CN112481536A - 一种镁合金厚板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种新型镁合金厚板的制备方法，合金质量百分比成分为：Al：3.5‑5.0％，Zn：2.0‑3.5％，Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％，Mn：0.1‑0.8％，RE：0.01‑0.80％，Ca：0.001‑0.090％，Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％，余量为Mg。针对新型Mg‑Al‑Zn合金体系，开发出制备低各向异性、高强度的大规格镁合金厚板的成型工艺，以满足航空航天、武器装备、汽车等领域对低成本、高性能镁合金厚板材的迫切需求。

Description

一种镁合金厚板及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及到一种大规格镁合金厚板的制备方法，以及由该方法制备得到的镁合金厚板。
背景技术
镁合金具有比强度比刚度高、导热性好、电磁屏蔽及阻尼减震性能优、易于机加工等优势，是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为铝合金的2/3、钢铁的1/4。因此，镁合金是一种理想的轻量化结构材料，显著的减重效果使其在航空航天、国防军工、汽车、轨道交通等领域具有非常广大的市场。
但是纯镁相比其他金属，绝对强度偏低，通常需要采用合金化的方法，向纯镁中添加Al、Zn、Ca、Mn或稀土元素等合金化元素来增加纯镁的强度。如向纯镁中加入适当含量的Al、Zn元素能有效提高镁合金的力学性能和加工性能，这也是Mg-Al-Zn系合金成为最常用商用镁合金的重要原因之一。本团队前期研究表明，通过调节Al、Zn元素的含量，并添加适量Gd、Y等稀土元素，可以制备得到一种微稀土镁合金，经过变形加工后其抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能大幅提升。这种新型高延展性中强镁合金的成本较低，性价比高。
轧制是镁合金板材，尤其是大宽幅厚板材的主要生产方式。然而厚板沿轧制方向存在明显的轧制织构，导致板材各向异性显著，不利于板材的实际使用；且厚板轧制成形难度大、对材料变形能力要求高。同时，针对不同的合金体系，轧制工艺区别较大，工艺的差别对于产品的性能影响巨大。因此，本发明针对新型Mg-Al-Zn系合金，开发出与之匹配的轧制工艺，制备出低各向异性中高强度的镁合金厚板，对扩大镁合金使用范围，推广镁合金的产业化应用具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种制备低各向异性、高强度的新型镁合金厚板的成型工艺，以满足航空航天、武器装备、汽车等领域对低成本、高性能镁合金厚板材的迫切需求。
本发明提供一种镁合金厚板的制备方法，选用的镁合金质量百分比成分为Al：3.5-5.0％
Zn：2.0-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁。
所述的RE指的是稀土元素。
制备过程还包括以下步骤：
(1)采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
(2)铸棒在均匀化退火及加工后得到坯料，坯料在420-460℃进行锻造开坯，得到方坯；
(3)方坯在380-460℃经过多道次、多向、变温、变压下量热轧，得到镁合金轧板；
(4)镁合金轧板在190-240℃保温5-20h热压平处理，冷却。
进一步地，所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％。
进一步地，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％。
进一步地，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％。
进一步地，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％。
进一步地，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％。
进一步地，所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％。
进一步地，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
进一步地，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
进一步地，步骤(1)中得到直径Φ240-450mm、长度大于3000mm的镁合金铸棒。
进一步地，步骤(2)中均匀化铸棒在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ220-400mm、长度300-1000mm的坯料，退火工艺为：400-430℃保温10-20h。
进一步地，步骤(2)锻造开坯的方坯厚度为60-150mm。
进一步地，步骤(4)中得到厚度20-50mm、宽度300-900mm的镁合金厚板材。
进一步地，冷却方式为空冷。
本发明中多向、变温、变压下量的轧制可以使镁合金板材在轧制过程中形成的变形织构明显减弱，各向异性降低。长时间热压平处理，是为了在压平轧板的同时对其进行时效处理，保证板材平整度同时减小板材内应力、提升力学性能的稳定性。镁板终轧方向和横向室温抗拉强度≥320MPa、屈服强度≥230MPa、延伸率≥18％，两方向屈服强度差值≤20MPa。
所述步骤(3)热轧的变压下量区间为5-30％，变温区间为380-460℃，热轧前将坯料在430-460℃保温3-5h进行预热处理。
所述步骤(3)多道次多向热轧是方坯的长度方向和宽度方向多次变换方向，交替轧制。
所述步骤(3)变温热轧是降温轧制过程，首先采用轧制温度430-460℃，完成设定总压下量的60-80％；随后采用轧制温度380-430℃，完成设定总压下量剩余的40-20％。当锭坯表面温度低于350℃时回炉退火，退火保温时间为20-80min。
