CN104451484A - 镁合金板材的形变热处理强化工艺 - Google Patents

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郭全英
孙晶
毛萍莉
刘正
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Abstract

本发明公开了一种镁合金板材的形变热处理强化工艺，该镁合金板材为AZ81系列镁合金板材，其形变热处理强化工艺为：将磨制好的，尺寸为40×40×4mm的镁合金片进行固溶处理，加热温度为415℃，保温20小时。然后再加热至150-160℃范围内进行轧制，变形量为15%。再进行时效处理，工艺参数为：加热温度为168℃，保温时间为8 h -16h，空冷至室温。经此工艺处理后，合金的力学性能与常规的热处理工艺相比，合室温抗拉强度（бb）提高了15.5%～18.2%，硬度提高幅度为12.4～16.85%。

Description

镁合金板材的形变热处理强化工艺
技术领域
本发明属于有色金属领域，具体涉及一种镁合金板材的形变热处理强化工艺。
背景技术
镁合金具有高的比强度、比刚度以及良好的减震性、导热性和可回收性，因此被誉为21世纪的“绿色”工程材料。
镁合金由于室温、高温强度低、变形能力差限制了它大规模的工业应用。
在镁合金的牌号中，Mg-Al系是应用最为广泛的一类合金。在Mg-Al系合金中，AZ81镁合金以其性能适中，价格较低等优点应用最广。然而，AZ81镁合金本身存在许多固有缺点限制了它的使用。首先，这种镁合金凝固温度范围较宽，晶粒有粗化的倾向。其次，凝固过程中粗大的β-Mg17Al12相以离异共晶的方式呈网状沿晶界析出，导致合金力学性能变差。同时，当工作温度超过120℃时，晶界上网状的Mg17Al12化合物易软化和粗化，使合金的力学性能大幅下降，同时AZ81镁合金成型性能差，这大大限制了AZ81镁合金在汽车、飞机等关键结构部件和耐热零部件方面的应用。这类镁合金的强化可以通过热处理和合金化方法强化。
合金化是提高镁合金性能的一种方法，在AZ81合金中加入稀土Gd元素，能提高AZ81镁合金高温性能和室温性能。
热处理强化是提高Mg-Al系镁合金性能的最常用的方法。当Al元素固溶于Mg基体时，由于Al元素和Mg基体元素的原子半径和弹性模量的差异，使基体产生点阵畸变。由此产生的应力场将阻碍位错运动，从而使基体得到强化产生固溶强化。Mg-Al系合金在时效过程中会有细小的弥散的Mg17Al12相从基体中析出，这些析出相的存在阻碍了位错运动，使合金得到强化。
形变强化和相变强化结合起来的综合强化方法称为形变热处理。这种工艺兼有金属形变强化和热处理强化的双重作用。经这种方法处理后，不但能够达到一般加工处理所难达到的高强度和一定的塑性、韧性配合。这在钢铁材料和铝合金中都得到了很好的证明。然而对于镁合金，这方面的工作十分有限。这主要是由于镁合金为密排六方结构，塑性较低，变形困难。镁及镁合金材料，尤其是合金化程度较高的镁合金，对应力-应变状态敏感，在拉伸应力和拉伸变形条件下，塑性显著降低，铸态组织状态下尤为严重。而在压应力状态则塑性较高，固溶处理后获得过饱和的单相固溶体组织，也可使合金的塑性得以提高。
因此，探讨AZ81系列镁合金的形变热处理强化工艺，对实现镁合金产业化具有重要意义。
发明内容
发明目的：
本发明的目的是提供一种AZ81系列镁合金板材的形变热处理强化工艺，该工艺获得的AZ81系列镁合金板材力学性能与常规热处理工艺（固溶+时效）相比大大提高。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种镁合金板材的形变热处理强化工艺，其特征在于：该方法步骤如下：
（1）将磨制好的镁合金样品进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时；
（2）将固溶处理后的样品温度加热至150-160℃范围内进行轧制，变形量为15%；
（3）进行时效处理，工艺参数为：加热温度为168℃，保温时间为8 h -16h，空冷至室温；
（4）进行硬度测试和常温拉伸性能测试。
所述镁合金由以下组分按质量百分比组成：7～8%Al，0.7～1%Zn，杂质元素Mn<0.12%，0～4%Gd，其余为Mg。
该镁合金是由AZ91镁合金、工业纯铝、工业纯锌和Mg-20.02%Gd中间合金为原料熔炼而成。
镁合金板材由熔炼好的镁合金铸锭中截取，截取方法如下：在镁合金铸锭选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
优点及效果：
经本发明所提供的镁合金板材的形变热处理强化工艺处理后，合金的力学性能特点如下：
与常规的热处理工艺相比，合金的室温抗拉强度（бb）提高了15.5%～18.2%，最高达305MPa；经过此工艺处理后的硬度明显高于常规热处理后的硬度，其提高幅度为12.4～16.85%。表1为新工艺与常规热处理后的力学性能对照表。
 表1 力学性能对照表
具体实施方式：
附图说明：
图1为AZ81固溶+轧制后时效8h显微组织图；
图2为AZ81-4%Gd固溶+轧制后时效12h显微组织图。
本发明原理如下：
AZ81系列镁合金板材固溶后在150-160℃轧制，第一，经过轧制后，镁合金固溶体内形成了大量的位错。这些位错在随后的时效过程中保留下来，位错的增值，增加了位错运动的驱动力，提高了合金的强度；同时，增值的位错在时效过程中成为连续β-Mg17Al12相析出有利地点，连续β-Mg17Al12相析出增多，也对合金起到了弥散强化作用；第二，经过轧制后，合金中出现了大量的孪晶，这些孪晶的界面成为β-Mg17Al12相析出有利场所，使得随后时效过程中连续β-Mg17Al12析出的数量增多；同时孪晶界的存在相当于亚晶界，细化了晶粒。连续连续β-Mg17Al12相的弥散强化和小尺寸的亚结构提高了合金的强度和硬度。
本发明这种镁合金板材的形变热处理强化工艺，其步骤如下：
（1）将磨制好的镁合金样品进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时；
（2）将固溶处理后的样品温度加热至150-160℃范围内进行轧制，变形量为15%；
（3）进行时效处理，工艺参数为：加热温度为168℃，保温时间为8 h -16h，空冷至室温；
（4）进行硬度测试和常温拉伸性能测试。
所述镁合金由以下组分按质量百分比组成：7～8%Al，0.7～1%Zn，杂质元素Mn<0.12%，0～4%Gd，其余为Mg。
该镁合金是由AZ91镁合金、工业纯铝、工业纯锌和Mg-20.02%Gd中间合金为原料熔炼而成。
镁合金板材由熔炼好的镁合金铸锭中截取，截取方法如下：在镁合金铸锭选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。
镁合金板材的形变热处理强化工艺。
实施例1
本实施例中镁合金由以下组分按质量百分比组成：7.8%Al，0.7%Zn，杂质元素Mn<0.12%，0%Gd，其余为Mg。
由熔炼好的镁合金铸锭中选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
将处理后的镁合金片在箱式电阻炉中进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时。
将固溶处理后的试样在150℃轧制，变形量为15%，随后进行时效处理，工艺参数：加热温度为168℃，保温时间为8h，空冷至室温。
本实施例所得的高强韧镁合金显微组织如图1所示，从图1可见，合金显微组织中有大量的孪晶出现，有的孪晶部位能看到析出的β-Mg17Al12相。本实施例所得的高强韧镁合金抗拉强度为236.8 MPa，硬度54HB。
实施例2
本实施例中镁合金由以下组分按质量百分比组成：7.4%Al，0.78%Zn，杂质元素Mn<0.12%，3.01%Gd，其余为Mg。
由熔炼好的镁合金铸锭中选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
将处理后的镁合金片在箱式电阻炉中进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时。
将固溶处理后的试样在160℃轧制，变形量为15%，随后进行时效处理，工艺参数：加热温度为168℃，保温时间为16h，空冷至室温。
本实施例所得的高强韧镁合金抗拉强度285 MPa，硬度为67HB。
实施例3
本实施例中镁合金由以下组分按质量百分比组成：7.0%Al，0.7%Zn，杂质元素Mn<0.12%，4.0%Gd，其余为Mg。
由熔炼好的镁合金铸锭中选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
将处理后的镁合金片在箱式电阻炉中进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时。
将固溶处理后的试样在150℃轧制，变形量为15%，随后进行时效处理，工艺参数：加热温度为168℃保温时间为12h，空冷至室温。
本实施例所得的高强韧镁合金显微组织如图2所示，从图2可见，合金显微组织中有大量的栾孪出现，在孪晶部位能看到析出的大量β-Mg17Al12相。本实施例所得的高强韧镁合金抗拉强度305MPa，硬度为70 HB。
实施例4
本实施例中镁合金由以下组分按质量百分比组成：8.0%Al，1%Zn，杂质元素Mn<0.12%，2.05%Gd，其余为Mg。
由熔炼好的镁合金铸锭中选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
将处理后的镁合金片在箱式电阻炉中进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时。
将固溶处理后的试样在155℃轧制，变形量为15%，随后进行时效处理，工艺参数：加热温度为168℃保温时间为10h，空冷至室温。
本实施例所得的高强韧镁合金抗拉强度271MPa，硬度为65.8 HB。
结论：
本发明这种镁合金板材的形变热处理强化工艺，可以改变合金的微观结构，能够形成大量的孪晶，从而促进析出弥散分布的β-Mg17Al12相，有效提高了合金的强度和硬度。

