一種大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝，為制備厚度≥150mm鎂合金厚板提供一種鍛造成形工藝。具體步驟為：大爐熔煉、半連續鑄造、均勻化退火、變溫多向鍛造、快鍛成形和成形后熱處理，其中變溫多向鍛造在油壓機上進行，鍛造前500-530℃保溫錠坯4-6h、壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-50%、拔長道次壓下量5-10%，快鍛成形在空氣錘上進行，快鍛前480-500℃保溫錠坯2-4h。該工藝充分發揮鎂合金高溫塑性，顯著提高其使用性能。厚板200℃時長向、寬向、高向抗拉強度≥330MPa、伸長率≥8%。
【專利說明】一種大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝
[0001]【技術領域】
本發明涉及鎂合金的變形加工領域，特別涉及一種Mg-RE系合金的鍛造變形領域。
【背景技術】
[0002]近年來隨著航空航天領域的快速發展，材料減重已經成為該領域的重要要求。鎂合金密度小、比強度高、抗震減噪性能好，是航空航天領域理想的輕質材料。目前鎂合金多以鑄件的形式應用于該領域，變形件相對較少。鎂合金常溫下可開動的滑移系少，對變形速率敏感，變形加工困難。鎂合金經變形后可制備形狀尺寸多樣化的結構件，且顯著改善微觀組織提高力學性能，大大擴展了鎂合金的應用范圍。目前研究較為成熟的變形鎂合金體系有Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系、Mg-Li系等。但其普遍存在著強度低、耐熱性能差等缺點，無法滿足航空航天領域的性能要求，特別強度與耐熱性的要求。研究發現在鎂合金中添加Gd、Nd、Y等稀土元素，可以顯著提高室溫強度與高溫強度。然而稀土元素的加入在提高性能的同時也為變形加工增加了難度。稀土鎂合金變形抗力大，變形溫度范圍窄。這成為制約Mg-Gd-Y系合金變形件制備的技術瓶頸。目前尚未有高性能、大尺寸Mg-Gd-Y系合金變形件制備的報道。特別是本發明制備的厚度≤150mm，三向室溫抗拉強度≤360MPa，200°C三向抗拉強度> 330MPa的厚板。本發明針對航空航天領域的實際需求，首次提出厚度> 150mm板材的鍛造成形工藝，制備出大規格、高強度、高耐熱性能鎂合金厚板。
[0003]
【發明內容】
:
本發明目的是為制備厚度> 150mm高強耐熱鎂合金厚板提供一種成形工藝。本發明提出的成形工藝如下。
[0004]1、采用大容量熔煉爐熔化原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ200-300.ι的合金鑄錠，其成分為(wt.%):Gd 7.0-9.0%、Y 2.0-4.0%、Zr 0.4-0.7%、Cu ( 0.05%、Si ( 0.05%,Fe ( 0.01%,Ni ( 0.005%，其余為Mg。半連續澆鑄的鑄錠具有無裂紋、缺陷少及成分偏析小等優點。高質量的鑄錠是變形加工順利進行的有力保障。
[0005]2、為減少或消除非平衡凝固過程中產生的枝晶偏析，對錠坯進行雙級均勻化退火處理。
[0006]4、500-530 V保溫錠坯4_6h，在油壓機上對錠坯進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-50%、拔長道次壓下量5-10%、上下砧板溫度200-250°C。鍛造過程中當錠坯表面溫度低于430°C時回爐退火，退火溫度480°C _520°C、保溫時間2-3h，且每次回爐退火溫度相對前一退火溫度次降低10-20°C。經3次以上鐓拔后將錠坯鍛造成方坯，該方坯為低溫快鍛過程在高向與寬向上預留10-15%的變形量。Mg-Gd-Y系合金鍛造溫度范圍窄 ，對變形速度敏感。因此合理制定鍛造溫度、變形速度、變形量等工藝參數是能夠鍛造變形的關鍵。同時這些工藝參數對顯微組織影響很大，進而影響力學性能。為發揮該合金良好的成形性并保證最終厚板的力學性能，本發明采用變溫鍛造開坯與低溫快鍛成形相結合的方式來制備該厚板。鎂合金高溫鍛造過程中發完全生動態再結晶，不僅起到軟化作用，還細化了晶粒、改善了鑄態組織、顯著提高力學性能、改善了后續成形性。
[0007]5、480-500°C保溫錠坯2_4h，在空氣錘上進行快鍛成形，鍛造出厚度150_200mm、寬度150-300 mm、長度400-600mm的厚板。高溫鍛造顯著改善了合金的成形性,但由于溫度高、速度慢，變形過程中發生了完全動態再結晶，晶粒長大明顯，起不到細化晶粒的效果，因此力學性能并不高。為解決這一難題本發明利采用低溫快鍛成形的方式進一步改善合金的顯微組織以提高力學性能。
[0008]6、對厚板進行熱處理，熱處理工藝為:450°C保溫2h后，220_230°C保溫20_30h。
[0009]7、厚板長向、寬向、高向常溫屈服強度≤270MPa、抗拉強度≤360MPa、伸長率≤6% ;200°C抗拉強度≤330MPa、伸長率≤8%。
[0010]本發明胡優點。
[0011]I)本發明首次提出厚度≤150mm鎂合金厚板的鍛造成形工藝。由于厚板的尺寸大，很難通過擠壓、軋制等變形方式實現成形。因此本發明提出了鍛造成形的方式，并將該成形工藝參數細化，成功制備出厚度> 150mm的大尺寸鎂合金厚板。
[0012]2)鎂合金高溫塑性好，易于變形。但高溫下材料軟化明顯，強度降低。為解決這一技術難題，本發明提出了變溫多向鍛造與快速鍛造相結合，不僅發揮了鎂合金高溫塑性，并保證了板材的最終性能。
【具體實施方式】
