一種高強耐熱鎂合金鑄錠的錘鍛開坯方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎂合金塑性加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強耐熱鎂合金鑄錠的錘鍛開坯方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與其它金屬、塑料和木料等結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有比強度、比剛度高，減振性好、電磁屏蔽和抗輻射能力強，易切削加工，易回收等一系列優(yōu)點，被稱為21世紀(jì)的綠色工程材料；尤其是在室溫下具有超高強度，并具有優(yōu)異高溫耐熱性能的高稀土含量的鎂合金系合金，近年來越來越廣泛地受到關(guān)注；其在室溫下的抗拉強度可接近600MPa，250°C下的抗拉強度仍可高于300MPa，力學(xué)性能甚至優(yōu)于一些傳統(tǒng)的鋁合金，完全可以作為承載部件，在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域存在部分取代鋁合金零部件的巨大應(yīng)用潛力。
[0003]但是由于大部分鎂合金是密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，塑性變形時可開動的獨立滑移系遠(yuǎn)少于鋁、銅等面心立方金屬，因此，塑性、加工性能和成形性能都很差；稀土元素的大量加入雖然使鎂合金的強度和耐熱性能得到了顯著提高，但是其無論是以固溶原子還是析出相的形式存在，都會嚴(yán)重阻礙位錯運動，并強烈抑制熱機械加工過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為，所以，這種高強耐熱的高稀土含量Mg-RE系合金的塑性就更差，若直接采用常規(guī)的軋制、鍛造等工藝對鑄錠或鑄坯進(jìn)行加工，在加工初期往往極易造成錠坯開裂，導(dǎo)致產(chǎn)品成材率極低，即使勉強加工成形，由于無法采用大變形量的加工，生產(chǎn)效率十分低下，且產(chǎn)品性能的均一性和穩(wěn)定性都不理想。擠壓雖然可以保證一定的成材率，但是想獲得可應(yīng)用級尺寸的產(chǎn)品，較大的變形抗力則需要大噸位的擠壓機，對生產(chǎn)條件提出了苛刻要求，且?guī)缀鯚o法獲得大尺寸的三維塊體材料，而且為了保證成形，擠壓速率通常無法高于0.lmm/s，生產(chǎn)效率極低。因此，如何能夠使Mg-RE系合金熱機械加工性能迅速、大幅提高，是穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)出高強耐熱鎂合金產(chǎn)品，并促使其獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
[0004]錘鍛是一種以高壓氣體作為介質(zhì)推動錘頭作高速相對運動而產(chǎn)生懸空打擊的傳統(tǒng)加工工藝，廣泛應(yīng)用于鋁合金和鋼鐵材料的鍛造成形，操作靈活、效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、安裝方便、價格便宜。但是，由于鎂合金的塑性較差，通常認(rèn)為不適合進(jìn)行高應(yīng)變速率的加工，因此，錘鍛加工尚未應(yīng)用于鎂合金的加工。
