一种Mg-Y-Zn镁合金棒材的成形工艺

一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺
技术领域
1.本发明涉及镁合金变形加工领域，特别涉及一种mg-y-zn镁合金棒材的塑性成形工艺。


背景技术：

2.镁合金具有密度低、比强度高、阻尼减震性好、易于回收等优点，在航空航天、汽车工业等领域展现出广阔的发展前景。然而，镁合金在室温时占主导的基面滑移机制只能提供2个独立的滑移系，低于均匀塑性变形所需的5个，导致其室温延伸率较低。当温度进一步降低至零度以下时，镁合金非基面滑移与基面滑移临界剪切应力之间的差距更大，受载时非基面滑移更加难以启动，且位错的增殖速度和塞积程度更高，导致镁合金构件在低温条件下的延伸率急剧下降，容易出现脆断事故。
3.随着工程领域对节能减排、环境保护的要求不断提高，轻质镁合金材料的应用潜力不断增加。特别是在航空航天、深海探测、石油气深冷分离、高压流体储运等领域的低温条件下，要发挥镁合金的轻量化优势，就必须要克服其低温脆性的缺点，以防止设备零部件在使用过程中发生没有任何征兆的脆性破断而造成人员损伤或经济损失。为了充分发挥我国镁资源优势、扩大镁产品应用范围及附加值，有必要开发出一系列高强高韧耐低温镁合金。


