CN107557706A - 一种提高镁合金强度的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种提高镁合金强度的处理方法。该方法包括以下步骤：1）将铸态镁合金材料放入液氮中静置5min~24h，或者将铸态镁合金材料依次经过固溶处理、塑性变形处理后放入液氮中，静置5min~24h；2）将深冷处理后的镁合金材料取出，置于空气中，自然恢复到室温。本发明利用深冷处理工艺，在短时间内便可使该体系镁合金的硬度得到大幅地提高。本发明对高含量Al或Sn的镁合金具有优良的处理效果，从而能更好地满足工业需要。

Description

一种提高镁合金强度的处理方法

技术领域

本发明涉及一种提升高Sn或高Al含量镁合金力学性能的热处理方法，特别是涉及一种利用深冷处理提高变形镁合金强度的处理方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，比强度高、抗冲击性能良好，可满足航空航天、汽车及电子产品轻量化的要求，减少能源消耗和环境污染，故成为发达国家与地区工业应用增长最快的材料之一。但是同其他材料相比，目前大部分镁合金的力学性能仍偏低，如何改善其力学性能一直是国内外研究的热点。因此，开发兼具低成本和高性能的镁合金具有广阔的市场前景。

众所周知，合金化是提高材料力学性能行之有效的手段。研究表明，镁合金中添加稀土元素(RE)可制备出性能优异的镁合金，但制备工艺复杂和价格偏高等因素极大限制了其大规模应用，所以不含稀土元素的高性能镁合金(如Mg-Sn合金系)日益受到海内外研究者的关注与重视。已有报道均表明Mg-Sn合金体系可进一步通过合适的热处理工艺提高其力学性能，这归因于时效处理析出大量弥散第二相的强化作用，添加Na元素虽可大大缩短到达硬度峰值的时间，但其易在晶界偏聚而恶化材料的塑性(T.T.Sasaki,F.R.Elsayed,T.Nakata,T.Ohkubo,S.Kamado,K.Hono,Strong and ductile heat-treatable Mg-Sn-Zn-Al wrought alloys,Acta Materialia,2015(99):176-186.程伟丽,阙仲萍,许春香,张金山,林飞,梁伟,一种高强度反向挤压Mg-Sn基合金及其制备方法.授权公告号:CN102703785B)。能否采用改良的热处理工艺达到提高Mg-Sn基合金的强度是急需解决的关键性技术难题。有别于常规时效热处理(T5或T6)需要在一定温度下保持较长时间以达到提高合金强度的方法，经过固溶和时效处理、深冷处理、超声波冲击处理和最终时效处理，在一定程度上可提高镁合金的强度(王占洪,张勋寅,朱晓宏,一种提高镁合金材料强度和韧性的处理方法.公开号201310453776.4)，但该方法实验周期长，处理工艺步骤繁琐，使用仪器较为昂贵，直接增加了生产成本。由此可见，开发一种更为简单，便捷，环保，节能的提高Mg-Sn-Al-Zn镁合金强度的经济型制备方法，对于降低镁合金零部件成本，扩展其应用范围具有重要意义。液氮是制氧工业的副产品，来源广，容易运输和存储，价格低廉，化学性能稳定，无毒无污染，不腐蚀工件，用液氮进行深冷处理操作简单，成本低。本发明特别针对含高Al或高Sn元素的镁合金，采用液氮作为处理介质进行深冷处理，进而达到提高镁合金强度的目的。

发明内容

本发明针对现有镁合金开发过程中，为提高强度而采用复杂的热处理工艺或使用稀土元素等稀贵合金元素而导致相应零部件成本过高，以至难以实现大批量商业化生产应用的问题，提供一种低成本、短周期提高镁合金强度的处理方法。该方法通过对镁合金成分的优选，利用深冷处理工艺，在短时间内便可使该体系镁合金的硬度得到大幅地提高。本发明对高含量Al或Sn的镁合金具有优良的处理效果，从而能更好地满足工业需要。