所述步骤(3)热轧采用变压下量轧制是道次压下量随轧制温度变化而变化，轧制温度430-460℃，道次压下量为15％-30％；轧制温度380-430℃，道次压下量为5-15％。
所述步骤(3)热轧轧辊加热温度为200-350℃，轧制速度为15-30m/min。
本发明还提供一种镁合金厚板，由上述的方法制备得到。
有益效果：
针对一种新型稀土微合金化Mg-Al-Zn系合金，首次提出该合金厚板材的轧制成形工艺，解决了镁合金厚板轧制困难、力学性能较低、各向异性明显的技术难题。
本发明将合金中Al含量控制在3.5-5.0％、Zn含量控制在2.0-3.5％，其总和控制在6-8％之间。其作用在于：(1)镁合金中Al元素的添加可与镁基体生成Mg17Al12相，提高合金室温强度，但当Al含量过高时，Mg17Al12相会沿晶界呈条状分布，不利于厚板的轧制成型。(2)Zn的添加在镁合金中起到固溶强化和时效强化作用，同时可以提高杂质元素的容许极限，减小杂质的不利影响；Zn含量过高会引起铸造的热烈倾向，同时还会降低合金的耐蚀性能，限制材料后续的实际应用。所以，Al+Zn含量过低，合金力学性能显著降低；Al+Zn含量过高时，镁合金铸造时容易热裂，且塑性和耐腐蚀性能变差，不利于厚板的轧制成型及后续的使用。因此，将Al+Zn控制在6-8％之间，既可保证合金具有较高的力学性能，同时具有良好的塑性变形能力和耐腐蚀性能。
稀土微合金化可在不明显提高材料成本的前提下，有效改善Mg-Al-Zn系合金力学性能和塑性加工性能。RE元素对力学性能的改善主要源于：(1)有效细化镁合金晶粒，提高细晶强化能力；(2)稀土元素的加入促进时效析出行为，实现析出强化；(3)稀土元素能在变形过程中有效钉扎晶界，阻碍晶粒转动，弱化轧制变形织构，降低板材各向异性。
本发明采用自由锻造开坯，消除锭坯铸造缺陷、显著细化合金组织，为后续轧制提供塑性优良的坯料、提高轧制成材率。
本发明采用多向、变温、变压下量热轧，多向轧制可以弱化织构，降低板材的各向异性，同时保证各方向变形的均匀性，提高板材质量；变温、变压下量可以使大部分变形量集中在轧制温度较高的前道次，小部分变形量集中在轧制温度较低的后道次，这样能在保证足够强度的基础上，有效弱化轧制织构，同时显著降低轧制开裂风险、提高成品率。
附图说明
图1为本发明变形工艺制备的厚板材。
图2为本发明变形工艺制备的厚板材。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
以Mg-4.1Al-3.5Zn-0.2Mn-0.016Ca-0.47Gd(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ370mm，长度4000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ340mm，长度400mm的锻造坯料，均匀化退火工艺为：420℃保温15h；坯料在450℃保温12h后，自由锻造成400mm宽，80mm厚的方坯；
3.方坯在460℃保温3h，轧辊温度加热到250℃，轧制速度20m/min，经过4道次多向、变温、变压下量轧制，得到45mm厚、800mm宽、长1000mm的厚板材，道次压下量分别为18.8％、15.4％、12.7％、6.3％，热轧过程中坯料沿长度方向和宽度方向交替轧制，前两道次结束后，坯料回炉在430℃保温30min，后两道次间坯料回炉在430℃保温20min；
4.轧制板材在220℃保温10h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例2
以Mg-4.5Al-2.4Zn-0.5Mn-0.008Ca-0.32Gd-0.18Y(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ250mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ230mm，长度350mm的锻造坯料，均匀化退火工艺为：420℃保温15h；坯料在450℃保温12h后，自由锻造成350mm宽，80mm厚的方坯；
3.方坯在460℃保温3h，轧辊温度加热到250℃，轧制速度20m/min，经过6道次多向、变温、变压下量轧制，得到25mm厚、670mm宽、长900mm的厚板材，压下量分别为25.0％、25.0％、26.7％、9.1％、6.7％、10.7％，热轧过程中坯料沿长度方向和宽度方向交替轧制，前两道次结束后，坯料回炉在460℃保温40min，第三道次结束后，坯料回炉在430℃保温30min，后三道次间坯料回炉在430℃保温20min；
4.轧制板材在220℃保温10h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
实施例3
以Mg-4.1Al-3.5Zn-0.2Mn-0.016Ca-0.47Gd(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ370mm，长度4000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ340mm，长度400mm的锻造坯料，均匀化退火工艺为：420℃保温15h；坯料在450℃保温12h后，自由锻造成400mm宽，80mm厚的方坯；
3.方坯在450℃保温3h，轧辊温度加热到250℃，轧制速度20m/min，经过4道次多向、变温、变压下量轧制，得到45mm厚、800mm宽、长1000mm的厚板材，压下量分别为18.8％、15.4％、12.7％、6.3％，热轧过程中坯料沿长度方向和宽度方向交替轧制，前两道次结束后，坯料回炉在380℃保温40min，后两道次间坯料回炉在380℃保温20min；
4.轧制板材在220℃保温10h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。
对比例1