技术实现要素：

4.为了获得高强韧耐低温镁合金棒材，本发明提供一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺。具体技术方案如下。
5.一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于：mg-y-zn镁合金的质量百分比成分为y：6.0-10.0％、zn：0.5-2.5％，其余为mg和不可去除杂质，所述成形工艺包括以下步骤：
6.a、熔炼并半连续铸造出mg-y-zn合金棒材；
7.b、对铸锭进行均匀化退火处理；
8.c、均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以10-50mm/s的压下速度进行变形量为30-40％镦粗变形，获得mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ125-135mm；
9.d、挤压前，将该坯料和模具在380-460℃保温1-3h；保温结束后，取出锭坯装入挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为20-35mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为0.5-3.5mm/s；棒材挤出后空冷；
10.e、对挤出棒材进行时效处理。
11.优选地，所述步骤a中的mg-y-zn合金棒材的直径为φ105-120mm、长度为140-180mm。
12.优选地，所述步骤b中，退火工艺为：420-460℃保温4-6h后升温至500-520℃保温20-30h。
13.优选地，所述步骤d中，挤压孔的孔径为φ20mm。
14.优选地，所述步骤e中，时效工艺为：180-220℃保温30-80h，空冷。
15.其中，所述步骤e时效处理后棒材在零下100℃的低温条件下屈服强度≥300mpa、抗拉强度≥380mpa、断后延伸率≥10％。
16.上述方案中，对铸锭进行均匀化处理的目的是消除枝晶偏析、促使成分均匀、去除残余应力等，以提高锭坯的塑性成形能力。铸锭中的lpso相形貌在均匀化退火时将发生变化，科学地选择均匀化退火温度与保温时间可为后续的挤压与时效提供最佳的lpso相初始形貌。本专利申请通过大量试验验证发现：选取420-460℃保温4-6h后升温至500-520℃保温20-30h后空冷的双级均匀化退火工艺可使得合金晶间lpso相规整、晶内lpso相数量稀少，既防止挤压过程中的动态再结晶被晶内lpso相抑制，又可促使挤压时适量lpso相在再结晶晶粒内部动态析出；进行20-50％镦粗变形，避免锭坯开裂，同时形成压缩基面织构，使得锭坯中部分晶粒c轴与镦粗方向平行，且在后续挤压变形过程中难以发生晶格转动，最终导致该晶体取向得以保留。采取380-460℃、液压杆推进速度为0.5-3.5mm/s的挤压工艺，可确保均匀化态合金再结晶充分、晶粒细化，关键是在再结晶晶粒内部动态析出尺寸、密度适宜的针状lpso相，这些lpso相在低温环境下具有明显的促进镁基体非基面滑移的效果，且不会阻碍孪生变形。采用偏心孔模具，使得远离出模孔的金属在挤压出模前沿垂直于挤压方向发生一定程度的流动，进而使得这部分晶粒的c轴与挤压方向平行，进一步强化该类织构组分，在低温时可促进拉伸孪晶的生成来协调应变、弥补滑移系的不足，从而提高合金的塑性。低温时，非基面滑移与孪生同时参与协调变形，对于提升镁合金的低温韧性至关重要。综合材料成分、均匀化退火与挤压工艺设定的时效制度(180-220℃保温30-80h及空冷)可促成适量纳米尺寸沉淀相的析出，在不显著降低延伸率的前提下提高合金的强度。最终获得在零下100℃时屈服强度≥300mpa、抗拉强度≥380mpa、断后延伸率≥10％的高强高韧耐低温镁合金棒材。
17.本发明的主要优点在于：传统的锻造、挤压塑性成形设备即可满足棒材的生产，通过科学的工艺设计与集成，制备出高强高韧耐低温镁合金棒材，满足航空航天等领域对宽温幅，特别是耐低温镁合金的迫切需求。
附图说明
18.图1是实施例1的mg-y-zn合金棒材的宏观照片；
19.图2是实施例1的mg-y-zn合金棒材的极图及晶粒取向示意图；
20.图3是实施例1的mg-y-zn合金棒材的扫描电子显微照片；
21.图4是实施例2的mg-y-zn合金棒材的极图及晶粒取向示意图；
22.图5是实施例2的mg-y-zn合金棒材的扫描电子显微照片；
23.图6是对比例1的mg-y-zn合金棒材的极图及晶粒取向示意图；
24.图7是对比例1的mg-y-zn合金棒材的扫描电子显微照片；
25.图8是对比例2的mg-y-zn合金棒材的极图及晶粒取向示意图；
26.图9是对比例3的mg-y-zn合金棒材的极图及晶粒取向示意图。
具体实施方式
27.本发明通过调节成分及加工工艺参数，做了大量对比实验。下面例举部分实施例对本发明作进一步说明。这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明构思前提下对本发明工艺进行改进，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1：
29.熔炼并半连续铸造出直径为φ105mm长度为145mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-6.0y-1.3zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：460℃保温4h后升温至520℃保温20h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以35mm/s的压下速度进行40％镦粗变形，获得直径约为φ135mm、长度为87mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ125mm；挤压前，将该坯料和模具在460℃保温1h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为35mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为2mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：220℃保温30h，空冷。所制得棒材的宏观照片见附图1，极图及晶粒取向示意图见附图2，扫描电子显微照片见附图3，在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
30.实施例2：
31.熔炼并半连续铸造出直径为φ120mm长度为140mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-10.0y-2.5zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：430℃保温4h后升温至505℃保温25h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以50mm/s的压下速度进行30％镦粗变形，获得直径约为φ143mm、长度为98mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ135mm；挤压前，将该坯料和模具在400℃保温2h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为25mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为3.5mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：180℃保温80h，空冷。所制得棒材极图及晶粒取向示意图见附图4，扫描电子显微照片见附图5，在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
32.实施例3：
33.熔炼并半连续铸造出直径为φ110mm长度为180mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-7.5y-0.5zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：420℃保温4.5h后升温至505℃保温28h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以10mm/s的压下速度进行40％镦粗变形，获得直径约为φ142mm、长度为108mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ130mm；挤压前，将该坯料和模具在380℃保温3h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为20mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为0.5mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：215℃保温40h，空冷。所制得棒材在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