[0005]湖南大學(xué)的吳遠(yuǎn)志等人利用鍛錘對ZK21 [Y.Z.Wu et al, Microstructure andmechanical properties of ZK2lmagnesium alloy fabricated by multiple forgingat different strain rates.Mater.Sc1.Eng.A，2012.56: p.164-169]、ZK60 [Y.Z.Wu etal，Microstructure and mechanical properties of ZK60magnesium alloy fabricatedby high strain rate multiple forging.Mater.Sc1.Tech., 2013.29:p.54-59]和AZ31 [吳遠(yuǎn)志等人，AZ31鎂合金高應(yīng)變速率多向鍛造組織演變及力學(xué)性能.中國有色金屬學(xué)報，2012.22:p.3000-3005]等不含稀土的鎂合金進(jìn)行了高應(yīng)變速率的多向鍛造加工，采用每次22%的大應(yīng)變量打擊變形，利用孿晶誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶(TDRX)和大量位錯累積造成的轉(zhuǎn)動動態(tài)再結(jié)晶(RDRX)，最終獲得了細(xì)小的完全再結(jié)晶組織，使室溫力學(xué)性能得到了顯著提升。然而，這種在高應(yīng)變速率下的大變形量的加工在高稀土含量的鎂合金中卻很難實現(xiàn)，尤其是在鑄錠加工的初期，根本無法完成，必然會由于塑性不足導(dǎo)致開裂，并最終形成廢品。
[0006]中南大學(xué)也報道過一種高速沖鍛制備細(xì)晶鎂合金的方法(專利公開號CN102517527A)，采用的也是錘鍛加工方法，其鍛造的應(yīng)變速率為0.1?10s \每次的打擊變形量更大，要求達(dá)到60?90%。將沖鍛件剪裁、疊加、重新加熱后繼續(xù)沖鍛直至獲得細(xì)晶組織。由于采用高速、大變形量，因而沖鍛所需的能量很大，要求設(shè)備可施加的載荷大、對設(shè)備的穩(wěn)定性要求高；而且，每次沖鍛后將材料水淬，然后回爐重新加熱，到溫并保溫一定時間后再次對其進(jìn)行沖鍛，生產(chǎn)能耗高，生產(chǎn)效率低；只有一個方向的應(yīng)變，也無法作為生產(chǎn)大尺寸鍛件的開坯工藝。
[0007]中科院金屬所的陳榮石等人同樣報道過一種利用鍛錘對鎂合金進(jìn)行多方向、高速、錘擊鍛打的鍛造加工方法(專利公開號CN103805923A)，該專利描述的加工方法，對變形量和轉(zhuǎn)動方向的控制主要取決于工序要達(dá)到的形狀和尺寸，而且最終需要進(jìn)行退火處理，所以屬于鎂合金鍛造產(chǎn)品的制備工藝范疇，而非開坯工藝；專利中提及的每次打擊變形量為5%?80%，限定范圍非常廣，但卻沒有對初始變形量，加工過程中的變形量控制，以及道次總變形量等關(guān)鍵工藝進(jìn)行具體限定；因此，即使勉強用作開坯工藝，也只適合于加工性能相對較好的非稀土或低稀土含量(稀土元素總含量小于10% )鎂合金，這點在其應(yīng)用實例里便可體現(xiàn)。
[0008]上述研究雖然可以證明高應(yīng)變速率的錘鍛加工可以作為普通鎂合金材料的一種加工工藝，但是對于高稀土的高強耐熱鎂合金材料卻幾乎無法實現(xiàn)。因為二者存在本質(zhì)上的差異。普通鎂合金經(jīng)過固溶處理后，由于粗大共晶相的消除，塑性會顯著提高，因此，在高速鍛造過程中無論是在變形初期還是后期都可以采用大變形量，變形過程中除了孿晶外，位錯會大量啟動，在晶界處塞積，在晶內(nèi)交截，促使動態(tài)再結(jié)晶大量發(fā)生，完成組織細(xì)化，達(dá)到性能提升的目的。而由于Mg-RE鍵存在明顯的方向性，有極強的共價鍵特征，會導(dǎo)致材料具有較強的脆性，因此，高稀土含量的鎂合金在經(jīng)過固溶處理后，雖然也可以使得大部分晶界上的粗大共晶相消失，但是由于大量稀土元素重新固溶到基體中，因此，固溶后的高稀土含量鎂合金的塑性并不會有顯著提升，高溫(如300°C及以上)常規(guī)應(yīng)變速率(IXlO3s下的斷裂伸長率可能達(dá)到20?30%，但高應(yīng)變速率(I?200s 下的斷裂伸長率通常低于10%。