CN107081341B - 一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法，通过挤压坯料的两次加热工艺和小挤压比的中低温快速挤压工艺，得到具有良好力学性能的双峰晶粒尺寸分布的型材。具体为：先将挤压坯料加热，预热温度为170‑220℃，保温时间≥1‑2min/mm×坯料半径，确保挤压坯料温度均匀；二次加热温度为230‑330℃，时间0.4‑0.8min/mm×坯料半径，制备出外热内冷的挤压坯料。采用10‑15的挤压比，挤压速度为5m/min‑20m/min，挤压成形。由于本发明制备挤压材具有双峰晶粒尺寸的微观组织，因而，其兼具高强度与高塑性的优点。另外，本发明采用了快速挤压工艺，提高了生产效率，同时避免了镁合金挤压材常见的热裂等缺陷。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及加工技术领域，特别涉及一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法。
背景技术
镁合金是目前最轻的金属结构材料，由于其具有比强度和比刚度高、阻尼性能好、切削性能好、良好的电磁屏蔽性等优点，在航空航天、汽车、电子等行业具有广阔的应用前景。然而，镁合金是密排六方结构，室温独立滑移系少，因而变形能力差。塑性差和较低的强度限制了镁合金的大规模商业化应用。随着国家节能降耗和保护环境的需要，提高变形镁合金的强度和塑性，已经成为镁合金发展的主要方向。
根据霍尔佩奇关系，材料的强度和晶粒尺寸的平方根成反比，即细化晶粒将提高材料的强度；同时，在一定范围内细化晶粒还可以提高材料的塑性。但是，当晶粒细化到一定程度 (纳米尺寸)以后，霍尔佩奇关系并不适用，因为随着晶粒细化，晶粒内部可动位错数量减少，而增多的晶界会阻碍晶粒的变形协调发展，所以进一步细化晶粒将导致材料的塑性降低。
研究表明，具有双峰晶粒尺寸分布(纳米尺寸和微米尺寸)微观组织的材料，可以在强度降低很少的情况下，大幅提高其延伸率。但是，目前的挤压成形工艺无法得到上述的微观组织，因而在一定程度上制约了镁合金挤压材的推广应用。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种新的提高强度和塑性的制造方法。通过挤压坯料的两次加热和小挤压比中低温快速挤压，得到具有良好力学性能的双峰晶粒尺寸分布的型材。这种方法适用于变形镁合金挤压材的加工。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法，包括：
对镁合金坯料进行均匀化处理，预热、二次加热，得外热内冷、温度呈梯度分布的挤压坯料；
将上述的挤压坯料采用中低温快速挤压成形，挤压比为10-15，即得。
本发明中所述“中低温快速挤压成形”是指：在挤压速度为5m/min-20m/min；挤压筒温度等于坯料二次加热温度，模具温度等于坯料预热温度的条件下，进行快速挤压成形。
优选的，所述挤压坯料的内外温差为70℃-90℃，由外到内梯度递减。
优选的，所述预热处理的条件为：预热温度为170-220℃，保温时间≥1-2min/mm×坯料半径。
优选的，所述二次加热的条件为：二次加热温度为230-310℃，时间0.4-0.8min/mm×坯料半径。
优选的，所述中低温快速挤压成形过程中，挤压筒温度等于坯料二次加热温度，模具温度等于坯料预热温度。
优选的，所述中低温快速挤压成形的挤压速度为5m/min-20m/min；挤压筒温度等于坯料二次加热温度，避免坯料通过挤压筒散热。模具温度等于坯料预热温度
优选的，所述挤压出口处采用风冷，降低挤压材和挤压模具的温度。
优选的，所述镁合金为可时效强化镁合金时，其预热工艺为该合金的时效工艺。
优选的，所需坯料和挤压筒的尺寸根据产品的截面积和挤压比计算。
本发明还提供了任一项上述的方法制备的高强度高塑性的镁合金。
本发明还提供了上述的高强度高塑性的镁合金在制造航空航天设备、汽车或电子器材中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明提供的一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法，通过挤压坯料的两次加热和小挤压比中低温快速挤压，得到具有良好力学性能的双峰晶粒尺寸分布的型材。