本发明的技术方案是：

一种提高镁合金强度的处理方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金材料放入液氮中静置5min～24h，或者将铸态镁合金材料依次经过固溶处理、塑性变形处理后放入液氮中，静置5min～24h；

其中，所述的镁合金材料为含6～10％Al、0.5～6％Sn、0.5～2％Zn，或者含6～10％Sn、0.5～6％Al、0.5～2％Zn，其余为Mg及不可避免的杂质；

2)将深冷处理后的镁合金材料取出，置于空气中，自然恢复到室温。

所述的固溶处理包括以下步骤：将镁合金材料放置在氩气气氛保护的热处理炉中，在400～500℃的温度下保温4～24小时，然后将材料从热处理炉中取出，并立即放入35～45℃的温水中进行淬火后冷却至室温，即对材料进行固溶处理；

所述的塑性变形为热挤压变形，其挤压变形温度为200～350℃，挤压速度为2～10m/min，挤压比为25～50。

所述的液氮的温度优选为-196℃。

经过上述工艺处理的特定成分的镁合金，硬度得到大幅度提高。

本发明的实质性特点为：

所述的深冷处理目前仅用于常见铸态商用镁合金牌号及含微稀土的镁合金体系，目的主要集中在利用深冷处理工艺提高材料的耐磨性能，由于非稀土型高强Mg-Sn基合金为近年来才开发出来的合金体系，人们对其研究尚未深入，特别是通过深冷处理进一步提高其综合力学性能的研究未见报道。所以，本发明通过大量的研究和实验，探索出了其中的一些规律，并指出适用于该工艺的具体Sn、Al及Zn的合理范围，验证了其对变形镁合金的有效性。

当镁合金材料进行深冷处理时，由于激冷导致晶格收缩，在试样中产生了内应力，引起应力集中，诱发基体组织中产生亚晶结构并促进固溶元素以纳米级第二相的形式析出；镁合金材料在温度改变时，固体的体积发生改变，从而在物体中产生应力和相应的变形能。当合金从室温(约25℃)冷却到液氮温度时(约-196℃)，合金中产生了较大的压应力及变形能，压应力致使合金中产生大量位错，而合金中的变形能一部分转变为热量，另有相当一部分转化为内能，使合金的内能升高，使合金组织处于亚稳态，促使组织强化相的大量析出，从而在合金中诱发析出大量第二相粒子；合金中的亚晶结构与位错相互作用大大增强了结构的稳定性；此外，亚晶界的作用与晶界类似，同样可以阻碍位错的运动，使材料的力学性能得到提高；处理后，合金中析出的大量强化相发挥第二相强化作用，进一步提高合金的力学性能。

本发明的有益效果为：

通常常规的时效热处理是将试样置于热处理炉中，特别是针对自然时效不明显的镁合金而言，一般人工时效多采用160-300℃不等的温度，保温时间20小时以上多至数百小时，或采用多级时效处理才能使得硬度到达峰值，整个时效过程中耗能较为严重，针对复杂零部件甚至需要几天；同时，伴随着时效时间的延长，合金的晶粒和析出的第二相会不断粗化进而降低合金的性能。而深冷处理采用的原材料液氮来源广泛，价格低廉。长期保存也较为方便，挥发量小且易于补充，基本不存在耗能，在合适的密封工艺条件下可长时保存。

本发明专利所述的镁合金的处理方法与常规固溶处理和时效处理相比，工艺简单，加工周期短，易控制，不需要复杂配套的设备，便于在相关镁合金材质零部件上的应用，适合大批量产业化应用；深冷处理与常规时效处理一样可促使纳米第二相弥散析出，但较低的温度可有效避免晶粒及第二相颗粒长大，同时该状态在合金恢复至室温时依然保持不变。本发明针对高Al和高Sn镁合金深冷处理后的峰值硬度可提升30-50％不等，效果明显。

