CN111230014B - 一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，属于金属材料制备加工领域。首先，将镁合金锭坯放入均匀化热处理炉进行多级均匀化热处理；采取保温措施，将经过均匀化处理后的镁合金坯料转移至锻压机进行等温多向锻造开坯；将等温多向锻造开坯后的镁合金坯料放入经过预热的模具中进行多向模锻，模具温度等于或略高于坯料温度；将经过多向模锻成型的锻件取出后迅速进行多级余热淬火；将锻件进行振动+深冷处理；将锻件放入时效炉中进行峰时效处理。利用本发明的方法，在工业化条件下可以制备得到细晶、均质、弱织构的高强度、低应力的镁合金箱体类锻件，综合性能达到国内领先水平。

Description

一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法
技术领域
本发明涉及一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，属于金属材料制备加工领域。
背景技术
作为目前最轻的金属结构材料，常见镁合金密度为1.63～1.95g/cm3，约为铝合金的2/3，钢的1/5，低密度与优越的力学性能相结合，使得镁合金作为结构材料的应用受到广泛关注。随着航空航天、武器装备等领域的推广应用，镁合金变形加工材尤其是高性能变形镁合金加工材的应用迫在眉睫，高强度镁合金箱体类零件在飞机发动机附件机匣、进气机匣，直升机传动***机匣，导弹舱体、卫星舱体、战斗机驾驶舱框架、战车发动机部件、轮毂、框架，卫星部件，坦克零部件等领域的应用潜力巨大。
但由于镁合金的塑性变形加工困难、绝对强度低，制约了镁合金材料的发展应用。目前对于镁合金材料，合金体系的选择是获得高强度镁合金材料的关键因素，而合理的制备加工方法也是获得高强度镁合金材料的必备手段。目前在箱体类零件的制造工艺方法上，国内主要有三种生产方式：自由锻扩孔方式、环轧方式及反挤压模锻方式。相对而言，自由锻扩孔成型方式操作简单，工具投入小，但扩孔变形方式受人为影响因素大、变形过程中温降快的影响，存在性能散差大、稳定性差的缺点，且材料利用率较低；整体环轧方式较扩孔方式成型变形均匀，但相对变形量小，且轧制过程温度下降快，易导致组织性能不稳定，且环轧件切向与径向性能差异大，各向异性明显；反挤压模锻成型的箱体类零件处于三向受压应力状态，变形组织均匀、损伤少、性能稳定。
随着等温模锻技术的发展，较之以往锻造能力受限的情况，超高、超大直径箱体类零件的整体锻造成型方式已经成为可能，以等温、准等温反挤压模锻为代表的整体成型工艺方式成为未来箱体类零件制备加工的主流方向。目前在高强度、低应力镁合金锻件的制备过程中，由于其整体变形量大、变形时间长、冷却不均匀等因素造成零件发生变形、开裂的现象较为常见，使高强度镁合金箱体类零件的成品率和稳定性都难以保证，制约了其发展应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，在保证锻件高强度的同时，降低其残余应力水平，提高其成品率和稳定性。
为实现上述目的，本发明对自主开发的多级均匀化热处理、等温多向锻造开坯、多向模锻、多级余热淬火、峰时效处理、振动+深冷等镁合金制备加工工艺进行组合创新，制备出了高强度、低应力的镁合金锻件。
一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，包括以下步骤：
(1)将镁合金锭坯放入均匀化热处理炉进行多级均匀化热处理；
(2)采取保温措施，将经过均匀化处理后的镁合金坯料转移至锻压机进行等温多向锻造开坯；
(3)将等温多向锻造开坯后的镁合金坯料放入经过预热的模具中进行多向模锻，模具温度等于或略高于坯料温度；
(4)将经过多向模锻成型的锻件取出后迅速进行多级余热淬火；
(5)将锻件进行振动+深冷处理；
(6)将锻件放入时效炉中进行峰时效处理。
在步骤(1)中，所述的多级均匀化热处理为三级均匀化热处理，热处理温度在280～540℃之间；三级均匀化热处理的温度逐渐升高，第二级比第一级或第三级比第二级的温度高20～100℃，每级热处理时间为4～24h。第一级热处理使铸锭在凝固析出相开始回溶前达到内外温度均匀，同时使低熔点相开始分解，减小铸锭内外晶粒尺寸差别；第二级热处理考虑工业化条件下炉温波动较大，在避免过烧的情况下使凝固过程中形成的大部分共晶组织分解回溶，第三级热处理适当提高温度，缩短均匀化处理时间，使残留的高熔点相充分回溶，尽量提高基体中合金元素的过饱和度。