(2)本发明采用较大的压力挤压机，可以克服中低温挤压过程中镁合金较大的变形抗力。
(3)本发明因为采用了中低温挤压和较小的挤压比，能够对变形热进行有效控制，所以可以采用快速挤压工艺，同时避免了镁合金挤压材常见的热裂等缺陷。
(4)本发明采用了外热内冷的温度呈梯度分布的挤压坯料，挤压过程中心的低温部分吸收了大部分变形热，使得变形温度略高于镁合金的再结晶温度，导致不完全的动态再结晶组织，并且，其中细小的纳米尺寸再结晶晶粒来不及长大，因而可以得到双峰晶粒尺寸的微观组织——细小的纳米尺寸晶粒使得材料具有较高的强度，而被细小晶粒包裹的大晶粒可以协调变形，使材料具有较好的塑性。
(5)由于采用快速挤压工艺，通过本发明方法得到的高强度高塑性镁合金挤压材的生产效率较高。对于可热处理强化的镁合金，由于挤压前做过预时效，挤压后不需要时效处理。
(6)本发明制备方法简单、制备效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1挤压得到的ZK60镁合金棒材的金相组织。
图2为实施例1挤压得到的ZK60镁合金棒材的力学性能。
图3为实施例1挤压得到的ZK60镁合金棒材的晶粒尺寸分布。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法，采用小挤压比、中低温快速挤压工艺，挤压外热内冷的温度呈梯度分布的坯料。
优选的，挤压比为10-15。根据产品的截面积和挤压比计算出所需坯料和挤压筒的尺寸。
优选的，选用较大挤压力的挤压机，挤压机的挤压力F的计算方法如下，单位N。
F＝πR2P (1)
式中，R为挤压筒的半径，单位mm；P为比压，其选择范围为:800-1200MPa。
优选的，挤压坯料的加热工艺为：首先，预热温度为170-220℃，保温时间≥1-2min/mm×坯料半径，确保挤压坯料温度均匀；二次加热温度为230-310℃，时间0.4-0.8min/mm×坯料半径，制备出外热内冷的挤压坯料。
优选的，挤压筒温度等于坯料二次加热温度，避免坯料通过挤压筒散热。模具温度等于坯料预热温度。
优选的，挤压速度为5m/min-20m/min。
优选的，挤压出口处采用风冷，降低挤压材和挤压模具的温度。
优选的，对于可时效强化镁合金，预热工艺用该合金的时效工艺替代。
优选的，在挤压加热前，挤压坯料经过均匀化处理，消除铸造的宏观偏析。
实施例1
挤压直径20mmZK60镁合金棒材。
选择根据挤压比10-15，求得挤压筒和坯料的直径在63mm-77mm之间。选择坯料的直径 74mm、半径R＝37mm，挤压筒直径为75mm。
根据F＝πR2P，计算的挤压力在3.5MN-5.2MN之间，选择400吨的挤压机。
对ZK60坯料进行均匀化处理后，190℃时效24小时；直径进行二次加热，加热温度为 280℃，加热时间20min。制备出外热内冷，温差为90℃的挤压坯料。
挤压筒温度280℃，模具温度为190℃，挤压速度为10m/min。
挤压ZK60棒材的力学性能为抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥380MPa，延伸率＞18％。
挤压后，棒材的金相组织为典型的双峰晶粒尺寸分布，如图1所示；力学性能如图2所示；晶粒尺寸的分布如图3所示。
实施例2
挤压截面积为500mm2的U型AZ31B镁合金型材。
选择根据挤压比10-15，求得挤压筒和坯料的直径在79mm-97mm之间。选择坯料的直径 88mm、半径R＝44mm，挤压筒直径为90mm。
根据F＝πR2P，计算的挤压力在5.0MN-7.6MN之间，选择600吨的挤压机。
对AZ31B坯料180℃预热90min；二次加热，加热温度为250℃，加热时间25min。制备出外热内冷，温差为70℃的挤压坯料。
挤压筒温度250℃，模具温度为180℃，挤压速度为12m/min。
挤压型材的力学性能为抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥310MPa，延伸率＞25％。
实施例3
挤压10mm×100mm截面积为1000mm2的AZ80镁合金板材。