附图说明

图1为实施例1铸态TAZ711的硬度-深冷时间曲线

图2为实施例2挤压态ATZ842的硬度-深冷时间曲线

图3为实施例3挤压态AZ81的硬度-深冷时间曲线

图4为对比例1的铸态ZK60的硬度-深冷时间曲线

图5为对比例2的铸态和挤压态AT31的硬度-深冷时间曲线

图6为对比例3的铸态和挤压态AZ31的硬度-深冷时间曲线

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明(的技术方案)作进一步说明，以下实施例均以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细地实施方式和具体地操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种低成本、短周期的镁合金处理方法，该方法可针对铸态镁合金和变形态镁合金进行短时间深冷处理，大幅提高合金的硬度。

1)本发明中，所述镁合金材料优选为含6～10％Al、0.5～6％Sn、0.5～2％Zn，其余为Mg及不可避免的杂质；或者含6～10％Sn、0.5～6％Al、0.5～2％Zn，其余为Mg及不可避免的杂质。

2)本发明中，所述变形态指经过挤压、轧制、拉拔等热加工塑形变形。塑形变形前需对镁合金进行固溶处理：将上述特定成分的镁合金材料在400～500℃的温度下保温4～24小时，然后将材料从热处理炉中取出，并立即放入35～45℃的温水中冷却至室温。固溶处理的加热和保温过程中均通入氩气进行保护。

3)本发明中，所述深冷处理包括，利用液氮，以1～10℃/s的冷却速度，从室温开始，将镁合金材料冷却到-196℃的超低温下保温5min～24h。

4)本发明中，镁合金材料进行深冷处理后置于空气中自然恢复到室温。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的展示。

实施例1

依据本发明的思路，设计出高Sn低Al镁合金材料TAZ711作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各主要成分的重量百分含量为Sn：6.875％，Al：0.934％，Zn：0.892％，余量为Mg及由基体纯镁和中间合金熔炼时带入的微量不可避免的Mn、Si、Fe、Cu、Ni等杂质。

深冷处理：将铸态TAZ711镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～12h，然后取出自然恢复到室温。

显微硬度测试：利用型号为MMT-X7的显微硬度计，对经过深冷处理后的镁合金样品进行硬度测试，显微硬度计载荷选用1kgf，保压时间10s，得出其深冷时间-硬度曲线如图1所示。

由图可见，铸态TAZ711镁合金在深冷处理时，硬度随时间的延长逐渐提高，在深冷处理10小时左右达到顶峰，此后开始下降。从最初铸态的55Hv提升到72Hv，提升了30％。

实施例2

依据本发明的思路，设计出通过挤压变形后的高Al低Sn镁合金材料ATZ842作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各主要成分的重量百分含量为Al：8.312％，Sn：4.050％，Zn：1.862％，余量为Mg及由基体纯镁和中间合金熔炼时带入的微量不可避免的Mn、Si、Fe、Cu、Ni等杂质。

深冷处理；将挤压态ATZ842镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～24h，然后取出自然恢复到室温。

对经过深冷处理后的镁合金样品进行性能检测，其深冷时间-硬度曲线如图2所示。

由图可见，挤压态ATZ842镁合金经深冷处理时，硬度随时间的延长而显著提高，在深冷处理2小时达到顶峰，此后开始下降。从最初挤压态的90Hv提升到Hv115，提升了27.8％。

实施例3

采用挤压态商用AZ81镁合金材料作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al：7.83％，Zn：0.921％，Sn：0.0032％，Mn:0.0091％，Si:0.0041％，Fe:0.008％，Cu:0.0094％，Ni:0.0035％，余量为Mg及不可避免的杂质。

深冷处理；将挤压态AZ81镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～24h，然后取出自然恢复到室温。

对经过深冷处理后的镁合金样品进行性能检测，其深冷时间-硬度曲线如图3所示。

由图可见，挤压态AZ81镁合金经深冷处理时，随浸泡时间的延长硬度先快速上升后下降再上升，在深冷处理2小时到达顶峰。从最初挤压态的70Hv提升到105Hv，提升了50％。

对比例1

采用铸态商用ZK60镁合金材料作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Zn：6.13％，Zr：0.221％，Mn:0.0079％，Si:0.0063％，Fe:0.006％，Cu:0.0088％，Ni:0.0051％，余量为Mg及不可避免的杂质。

