CN103436827B - 一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，特别涉及一种Mg-Al-Zn系的变形镁合金锻件的热处理工艺。本发明的实施方案为：将壁厚为30-100mm、直径Φ≥680mm，最大水平投影面积≥0.4m2的大尺寸变形镁合金锻件在80℃-100℃，保温36-48小时后，以15-30℃/h的升温速率升温至160-180℃，保温15-20小时，冷却至室温，得到大尺寸高强变形镁合金锻件，所述镁合金锻件以质量百分比计包括下述组成元素：Al 8.2～8.5；Zn 0.4～0.5；Mn 0.2～0.25；Cu≤0.05；Ni≤0.005；Si≤0.15；Be≤0.02；Fe≤0.05；其他杂质≤0.3；余量为Mg。本发明制备的大尺寸高强变形镁合金锻件可满***通运输、航空航天等领域零部件的使用要求，并且制备工艺简单易行，便于产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，特别涉及一种Mg-Al-Zn系的大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺。
背景技术
Mg-Al-Zn系合金是比较常用的变形镁合金，其价格低廉，是比较适合于广泛应用的镁合金材料，该系列合金不仅可以进行塑形变形，而且具有时效强化效应，对变形合金进行时效强化处理可使其力学性能得到大幅度提高。模锻具有生产效率较高，能成形形状复杂的锻件，锻件尺寸精确，充分利用材料，减少加工余料和提高材料强度及塑性等优点。镁合金热处理通常采用T5和T6热处理，T5为铸造或加工成形后直接进行人工时效，T6为铸造或加工成形后先进行固溶处理再进行人工时效。研究表明对变形态Mg-Al-Zn系合金进行T5或T6热处理可以极大的提高其抗拉强度、屈服强度。
对于模锻件而言，采用T6处理虽然可以得到较高的强度，但对于形状复杂的大型模锻件在时效前进行固溶淬火处理时可能会导致零件发生变形或者淬火开裂，从而使零件报废。因而对于大型模锻件，尤其是形状复杂，存在壁厚差异的模锻件，更适合于采用T5热处理。需要注意的是，对于形状复杂，壁厚不均的大尺寸零件在T5处理时，由于模锻时存在各处变形量不同的现象，使得零件内部各处的应力储能不同。在单一温度下时效会导致不同位置强化相析出的先后顺序及尺寸不同，即变形储能大的位置优先析出，当变形储能小的位置达到时效峰值时，变形储能大的位置已经发生过时效，导致各处性能不均。
目前，采用多级时效制度处理形状复杂、存在壁厚差异的模锻件的工艺在相关文献中未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，其实施方案为：将大尺寸变形镁合金锻件在80℃-100℃，保温36-48小时后，以15-30℃/h的升温速率升温至160-180℃，保温15-20小时，冷却至室温。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，其优选实施方案为：在90℃-100℃，时效处理大尺寸变形镁合金锻件40-45小时后，以20-30℃/h的升温速率升温至160-180℃，保温15-20小时，冷却至室温。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，所述大尺寸变形镁合金锻件的壁厚为30-100mm、直径Φ≥680mm，最大水平投影面积≥0.4m2。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，所述大尺寸变形镁合金锻件是存在壁厚差异的模锻件。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，所述大尺寸变形镁合金锻件以质量百分比计包括下述组分：
Al 8.2-8.5%、Zn 0.4-0.5%、Mn 0.2-0.25%、Cu≦0.05%、Ni≦0.005%、Si≦0.15%、Be≦0.02%、Fe≦0.05%、其他杂质≦0.3%，余量为Mg。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，热处理后的大尺寸高强变形镁合金锻件的力学性能如下：
横向抗拉强度为356MPa-389.7MPa；横向屈服强度为249.5MPa-290.3MPa；纵向抗拉强度为282.5MPa-290.6MPa；纵向屈服强度为187.8MPa-192.5MPa。
本发明一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，所述大尺寸变形镁合金锻件是通过下述方法制备的：
取直径≥670mm的大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380-430℃，保温3-6h后在380-430℃下进行一次等温模锻成型，得到锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05-0.2mm/s，上模下行的时间为10-30min，压力为35000-40000kN，成型后保压30-40min；；等温模锻所用模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm；模具的温度与毛坯的加热温度相等；锻件的冷却速度为100-150℃/min；所述毛坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷。