[0013]實施例1:利用大爐熔融原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ200πιπι、長度480 mm的Mg-8Gd-3Y-0.6Zr (wt.%)合金錠坯，并對鑄錠進行均勻化退火。520°C保溫錠坯4h，在油壓機上進行鐓拔式鍛造開坯，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30_50%、拔長道次壓下量5-10%。當錠坯溫度低于430°C時回爐退火，退火溫度510°C、保溫時間2h，每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低10°C。退火后重復鐓拔過程，經3次鐓拔后將鑄錠鍛造成近終尺寸的方坯。該方坯為低溫快鍛過程在高向與寬向預留10-15%的變形量。將方坯在500°C保溫2h后，在空氣錘上進行快速鍛造成形，鍛造出厚度150 mm、寬200 mm長、500mm的厚板。對厚板進行熱處理，熱處理工藝為450°C保溫2h再200°C保溫30h。經熱處理后厚板三向拉伸性能列于表1。
[0014]實施例2:首先利用大熔煉爐熔融原料，半連續鑄造后機械加工出直徑Φ300πιπι、長度400 mm的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr (wt.%) (wt.%)合金錠坯，并對鑄錠進行均勻化退火處理。530°C保溫坯料6h后在液壓機上進行鐓拔式鍛造開坯，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-50%、拔長道次壓下量5-10%。當錠坯表面溫度低于430°C時回爐退火，退火溫度510°C、保溫時間2h，每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低20°C。退火后重復鐓拔過程，經3次鐓拔后將錠坯鍛造成方坯。該方坯為低溫快鍛過程在高向與寬向上預留10-15%的變形量。方坯在480°C保溫4h后，在空氣錘上進行快鍛成形，鍛造出厚度200 mm、寬300mm長、470mm的厚板。對厚板進行熱處理，熱處理工藝為450°C保溫2h再230°C保溫20h。熱處理后厚板拉伸性能列于表1。
[0015]實施例3:利用大熔煉爐熔融原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ300πιπι、長度500 mm的Mg-9Gd-2Y_0.6Zr (wt.%)合金錠坯，并對鑄錠進行均勻化退火。500°C保溫坯料Sh后在油壓機上進行鐓拔式鍛造開坯，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30_50%、拔長道次壓下量5-10%。當錠坯表面溫度低于430°C時回爐退火，退火溫度490°C、保溫時間4h，每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低10°C。退火后重復鐓拔過程，經3次鐓拔后將錠坯鍛造成方坯。該方坯為低溫快鍛過程在高向與寬向上預留10-15%的變形量。方坯在490°C保溫3h后，在空氣錘上進行快鍛成形，鍛造出厚度200 mm、寬300 mm長、580mm的厚板。對厚板進行熱處理，熱處理工藝為450°C保溫2h再20(TC保溫30h。經熱處理后厚板拉伸性能列于表1。
[0016]表1實施例中鎂合金厚板力學性能
【權利要求】
1.一種大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝，合金質量百分比成分為Gd7.0-9.0%、Y 2.0-4.0%、Zr 0.4-0.7%、Cu ≤ 0.05%、Si≤ 0.05%、Fe ≤ 0.01%、Ni ≤0.005%,其余為Mg，其特征在于具體工藝步驟為: A.大爐熔煉； B.半連續鑄造，機械加工出直徑Φ200-300πιπι的錠坯； C.對錠坯進行均勻化退火； D.500-530°C保溫錠坯4-6h后，在液壓機上對錠坯進行鐓拔式多向鍛造，下壓速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-50%、拔長道次壓下量5-10%、上下砧板溫度200-250°C，當錠坯表面溫度低于430°C時回爐退火，退火溫度480_520°C、保溫時間2_3h，經至少3次鍛鐓拔后將錠坯鍛造成方坯，該方坯為快鍛成形過程在寬向與高向上預留10-15%的變形量； E.480-500℃保溫錠坯2-4h后在空氣錘上進行一次快鍛成形，最終鍛造出厚度150-200mm、寬度 150_300mm、長度 400_600mm 的厚板； F.對厚板進行熱處理，熱處理工藝為450°C保溫2h后，再220-230°C保溫20_30h。
2.根據權利要求1所述的大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝，其特征在于:D步驟每次回爐退火溫度相對前一退火溫度次降低10-20°C。
3.根據權利要求1所述的大尺寸高強耐熱鎂合金厚板的鍛造成形工藝，其特征在于:熱處理后厚板長向、寬向、高向室溫屈服強度≥270MPa、抗拉強度≥360MPa、伸長率≥6.0 ；200°C時抗拉強度≥330MPa、伸長率≥8.0。
【文檔編號】C22F1/06GK103774069SQ201410022000
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月18日 優先權日:2014年1月18日
【發明者】劉楚明, 肖宏超, 顧洪兵, 張帆, 劉東軍, 沈光明, 蔣樹農 申請人:中南大學