在步骤(2)中，等温多向锻造开坯时，砧板温度保持稳定，根据锻件的合金成分，在350～500℃之间选择合适的砧板温度，保证坯料的终锻温度满足后续变形的要求；进行6道次等温多向锻造开坯，道次变形量：第1、2道次40±10％，第3～6道次50±5％；变形速率：第1、2道次0.05±5％s-1，第3～6道次0.1±10％s-1，使变形深入到坯料芯部，充分破碎基体中的第二相颗粒。
在步骤(3)中，模具温度比坯料温度高0～10℃。
在步骤(4)中，所述的多级余热淬火，为将经过多向模锻成型的锻件浸入60～80℃的热水中，保持3～10min，再快速转移至0℃的冰水中浸泡5～15min。
在步骤(5)中，将锻件固定在处理平台上进行振动处理，处理时间控制在5～30min，随后再在液氮中进行深冷处理，处理时间为10～40min；在深冷处理后进行时效处理消除锻件的残余应力，即将锻件从液氮中取出后放在室温下，待其恢复至室温后，再将其放入150～230℃的时效炉中保温30～120min。
在步骤(6)中，所述的峰时效处理的温度为150～230℃，保温时间为6～48h。峰时效处理可以在步骤(5)的时效处理后连续进行，也可以不连续进行，即在步骤(5)时效处理后，可以先进行机械加工，再进行峰时效处理。
利用本发明的上述成套工艺技术，在工业化条件下可以制备得到细晶、均质、弱织构的高强度、低应力的镁合金箱体类锻件，其力学性能达到Rm＝380～460MPa，A＝5～12％，加工后的零件放置6个月后直线度≤0.05、圆度≤0.05、垂直度≤0.05，综合性能达到国内领先水平。
具体实施方式
本发明高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，主要包括以下主要工序：
(1)将镁合金锭坯放入大型均匀化热处理炉进行多级均匀化热处理，在保证铸锭不发生过烧的情况下，使凝固析出相充分回溶；
(2)采取保温措施，将经过均匀化处理后的镁合金坯料直接转移至锻压机进行等温多向锻造开坯(砧板温度保持稳定)，使变形深入到铸锭芯部，充分破碎基体中的第二相颗粒；
(3)将等温多向锻造开坯后的镁合金坯料直接放入经过预热的模具中进行多向模锻(模具温度略高于坯料温度)，避免二次加热过程中合金晶粒长大，同时保留合金多向锻造开坯过程中形成的高密度位错，使等温多向锻造开坯和多向模锻的形变强化效果最大程度叠加；
(4)将经过多向模锻成型的锻件取出后迅速进行多级余热淬火，一方面保留基体中合金元素的高过饱和度，保证后续人工时效的沉淀强化效果，另一方面避免时效前进行固溶处理导致合金晶粒长大和高密度位错降低；
(5)将锻件进行振动+深冷处理，有效降低模锻件在变形和冷却过程中形成的应力，避免后续加工过程中发生变形和开裂，提高锻件的稳定性和成品率；
(6)将锻件放入时效炉中进行峰时效处理，进一步提高锻件的强度，同时提高锻件在服役过程中的稳定性。
实施例1：EW75镁合金箱体类锻件制备
(1)将EW75镁合金大尺寸锭坯放入均匀化热处理炉中，进行多级均匀化处理：400～460℃×8～12h+480～520℃×16h～24h+530～540℃×6～12h，第一级使铸锭在凝固析出相开始回溶前达到内外温度均匀，同时使低熔点相开始分解或转变成高熔点相，减小铸锭内外晶粒尺寸差别；第二级考虑工业化条件下炉温波动较大，在避免过烧的情况下使凝固过程中形成的大部分共晶组织分解回溶，第三级适当提高温度，缩短均匀化处理时间，使残留的高熔点相充分回溶，尽量提高基体中合金元素的过饱和度。
(2)用特制的石棉毡保温箱将经过均匀化处理后的EW75镁合金坯料直接转移至10000吨油压机进行等温多向锻造开坯，砧板温度保持在480～500℃之间，保证坯料开锻温度大于530℃，终锻温度大于480℃；道次变形量：第1、2道次40±10％，第3～6道次50±5％；变形速率：第1、2道次0.05±5％s-1，第3～6道次0.1±10％s-1，使变形深入到坯料芯部，充分破碎基体中的第二相颗粒。