以Mg-4.5Al-2.4Zn-0.5Mn-0.008Ca-0.32Gd-0.18Y(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ250mm，长度5000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ230mm，长度350mm的锻造坯料，均匀化退火工艺为：420℃保温15h；坯料在450℃保温12h后，自由锻造成350mm宽，80mm厚的方坯；
3.方坯在460℃保温3h，轧辊温度加热到250℃，轧制速度20m/min，经过4道次多向、变温、变压下量轧制，得到45mm厚、320mm宽、长1000mm的厚板材，压下量分别为18.8％、15.4％、12.7％、6.3％，热轧过程中坯料沿长度方向和宽度方向交替轧制，前两道次结束后，坯料回炉在460℃保温40min，后两道次间坯料回炉在460℃保温20min；
4.轧制板材在220℃保温10h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。由表可知，对比例1中板材纵向和横向抗拉强度、屈服强度均低于实施例1-3。
对比例2
以Mg-4.1Al-3.5Zn-0.2Mn-0.016Ca-0.47Gd(wt.％)合金板材为例对本发明进行详细阐述。
1.半连续铸造，得到直径Φ370mm，长度4000mm的镁合金铸棒；
2.铸棒均匀化退火后经机加车皮、超声探伤、锯切下料，得到直径Φ340mm，长度400mm的锻造坯料，均匀化退火工艺为：420℃保温15h；坯料在450℃保温12h后，自由锻造成400mm宽，80mm厚的方坯；
3.方坯在460℃保温3h，轧辊温度加热到250℃，轧制速度20m/min，经过4道次多向、变温、变压下量轧制，得到45mm厚、800mm宽、长1000mm的厚板材，压下量分别为7.5％、8.1％、17.6％、19.6％，热轧过程中坯料沿长度方向和宽度方向交替轧制，前两道次结束后，坯料回炉在460℃保温40min，后两道次间坯料回炉在460℃保温30min；
4.轧制板材在220℃保温10h热压平处理后，沿不同方向的室温拉伸力学性能结果如表1所示。由表可知，对比例2中板材纵向和横向抗拉强度、屈服强度均低于实施例1-3。
表1实施例/对比例中板材室温拉伸力学性能
Figure BDA0002761555370000101
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁合金厚板的制备方法，其特征在于：选用的镁合金质量百分比成分为Al：3.5-5.0％
Zn：2.0-3.5％
Al含量与Zn含量总和为：6％≤Al+Zn≤8％
Mn：0.1-0.8％
RE：0.01-0.80％
Ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁；
所述的RE指的是稀土元素；
制备过程还包括以下步骤：
(1)采用半连续铸造，制得镁合金铸棒；
(2)铸棒在均匀化退火及加工后得到坯料，坯料在420-460℃进行锻造开坯，得到方坯；
(3)方坯在380-460℃经过多道次、多向、变温、变压下量热轧，得到镁合金轧板；
(4)镁合金轧板在190-240℃保温5-20h热压平处理，冷却。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁合金材料包含Fe、Si、Cu、Ni等不可避免的杂质元素，其中Fe≤0.005％，Si≤0.05％，Cu≤0.005％，Ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％，所述合金成分Al的质量百分比为4.0-5.0％，所述合金成分Zn的质量百分比为2.0-3.0％，所述合金成分Al含量与Zn含量总和为：6.5％≤Al+Zn≤8.0％，所述合金成分Mn的质量百分比为0.2-0.6％，所述合金成分Ca的质量百分比为0.002-0.060％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金成分RE元素包括Gd、Y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％，当所述合金成分RE为Gd、Y两者混合时，其质量比为Gd:Y＝(0.01-100):1。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中均匀化退火铸棒在经机械车皮、超声探伤、锯切下料等检测、加工步骤后，得到直径Φ220-400mm、长度300-1000mm的坯料，退火工艺为：400-430℃保温10-20h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)锻造开坯的方坯厚度为60-150mm，步骤(4)中得到厚度20-50mm、宽度300-900mm的镁合金厚板材。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)热轧的变压下量区间为5-30％，变温区间为380-460℃，热轧前将坯料在430-460℃保温3-5h进行预热处理。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)多道次多向热轧是方坯的长度方向和宽度方向多次变换方向，交替轧制。步骤(3)变温热轧是降温轧制过程，首先采用轧制温度430-460℃，完成设定总压下量的60-80％；随后采用轧制温度380-430℃，完成设定总压下量剩余的40-20％。当锭坯表面温度低于350℃时回炉退火，退火保温时间为20-80min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)热轧采用变压下量轧制是道次压下量随轧制温度变化而变化，轧制温度430-460℃，道次压下量为15％-30％；轧制温度380-430℃，道次压下量为5-15％。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)热轧轧辊加热温度为200-350℃，轧制速度为15-30m/min。
10.本发明还提供一种镁合金厚板，由上述制备方法制备得到。
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