选择根据挤压比10-15，求得挤压筒和坯料的直径在112mm-138mm之间。选择坯料的直径124mm、半径R＝62mm，挤压筒直径为125mm。
根据F＝πR2P，计算的挤压力在9.8MN-14.7MN之间，选择1200吨的挤压机。
对AZ80坯料进行均匀化处理后，170℃时效24小时；直径进行二次加热，加热温度为 250℃，加热时间30min。制备出外热内冷，温差为80℃的挤压坯料。
挤压筒温度250℃，模具温度为170℃，挤压速度为8m/min。
挤压型材的力学性能为抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥340MPa，延伸率＞20％。
实施例4
挤压直径20mmZK60镁合金棒材。
选择根据挤压比10-15，求得挤压筒和坯料的直径在63mm-77mm之间。选择坯料的直径 74mm、半径R＝37mm，挤压筒直径为75mm。
根据F＝πR2P，计算的挤压力在3.5MN-5.2MN之间，选择400吨的挤压机。
对ZK60坯料进行均匀化处理后，220℃时效24小时；直径进行二次加热，加热温度为 310℃，加热时间40min。制备出外热内冷，温差为90℃的挤压坯料。
挤压筒温度310℃，模具温度为190℃，挤压速度为10m/min。
挤压ZK60棒材的力学性能为抗拉强度≥390MPa，屈服强度≥360MPa，延伸率＞19％。
实施例5
挤压截面积为500mm2的U型AZ31B镁合金型材。
选择根据挤压比10-15，求得挤压筒和坯料的直径在79mm-97mm之间。选择坯料的直径 88mm、半径R＝44mm，挤压筒直径为90mm。
根据F＝πR2P，计算的挤压力在5.0MN-7.6MN之间，选择600吨的挤压机。
对AZ31B坯料220℃预热60min；二次加热，加热温度为290℃，加热时间40min。制备出外热内冷，温差为70℃的挤压坯料。
挤压筒温度290℃，模具温度为220℃，挤压速度为12m/min。
挤压型材的力学性能为抗拉强度≥355MPa，屈服强度≥315MPa，延伸率＞24％。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强度高塑性的镁合金挤压材制备方法，其特征在于，包括：
对镁合金坯料进行均匀化处理，预热、二次加热，得外热内冷、温度呈梯度分布的挤压坯料；
将上述的挤压坯料采用中低温快速挤压成形，挤压比为10-15，即得；
其中，所述“中低温快速挤压成形”是指：在挤压速度为5m/min-20m/min；挤压筒温度等于坯料二次加热温度，模具温度等于坯料预热温度的条件下，进行快速挤压成形；
其中，挤压筒温度为230-310℃，坯料预热温度为170-220℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤压坯料的内外温差为70℃-90℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热处理的条件为：预热温度为170-220℃，保温时间≥1-2min/mm×坯料半径。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次加热的条件为：二次加热温度为230-310℃，时间0.4-0.8min/mm×坯料半径。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤压出口处采用风冷，降低挤压材和挤压模具的温度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁合金为可时效强化镁合金时，其预热工艺为该合金的时效工艺。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所需坯料和挤压筒的尺寸根据产品的截面积和挤压比计算。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备的高强度高塑性的镁合金。
9.权利要求8所述的高强度高塑性的镁合金在制造航空航天设备、汽车或电子器材中的应用。
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