34.对比例1：
35.熔炼并半连续铸造出直径为φ105mm长度为145mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-6.0y-2.7zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：460℃保温4h后
升温至520℃保温20h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以35mm/s的压下速度进行40％镦粗变形，获得直径约为φ135mm、长度为87mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ125mm；挤压前，将该坯料和模具在460℃保温1h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为35mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为2mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：220℃保温30h，空冷。所制得棒材极图及晶粒取向示意图见附图6，扫描电子显微照片见附图7，在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
36.对比例2：
37.熔炼并半连续铸造出直径为φ120mm长度为140mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-10.0y-2.5zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：430℃保温4h后升温至505℃保温25h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以50mm/s的压下速度进行18％镦粗变形，获得直径约为φ132mm、长度为115mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ125mm；挤压前，将该坯料和模具在400℃保温2h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为25mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为3.5mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：180℃保温80h，空冷。所制得棒材极图及晶粒取向示意图见附图8，在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
38.对比例3：
39.熔炼并半连续铸造出直径为φ110mm长度为180mm的mg-y-zn合金棒材；合金的质量百分比含量为mg-7.5y-0.5zn。对铸锭进行均匀化退火处理，退火工艺为：420℃保温4.5h后升温至505℃保温28h；均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以10mm/s的压下速度进行40％镦粗变形，获得直径约为φ142mm、长度为108mm的mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ130mm；挤压前，将该坯料和模具在380℃保温3h；保温结束后，取出锭坯装入直径为φ150mm挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为15mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为0.5mm/s；棒材挤压出空冷。对挤出棒材进行时效处理，工艺为：215℃保温40h，空冷。所制得棒材极图及晶粒取向示意图见附图9，在零下100℃时的力学性能测试结果见表1。
40.表1实施例与对比例中镁合金构件在零下100℃条件下的力学性能
41.[0042][0043]
从表1可以看出，实施例1-3的镁合金棒材在零下100℃低温条件下的综合力学性能明显优于对比例1-3，兼具高强韧和耐低温特点。
[0044]
从图1可以看出，实施例1制备出的mg-y-zn镁合金棒材表面规整、光滑、无裂纹。由图2、4可知，实施例1、2中出现了反常织构，即基面倾向与挤压方向垂直。这种织构组分导致沿挤压方向拉伸时，容易产生孪生变形，在低温滑移系受阻的情况下协调塑性应变产生高延伸率。由图3、5可见，实施例1、2的挤压态棒材镁基体再结晶充分且晶粒尺寸得到了明显细化，lpso相沿挤压方向定向排列且体积分数适中，促进了实施例棒材强度的提高。
[0045]
结合图2和图6、图3和图7，通过对比实施例1和对比例1，当zn含量超过2.5％后，形成过量、粗大的lpso相，在受载时易产生应力集中和应变不协调，从而同时降低合金强度及塑性；此外，过量的lpso相造成对比例1中棒材未能形成反常织构。结合图4和图8，通过对比实施例2和对比例2可以看出，过小的镦粗变形量难以形成反常织构，使得棒材的强度和塑性均显著降低。同时，通过对比实施例3和对比例3，孔心与模具正中心的距离过近也造成了对比例3中挤压棒材难以形成反常织构(如图9所示)，导致其低温综合力学性能不足。
[0046]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于：mg-y-zn镁合金的质量百分比成分为y：6.0-10.0％、zn：0.5-2.5％，其余为mg和不可去除杂质，所述制备工艺包括以下步骤：a、熔炼并半连续铸造出mg-y-zn合金棒材；b、对铸锭进行均匀化退火处理；c、均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以10-50mm/s的压下速度进行30-40％镦粗变形，获得mg-y-zn合金棒材，机加工至直径为φ125-135mm；d、挤压前，将该坯料和模具在380-460℃保温1-3h；保温结束后，取出锭坯装入挤压筒中，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为20-35mm，从模孔挤出直径为φ20mm的棒材；卧式正向挤压时，液压杆的推进速度为0.5-3.5mm/s；棒材挤出后空冷；e、对挤出棒材进行时效处理。2.根据权利要求1所述的一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于，所述步骤a中的mg-y-zn合金棒材的直径为φ105-120mm、长度为140-180mm。3.根据权利要求1所述的一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于，所述步骤b中，退火工艺为：420-460℃保温4-6h后升温至500-520℃保温20-30h。4.根据权利要求1所述的一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于，所述步骤d中，挤压孔的孔径为φ20mm。5.根据权利要求1所述的一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于，所述步骤e中，时效工艺为：180-220℃保温30-80h，空冷。6.根据权利要求1所述的一种mg-y-zn镁合金棒材的成形工艺，其特征在于，所述步骤e时效处理后棒材在零下100℃的低温条件下屈服强度≥300mpa、抗拉强度≥380mpa、断后延伸率≥10％。

技术总结
本发明公开了一种Mg-Y-Zn镁合金棒材的成形工艺，包括以下步骤：A、熔炼并半连续铸造出Mg-Y-Zn合金棒材；B、对铸锭进行均匀化退火处理；C、均匀化退火处理后取出锭坯空冷至室温，车皮，采用液压机以10-50mm/s的压下速度进行30-40％镦粗变形，获得Mg-Y-Zn合金棒材，机加工至直径为Φ125-135mm；D、挤压前，将该坯料和模具在380-460℃保温1-3h；保温结束后，采用偏心孔模具进行卧式正向挤压，孔心与模具正中心的距离为20-35mm，从模孔挤出直径为Φ20mm的棒材；液压杆的推进速度为0.5-3.5mm/s；棒材挤出后空冷；E、对挤出棒材进行时效处理。采用该工艺所制备出的镁合金棒材在低温环境下展现出高强度和高延伸率，扩宽了镁合金构件的应用场景。场景。场景。


技术研发人员：周小杰 张睿智 张健 卢先正 陈小敏 夏海友 肖淞珂
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9