本发明一种一种大尺寸高强变形镁合金锻件的热处理工艺，所述大尺寸镁合金锻饼是以内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷的铸造镁合金锭通过下述步骤加工而成的：
步骤一
将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400-430℃，保温6-10h后，在400-430℃进行墩粗，拔长，墩粗的锻造比为1.5-2；拔长的锻造比为：1.02-1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12-16mm/s；所述铸造镁合金圆柱锭的直径为250mm-350mm，高径比的范围在1.5-1.85；所述拔长为12-16面碾压拔长；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20-25℃/min的升温速率升温至320-350℃后再以12-27℃/h的升温速率升温至410-430℃，保温20-30h，然后以2-10℃/min的冷却速度冷却至室温；
步骤二
重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10-20℃。
原理和优势
1.本发明采用双级时效制度，先在在80℃-100℃低温长时间时效处理大尺寸变形镁合金锻件36-48小时，这不仅消除了变形不均导致的储能不均，起到变形储能均质退火的作用，同时低的时效温度下，析出强化相未达到析出所需的驱动力，处于析出孕育期。然后以15-30℃/h的升温速率缓慢升温至析出温度，缓慢升温的过程可以保证零件各处的受热均匀，以至析出时实现各位置的均匀析出，最终实现提高材料力学性能的目的。
2.本发明将加工成形后的锻件直接进行人工时效，未经固溶处理，这就防止了锻件在淬火过程中开裂。
3.本发明所制备的大尺寸高强变形镁合金锻件的力学性能优越，其横向抗拉强度为356MPa-389.7MPa；横向屈服强度为249.5MPa-290.3MPa；纵向抗拉强度为282.5MPa-290.6MPa；纵向屈服强度为187.8MPa-192.5MPa。与现有热处理技术所制备的变形镁合金锻件相比较，其横向抗拉强度、横向屈服强度、纵向抗拉强度、纵向屈服强度以及延伸率均有提高。
4.本发明工艺简单，安全可靠，所采用的设备均为常规电阻炉。可用于处理形状复杂的变形镁合金锻件。
具体实施方式
下面参考附表结合实例对本发明进行进一步阐述，应该说明的是这些实例是用于本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下范围。
实施例和对比例中锻件最厚处、最薄处的力学性能参考国标GBT228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法，在微机控制电子万能实验机上进行室温拉伸。
实施例中的镁合金以质量百分比计包括下述组分：Al 8.2-8.5%、Zn 0.4-0.5%、Mn 0.2-0.25%、Cu≦0.05%、Ni≦0.005%、Si≦0.15%、Be≦0.02%、Fe≦0.05%、其他杂质≦0.3%，余量为Mg。
实施例中，所述大尺寸变形镁合金锻件是通过下述方法制备的：
取直径≥670mm的大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380-430℃，保温3-6h后在380-430℃下进行一次等温模锻成型，得到壁厚为30-100mm；直径Φ≥680mm，最大水平投影面积≥0.4m2的，存在壁厚差异的大尺寸镁合金锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05-0.2mm/s，上模下行的时间为10-30min，压力为35000-80000kN，成型后保压30-40min；；等温模锻所用模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm；模具的温度与毛坯的加热温度相等；锻件的冷却速度为100-150℃/min；所述毛坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷。检测大尺寸变形镁合金锻件的力学性能，其检测值如表1所示。
所述大尺寸镁合金锻饼是以内部无明显裂纹、缩孔、夹杂的缺陷的铸造镁合金锭通过下述步骤加工而成的：
步骤一
将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400-430℃，保温6-10h后，在400-430℃进行墩粗，拔长，墩粗的锻造比为1.5-2；拔长的锻造比为：1.02-1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12-16mm/s；所述铸造镁合金圆柱锭的直径为250mm-350mm，高径比的范围在1.5～1.85；所述拔长为12-16面碾压拔长；墩粗、拔长时，下压的压力为20000-30000KN；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20-25℃/min的升温速率升温至320-350℃后再以12-27℃/h的升温速率升温至410-430℃，保温20-30h，然后以2-10℃/min的冷却速度冷却至室温；
步骤二
重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10-20℃。
实施例1：
本实施例以大尺寸变形镁合金锻件为原料；所述大尺寸变形镁合金锻件为镁-铝-锌系变形镁合金锻件，各元素质量百分比为：Al8.2-8.5；Zn0.4-0.5；Mn0.2-0.25；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg。
