后的拉伸曲线；

图2为ZK60镁合金挤压板和经过本发明工艺热处理后的拉伸曲线；

图3(a)为AZ61镁合金挤压板材的扫描组织照片；

图3(b)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效20小时，空冷后的扫描组织照片；

图3(c)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效60小时，空冷后的扫描组织照片；

图3(d)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效100小时，空冷后的扫描组织照片。

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

应说明的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明热处理工艺的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1

一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，该热处理工艺包括以下步骤：

    1）采用镁合金原料：使用普通AZ61变形镁合金铸锭为原料，合金成分(重量百分含量)为：6.64%Al、1.01%Zn、0.25%Mn，杂质元素小于0.01%，其余为Mg。

    2）镁合金铸锭的均匀化处理：在热处理炉中进行镁合金铸锭的均匀化处理，温度400℃，时间12h。

3）挤压塑性变形：将均匀化处理后的镁合金铸锭在挤压机上进行挤压，挤压温度390℃，挤压比为11.7。

图3（a）为AZ61镁合金挤压板材的扫描组织照片，从图中可以看出在AZ61镁合金挤压板材中，第二相很少，已基本固溶进基体。AZ61挤压板材在室温下的屈服强度为170MPa，抗拉强度为326MPa，延伸率为20.8%。

4）冷轧塑性变形：将AZ61镁合金挤压板材在轧机上进行1道次变形量为7.5%的冷轧预变形。

5）人工时效：将冷轧后的AZ61镁合金进行时人工效热处理，热处理温度为200℃，保温时间为20h，空冷至室温。

图3(b)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效20h，空冷后的扫描组织照片。从图中可以看出在晶内仍存在孪晶，在孪晶处第二相有聚集析出的趋势。经此工艺得到的AZ61镁合金，在室温下的屈服强度为222MPa，抗拉强度为350MPa，延伸率为14.3%。

实施例2

镁合金原料及均匀化处理、挤压塑性变形、冷轧塑性变形、人工时效热处理温度与实施例1相同，不同之处在于，AZ61镁合金时效保温时间为60h。

图3(c)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效60h，空冷后的扫描组织照片。从中可以看出，相对图3(b)第二相析出数量更多，且在晶界和孪晶出第二相析出也更明显，体积更大。经此工艺得到的AZ61镁合金，在室温下的屈服强度为231MPa，抗拉强度为345MPa，延伸率为12.7%。

实施例3

镁合金原料及均匀化处理、挤压塑性变形、冷轧塑性变形、人工时效热处理温度与实施例1相同，不同之处在于，AZ61镁合金时效保温时间为100h。

图3(d)为AZ61镁合金挤压后，经过7.5%冷轧，再经200℃时效100h，空冷后的扫描组织照片。从图中可以看出在晶界处和孪晶处第二相明显粗化。经此工艺得到的AZ61镁合金，在室温下的屈服强度为219MPa，抗拉强度为343MPa，延伸率为11.6%。

实施例4

与实施例1不同的是使用的镁合金原料不同，镁合金原料采用ZK60，其热处理工艺包括以下步骤：

1) 采用镁合金原料：使用普通ZK60高强度变形镁合金铸锭为原料，合金成分（重量百分含量）为：6.37%Zn、0.53%Zr，杂质元素小于0.007%，其余为Mg。

2) 镁合金铸锭的均匀化处理：在热处理炉中进行镁合金铸锭的均匀化处理，温度420℃，时间12h。

3) 挤压塑性变形：将均匀化处理后的镁合金铸锭在挤压机上进行挤压，挤压温度390℃，挤压比为11.7。

经挤压得到的ZK60镁合金挤压板材在室温下的屈服强度为143MPa，抗拉强度为274MPa，延伸率为32.1%

4)  冷轧塑性变形：ZK60镁合金挤压板材在轧机上进行1道次变形量为5%的冷轧预变形。

5) 人工时效：将冷轧后的ZK60镁合金进行时效热处理，热处理温度为150℃，保温时间为15h，空冷至室温。

经此工艺得到的ZK60镁合金，在室温下的屈服强度为249MPa，抗拉强度为368MPa，延伸率为6.6%。

实施例5

镁合金原料及均匀化处理、挤压塑性变形、冷轧塑性变形、人工时效热处理温度与实施例4相同，不同之处在于，ZK60镁合金时效保温时间为50h。

经此工艺得到的ZK60镁合金，在室温下的屈服强度为257MPa，抗拉强度为355MPa，延伸率为9.8%。

             表1 上述实施例变形镁合金力学性能比较

合金	热处理工艺	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	延伸率
					挤压态AZ61	无	170	326	20.8%
实施例1(AZ61)	7.5%冷轧+200℃×20h时效	222	350	14.3%
					实施例2(AZ61)	7.5%冷轧+200℃×60h时效	231	345	12.7%
实施例3(AZ61)	7.5%冷轧+200℃×100h时效	219	343	11.6%
					挤压态ZK60	无	143	274	32.1%
实施例4(ZK60)	5%冷轧+150℃×15h时效	249	368	6.6%
					实施例5(ZK60)	5%冷轧+150℃×50h时效	257	355	9.8%