(3)为避免二次加热过程中合金晶粒长大，将等温多向锻造开坯后的EW75镁合金坯料直接转入在480～500℃经过预热的模具(模具实际温度略高于坯料温度)中进行多向模锻，保留合金多向锻造开坯过程中形成的高密度位错，使等温多向锻造开坯和多向模锻的形变强化效果最大程度叠加；
(4)将经过多向模锻成型的EW75镁合金锻件取出后迅速浸入60～80℃的热水中，保持3～10min，再快速转移至0℃的冰水中浸泡5～15min，一方面保留基体中合金元素的高过饱和度，保证后续人工时效的沉淀强化效果，另一方面避免时效前进行固溶处理导致合金晶粒长大和高密度位错降低；
(5)将EW75镁合金锻件固定在处理平台上进行振动处理，处理时间控制在5～30min，随后再在液氮中进行深冷处理，处理时间为10～40min，然后将锻件取出后放在室温下，待其恢复至室温后，再将其放入200～230℃的时效炉中保温30～120min，有效降低锻件在变形和冷却过程中形成的应力，避免后续加工过程中发生变形和开裂，提高模锻件的稳定性和成品率；
(6)将EW75镁合金锻件放入时效炉中，在200～230℃条件下保温6～24h，进行峰时效处理，进一步提高锻件的强度，同时提高锻件在服役过程中的稳定性。
在工业化条件下已制备出了细晶、均质、弱织构的高强度、低应力的EW75镁合金箱体类锻件，其力学性能达到：Rm≥450MPa、A≥5％，加工后的零件放置6个月后直线度≤0.05、圆度≤0.05、垂直度≤0.05，综合性能达到国内领先水平。
实施例2：WE71镁合金箱体类锻件制备
(1)将WE71镁合金大尺寸锭坯放入均匀化热处理炉中，进行多级均匀化处理：350～400℃×8～12h+450～500℃×16h～24h+520～530℃×6～12h，第一级使铸锭在凝固析出相开始回溶前达到内外温度均匀，同时使低熔点相开始分解或转变成高熔点相，减小铸锭内外晶粒尺寸差别；第二级考虑工业化条件下炉温波动较大，在避免过烧的情况下使凝固过程中形成的大部分共晶组织分解回溶，第三级适当提高温度，缩短均匀化处理时间，使残留的高熔点相充分回溶，尽量提高基体中合金元素的过饱和度。
(2)用特制的石棉毡保温箱将经过均匀化处理后的WE71镁合金坯料直接转移至10000吨油压机进行等温多向锻造开坯，砧板温度保持在450～480℃之间，保证坯料开锻温度大于520℃，终锻温度大于450℃；道次变形量：第1、2道次40±10％，第3～6道次50±5％；变形速率：第1、2道次0.05±5％s-1，第3～6道次0.1±10％s-1，使变形深入到铸锭芯部，充分破碎基体中的第二相颗粒；
(3)为避免二次加热过程中合金晶粒长大，将等温多向锻造开坯后的WE71镁合金坯料直接转入在450～480℃经过预热的模具(模具实际温度略高于坯料温度)中进行多向模锻，保留合金多向锻造开坯过程中形成的高密度位错，使等温多向锻造开坯和多向模锻的形变强化效果最大程度叠加；
(4)将经过多向模锻成型的WE71镁合金锻件取出后迅速浸入60～80℃的热水中，保持3～10min，再快速转移至0℃的冰水中浸泡5～15min，一方面保留基体中合金元素的高过饱和度，保证后续人工时效的沉淀强化效果，另一方面避免时效前进行固溶处理导致合金晶粒长大和高密度位错降低；
(5)将WE71镁合金锻件固定在处理平台上进行振动处理，处理时间控制在5～30min，随后再在液氮中进行深冷处理，处理时间为10～40min，然后将锻件取出后放在室温下，待其恢复至室温后，再将其放入180～220℃的时效炉中保温30～120min，有效降低锻件在变形和冷却过程中形成的应力，避免后续加工过程中发生变形和开裂，提高模锻件的稳定性和成品率；
(6)将WE71镁合金锻件放入时效炉中，在180～220℃条件下保温8～32h，进行峰时效处理，进一步提高锻件的强度，同时提高锻件在服役过程中的稳定性。
在工业化条件下已制备出了细晶、均质、弱织构的高强度、低应力的WE71镁合金箱体类锻件，其力学性能达到：Rm≥420MPa、A≥8％，加工后的零件放置6个月后直线度≤0.05、圆度≤0.05、垂直度≤0.05，综合性能达到国内领先水平。
实施例3：AZ80镁合金箱体类锻件制备