将大尺寸变形镁合金锻件冷炉装料，升温至100℃时效处理38小时，然后设定温度170℃，升温时间为4小时，升至170℃后保温15小时，最终空冷至室温，得到大尺寸高强变形镁合金锻件。
实施例2：
本实施例以大尺寸变形镁合金锻件为原料；所述大尺寸变形镁合金锻件为镁-铝-锌系变形镁合金锻件，各元素质量百分比为：Al8.2-8.5；Zn0.4-0.5；Mn0.2-0.25；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg。
将大尺寸变形镁合金锻件冷炉装料，升温至90℃时效处理45小时，然后设定温度180℃，升温时间为3小时，升至180℃后保温20小时，最终空冷至室温；得到大尺寸高强变形镁合金锻件，对其进行力学性能检测，检测结果如表1所示。
从表1中可以看出：经过本实施例的双级时效工艺后，模锻件厚壁处和薄壁处的各向的力学性能得到较大的提高，拉强度升高35-45MPa，屈服强度提高30-50MPa。采用传统的单级时效工艺，薄壁处力学性能达到最佳强度385.6MPa时，厚壁处仍未达到时效峰值，可以推测：厚壁处力学性能达到时效峰值时，薄壁处已处于过时效状态。因此，传统的单级时效工艺虽然也能一定程度上提高材料强度，但其各处的综合力学性能不如本发明热处理工艺，且各处达到时效峰值时间不一致。
对比例1
本对比例以大尺寸变形镁合金锻件为原料；所述大尺寸变形镁合金锻件为镁-铝-锌系变形镁合金锻件，各元素质量百分比为：Al8.2-8.5；Zn0.4-0.5；Mn0.2-0.25；Cu≦0.05；Ni≦0.005；Si≦0.15；Be≦0.02；Fe≦0.05；其他杂质≦0.3；余量为Mg。
将大尺寸变形镁合金锻件冷炉装料，然后设定温度180℃，升温时间为4小时，升至180℃后保温20小时，最终空冷至室温；得到大尺寸高强变形镁合金锻件，对其进行力学性能检测，检测结果如表1所示。
表1 镁合金锻件各处不同工艺力学性能
Claims (6)
1.一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于：将大尺寸变形镁合金锻件在80℃-100℃，保温36-48小时后，以15-30℃/h的升温速率升温至160-180℃，保温15-20小时，冷却至室温；
所述大尺寸变形镁合金锻件是通过下述方法制备的：
取大尺寸镁合金锻饼按设计的毛坯尺寸机加工成毛坯后，加热至380～430℃，保温3-6h后在380～430℃下进行一次等温模锻成型，得到锻件，取出锻件后冷却，得到成品；所述大尺寸镁合金锻饼的平均晶粒粒度≦15μm，等轴晶粒数与总晶粒数的比值≥0.95；等温模锻时，上模的下行速度为0.05～0.2mm/s，上模下行的时间为10-30min，压力为35000-80000kN，成型后保压30-40min；等温模锻所用模具与模座基准面的配合间隙≦0.2mm；模具的温度与毛坯的加热温度相等；锻件的冷却速度为100-150℃/min。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于：将大尺寸变形镁合金锻件在90℃-100℃，保温40-45小时后，以20-30℃/h的升温速率升温至160-180℃，保温15-20小时，冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于：所述大尺寸变形镁合金锻件的壁厚为30-100mm；其直径Φ≥680mm，最大水平投影面积≥0.4m2。
4.根据权利要求3所述的一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于，所述大尺寸变形镁合金锻件以质量百分比计包括下述组分：
Al 8.2～8.5％、Zn 0.4～0.5％、Mn 0.2～0.25％、Cu≦0.05％、Ni≦0.005％、Si≦0.15％、Be≦0.02％、Fe≦0.05％、其他杂质≦0.3％，余量为Mg。
5.根据权利要求4所述的一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于，热处理后的大尺寸变形镁合金锻件的力学性能如下：
横向抗拉强度为356MPa-389.7MPa；横向屈服强度为249.5MPa-290.3MPa；纵向抗拉强度为282.5MPa-290.6MPa；纵向屈服强度为187.8MPa-192.5MPa。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸变形镁合金锻件的热处理工艺，其特征在于：所述大尺寸镁合金锻饼是由铸造镁合金锭通过下述步骤加工而成的：
步骤一
将均匀化热处理后的铸造镁合金锭加热到400-430℃，保温6-10h后，在400-430℃进行墩粗、拔长；墩粗的锻造比为1.5-2；拔长的锻造比为：1.02-1.05，墩粗、拔长时，其变形速度均为12～16mm/s；所述铸造镁合金圆柱锭的直径为300mm～350mm，高径比的范围在1.5～1.85；所述拔长为12-16面碾压拔长；所述均匀化热处理是将所述铸造镁合金锭以20-25℃/min的升温速率升温至320-350℃后再以12-27℃/h的升温速率升温至410-430℃，保温20-30h，然后以2-10℃/min的冷却速度冷却至室温；
步骤二
重复步骤一中的加热、保温、墩粗、拔长工艺，直至镁合金锻坯直径大于等于670mm，得到大尺寸镁合金锻饼；重复步骤中，每次保温、墩粗的温度较前一次保温、墩粗的温度低10～20℃。
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