Claims (4)

1.一种镁合金板材的形变热处理强化工艺，其特征在于：该方法步骤如下：
（1）将磨制好的镁合金样品进行固溶处理：加热温度为415℃，保温20小时；
（2）将固溶处理后的样品温度加热至150-160℃范围内进行轧制，变形量为15%；
（3）进行时效处理，工艺参数为：加热温度为168℃，保温时间为8 h -16h，空冷至室温；
（4）进行硬度测试和常温拉伸性能测试。
2. 根据权利要求1所述的镁合金板材的形变热处理强化工艺，其特征在于：所述镁合金由以下组分按质量百分比组成：7～8%Al，0.7～1%Zn，杂质元素Mn<0.12%，0～4%Gd，其余为Mg。
3. 根据权利要求1所述的镁合金板材的形变热处理强化工艺，其特征在于：该镁合金是由AZ91镁合金、工业纯铝、工业纯锌和Mg-20.02%Gd中间合金为原料熔炼而成。
4. 根据权利要求1所述的镁合金板材的形变热处理强化工艺，其特征在于：镁合金板材由熔炼好的镁合金铸锭中截取，截取方法如下：在镁合金铸锭选取有代表的部位切割尺寸为40×40×4mm的镁合金片，上下表面用砂纸由粗到细磨制光滑待用。
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