(1)将AZ80镁合金大尺寸锭坯放入均匀化热处理炉中，进行多级均匀化处理：280～300℃×6h～12h+350～380℃×12h～18h+390～410℃×4～8h，第一级使铸锭在凝固析出相开始回溶前达到内外温度均匀，同时使低熔点相开始分解或转变成高熔点相，减小铸锭内外晶粒尺寸差别；第二级考虑工业化条件下炉温波动较大，在避免过烧的情况下使凝固过程中形成的大部分共晶组织分解回溶，第三级适当提高温度，缩短均匀化处理时间，使残留的第二相充分回溶，尽量提高基体中合金元素的过饱和度。
(2)用特制的石棉毡保温箱将经过均匀化处理后的AZ80镁合金坯料直接转移至10000吨油压机进行等温多向锻造开坯，砧板温度保持在350～380℃之间，保证坯料开锻温度大于390℃，终锻温度大于350℃；道次变形量：第1、2道次40±10％，第3～6道次50±5％；变形速率：第1、2道次0.05±5％s-1，第3～6道次0.1±10％s-1，使变形深入到铸锭芯部，充分破碎基体中的第二相颗粒；
(3)为避免二次加热过程中合金晶粒长大，将等温多向锻造开坯后的AZ80镁合金坯料直接转入在350～380℃经过预热的模具(模具实际温度略高于坯料温度)中进行多向模锻，保留合金多向锻造开坯过程中形成的高密度位错，使等温多向锻造开坯和多向模锻的形变强化效果最大程度叠加；
(4)将经过多向模锻成型的AZ80镁合金锻件取出后迅速浸入60～80℃的热水中，保持3～10min，再快速转移至0℃的冰水中浸泡5～15min，一方面保留基体中合金元素的高过饱和度，保证后续人工时效的沉淀强化效果，另一方面避免时效前进行固溶处理导致合金晶粒长大和高密度位错降低；
(5)将AZ80镁合金锻件固定在处理平台上进行振动处理，处理时间控制在5～30min，随后再在液氮中进行深冷处理，处理时间为10～40min，然后将锻件取出后放在室温下，待其恢复至室温后，再将其放入150～200℃的时效炉中保温30～120min，有效降低锻件在变形和冷却过程中形成的应力，避免后续加工过程中发生变形和开裂，提高模锻件的稳定性和成品率；
(6)将AZ80镁合金锻件放入时效炉中，在150～200℃条件下保温12～48h，进行峰时效处理，进一步提高锻件的强度，同时提高锻件在服役过程中的稳定性。
在工业化条件下已制备出了细晶、均质、弱织构的高强度、低应力的AZ80镁合金箱体类锻件，其力学性能达到：Rm≥380MPa、A≥10％，加工后的零件放置6个月后直线度≤0.05、圆度≤0.05、垂直度≤0.05，综合性能达到国内领先水平。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，包括以下步骤：
(1)将镁合金锭坯放入均匀化热处理炉进行多级均匀化热处理；所述的多级均匀化热处理为三级均匀化热处理，热处理温度在280～540℃之间；三级均匀化热处理的温度逐渐升高，第二级比第一级或第三级比第二级的温度高20～100℃，每级热处理时间为4～24h；
(2)采取保温措施，将经过均匀化热处理后的镁合金坯料直接转移至锻压机进行等温多向锻造开坯；等温多向锻造开坯时，砧板温度保持稳定，砧板温度在350～500℃之间；进行6道次等温多向锻造开坯，道次变形量：第1、2道次40±10％，第3～6道次50±5％；变形速率：第1、2道次0.05±5％s-1，第3～6道次0.1±10％s-1；
(3)将等温多向锻造开坯后的镁合金坯料直接放入经过预热的模具中进行多向模锻，模具温度等于或略高于坯料温度；
(4)将经过多向模锻成型的锻件取出后迅速进行多级余热淬火；所述的多级余热淬火，为将经过多向模锻成型的锻件浸入60～80℃的热水中，保持3～10min，再转移至0℃的冰水中浸泡5～15min；
(5)将锻件进行振动+深冷处理：将锻件固定在处理平台上进行振动处理，处理时间控制在5～30min，随后再在液氮中进行深冷处理，处理时间为10～40min，然后将锻件取出后放在室温下，待其恢复至室温后，再将其放入150～230℃的时效炉中保温30～120min；
(6)将锻件放入时效炉中进行峰时效处理，所述的峰时效处理的温度为150～230℃，保温时间为6～48h。
2.根据权利要求1所述的高强度、低应力镁合金锻件的制备加工方法，其特征在于：所述的模具温度比坯料温度高0～10℃。
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