深冷处理；将铸态ZK60镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～12h，然后取出自然恢复到室温。

对经过深冷处理后的镁合金样品进行性能检测，其深冷时间-硬度曲线如图4所示。

由图可见，铸态ZK60镁合金在深冷处理时，随时间的延长硬度呈现上下波动，处理前后硬度变化不大，即高Zn含量镁合金对深冷处理不敏感，效果不明显。

对比例2

依据本发明的思路，设计出铸态和挤压态低Al低Sn镁合金材料AT31作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各主要成分的重量百分含量为Al：2.852％，Sn：0.781％，余量为Mg及由基体纯镁和中间合金熔炼时带入的微量不可避免的Zn、Mn、Si、Fe、Cu、Ni等杂质。

深冷处理；分别将铸态和挤压态AT31镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～12h，然后取出自然恢复到室温。

对经过深冷处理后的镁合金样品进行性能检测，铸态和挤压态样品其深冷时间-硬度曲线如图5所示。

由图可见，铸态和挤压态AT31镁合金在深冷处理时，随时间的延长硬度均呈现上下波动，处理前后硬度变化不大，即铸态和变形态低Al低Sn含量镁合金对深冷处理不敏感，效果不明显。

对比例3

采用铸态和挤压态商用AZ31镁合金材料作为样品进行深冷强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al：3.18％，Zn：0.85％，Mn:0.335％，Si:0.02％，Fe:0.005％，Cu:0.05％，Ca:0.04％，余量为Mg及不可避免的杂质。

深冷处理；将铸态和挤压态AZ31镁合金样品直接放置在液氮(-196℃)里保温5min～12h，然后取出自然恢复到室温。

对经过深冷处理后的镁合金样品进行性能检测，铸态和挤压态样品其深冷时间-硬度曲线如图6所示。

由图可见，铸态和挤压态AZ31镁合金在深冷处理时，随时间的延长硬度均呈现上下波动，处理前后硬度变化不大，即低Al低Zn含量镁合金对深冷处理不敏感，效果不明显。

通过以上实施例可以看出，镁合金中特定合金元素含量的高低和深冷处理效果的联系非常紧密。深冷处理对筛选出的高Sn低Al或低Sn高Al的Mg-Sn-Al合金和高Al低Zn的Mg-Al-Zn合金影响显著，可明显提高其显微硬度；但针对低Al低Sn、低Al低Zn、高Zn含量的镁合金而言，其对深冷处理较不敏感，效果不明显。即深冷处理针对本发明专利中的特定成分镁合金体系具有较好的强化效果，为提高此新型高强耐热镁合金的强度提供了强化新思路和新的技术路线。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种提高镁合金强度的处理方法，其特征为该方法包括以下步骤：

1）将铸态镁合金材料放入液氮中静置5min~24h，或者将铸态镁合金材料依次经过固溶处理、塑性变形处理后放入液氮中，静置5min~24h；

其中，所述的镁合金材料为含6~10%Al、0.5~6%Sn、0.5~2%Zn，或者含6~10%Sn、0.5~6%Al、0.5~2%Zn，其余为Mg及不可避免的杂质；

2）将深冷处理后的镁合金材料取出，置于空气中，自然恢复到室温。

2.如权利要求1所述的提高镁合金强度的处理方法，其特征为所述的固溶处理包括以下步骤：将镁合金材料放置在氩气气氛保护的热处理炉中，在400~500℃的温度下保温4~24小时，然后将材料从热处理炉中取出，并立即放入35~45℃的温水中进行淬火后冷却至室温，即完成对材料进行固溶处理。

3.如权利要求1所述的提高镁合金强度的处理方法，其特征为所述的塑性变形为热挤压变形，其挤压变形温度为200~350℃，挤压速度为2~10m/min，挤压比为25~50。

4.如权利要求1所述的提高镁合金强度的处理方法，其特征为所述的液氮的温度优选为-196℃。