从表1可以看出，本发明所述的实施例1-3，经变形量为7.5%的冷轧预变形和20h、60h、100h时效后得到的AZ61镁合金，室温下屈服强度分别提高了52MPa、61MPa、49MPa，抗拉强度分别提高了24MPa、19MPa、17MPa。所述的实施例4-5，经变形量为5%的冷轧预变形和15h、50h时效后得到的ZK60镁合金，室温下屈服强度分别提高了106MPa，114MPa，抗拉强度分别提高了94MPa、81MPa。这是由于时效前的冷轧预变形在镁合金中产生了大量的位错和孪晶，能促进第二相的析出，第二相具有弥散强化的作用；而且冷轧后基面织构的增强会使拉伸时Schmid因子趋于0而使强度上升。这说明，本发明所述的热处理工艺，能显著提高变形镁合金的强度。

实施例6

一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，该热处理工艺包括以下步骤：

采用普通AZ61镁合金压板材，该AZ61镁合金压板材成分(重量百分含量)为6.64%Al、1.01%Zn、0.25%Mn，杂质元素小于0.01%，其余为Mg；在室温下的屈服强度为170MPa，抗拉强度为326MPa，延伸率为20.8%。

1）冷轧塑性变形：将AZ61镁合金板材在轧机上进行1道次变形量为7.5%的冷轧预变形。

2）人工时效：将冷轧后的AZ61镁合金进行时人工效热处理，热处理温度为200℃，保温时间为20h，空冷至室温。经此工艺得到的AZ61镁合金，在室温下的屈服强度为222MPa，抗拉强度为350MPa，延伸率为14.3%。

通过上述实施例可知，普通商业变形镁合金通过本发明所述的热处理工艺，可显著地提高变形镁合金的强度。经本发明所述的热处理工艺处理后的变形镁合金应用范围广泛，可满足航空航天、汽车、国防军工、3C等领域对高品质轻量化材料的实际需求。本发明操作简单，所用工艺设备为常规通用设备，成本较低，易于操作。

本发明仅以典型的变形镁合金AZ61和ZK60为实施对象，但并不排除本发明方法对其它类型的镁合金具有等同的效果。对本发明冷轧变形量、时效的温度、保温时间不限于实施例的取值。冷轧变形量根据变形镁合金体系的不同，可选5-15%左右的任何值，时效温度和保温时间也根据变形镁合金体系的不同，可选130~200℃、10~100h左右的任何值，如时效温度可为140℃、160℃、175℃或190℃等。因此，本发明所述工艺的适用面广，可适用于AZ系、ZK系或ZM系等多种牌号的变形镁合金体系。

Claims (2)

1.一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，其特征在于：所述镁合金为AZ镁合金体系；

通过小变形量的冷轧后，再经不同时间的人工时效，实现镁合金强度的显著提高，具体工艺步骤包括：

1）采用镁合金铸锭为原料；

2）镁合金铸锭的均匀化处理：在热处理炉中进行镁合金铸锭的均匀化处理，温度400℃，时间12h；

3）挤压塑性变形：将均匀化处理后的镁合金铸锭在挤压机上进行挤压，挤压温度390℃，挤压比为11.7

4）冷轧塑性变形：将镁合金在轧机上进行1道次的轧制，其轧制变形量为5-7.5%；

5）人工时效：将冷轧预变形后的镁合金进行人工时效，人工时效的温度为160-190℃，保温时间为60-100h，空冷至室温。

2.一种提高变形镁合金强度的热处理工艺，其特征在于：所述镁合金为ZK系镁合金体系；

通过小变形量的冷轧后，再经不同时间的人工时效，实现镁合金强度的显著提高，具体工艺步骤包括：

1）采用镁合金铸锭为原料；

2）镁合金铸锭的均匀化处理：在热处理炉中进行镁合金铸锭的均匀化处理，温度420℃，时间12h；

3）挤压塑性变形：将均匀化处理后的镁合金铸锭在挤压机上进行挤压，挤压温度390℃，挤压比为11.7；

4）冷轧塑性变形：将镁合金在轧机上进行1道次的轧制，其轧制变形量为5-7.5%；

5）人工时效：将冷轧预变形后的镁合金进行人工时效，人工时效的温度为160-190℃，保温时间为50h，空冷至室温。