此外，高稀土含量鎂合金還有一個重要特點，就是大量固溶在基體中的稀土元素會嚴(yán)重阻礙位錯運動并強烈抑制再結(jié)晶行為，所以固溶處理后的高稀土含量鎂合金無法像普通鎂合金那樣通過大變形量促使位錯大量啟動，通過動態(tài)再結(jié)晶完成組織細(xì)化，而只能主要依靠孿晶的分割和交截來細(xì)化組織；而孿晶能提供的變量量十分有限，而且細(xì)化組織、釋放應(yīng)力、提供塑性的程度和速率，與位錯滑移和再結(jié)晶相比，都相對較弱。所以，利用錘鍛來加工高稀土含量的鎂合金鑄錠，關(guān)鍵在于對初始變形量，加工過程中的變形量的變化，以及道次總變形量等關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化及嚴(yán)格控制，使粗大的鑄態(tài)組織逐步通過孿生、孿晶數(shù)量的逐漸增多、對原始晶粒的分割，以及孿晶間的相互交割，不斷細(xì)化；錠坯不至開裂，且高溫塑性大幅改善。
[0009]可見，如果能夠深入理解高稀土高強耐熱鎂合金在熱機械加工過程中的微觀組織及織構(gòu)演變規(guī)律，針對其性能特點，采用合理的工藝流程及工藝參數(shù)，將錘鍛工藝應(yīng)用于高稀土高強耐熱鎂合金，作為大尺寸鍛件及板材的開坯工藝，無疑會對其加工效率、成品率及性能均一性和穩(wěn)定性的提高起到顯著作用，進(jìn)而促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對高稀土高強耐熱鎂合金鑄造錠坯塑性差、極難加工的特點，本發(fā)明提供了一種高強耐熱鎂合金鑄錠的錘鍛開坯方法，該方法通過多道次、多方向、小變形量的連續(xù)高速鍛打，并嚴(yán)格控制變形條件(特別是初始變形量，加工過程中的變形量的變化，以及道次總變形量等關(guān)鍵工藝參數(shù))，可以使其組織迅速細(xì)化、織構(gòu)弱化，塑性和加工性能顯著提高，且鍛造過程中錠坯不易開裂，達(dá)到良好開坯效果。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種高強耐熱鎂合金鑄錠的錘鍛開坯方法，本發(fā)明所針對的高強耐熱鎂合金為高稀土含量鎂合金(稀土元素含量> 8wt.% )，按重量百分含量計，其優(yōu)選的化學(xué)成分為:Gd
5.0 ?15.0%，Y 1.0 ?5.0%，Nd O ?2.0%，Zn O ?2.0%，Zr O ?0.9%，其余為 Mg ；其中:Gd+Y+Nd ^ 8%ο
[0013]所述錘鍛開坯方法包括如下步驟:
[0014](I)固溶處理:對鑄態(tài)坯料進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度470?550°C，時間5?24h ；
[0015](2)預(yù)熱處理:將固溶處理后的鎂合金坯料切割成塊體材料，在加熱爐內(nèi)預(yù)熱至200?530°C，保溫I?16h后取出；
[0016](3)錘鍛:將預(yù)熱處理后的鎂合金坯料在鍛錘上進(jìn)行多道次、多方向、小變形量的連續(xù)循環(huán)高速鍛打，具體為:總的鍛打道次20?200次，平均鍛打頻率為10?200次/分鐘；初始道次的鍛打次數(shù)為I?5次，每次鍛打的變形量為I?5%，初始道次鍛打總變形量為I?10%,應(yīng)變速率為I?200s 1 ;初始道次后的每道次的鍛打次數(shù)為I?10次,每次鍛打的變形量為I?10%，每道次鍛打總變形量為I?10%，應(yīng)變速率為I?200s 1O
[0017]上述鍛打過程中，每道次鍛打沿同一方向進(jìn)行(一道次即指沿同一方向進(jìn)行連續(xù)若干次鍛打)。
[0018]上述鍛打過程中，每完成一道次鍛打后，將坯料沿其自身的任意軸線旋轉(zhuǎn)5?90°，繼續(xù)進(jìn)行下一道次鍛打。
[0019]上述鍛打過程中，每次鍛打的變形量應(yīng)隨鍛打次數(shù)的增加而保持不變或逐漸增加。
[0020]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0021]1、本發(fā)明開發(fā)了一種針對高稀土含量高強耐熱鎂合金的錘鍛開坯工藝，工藝簡單，效率高、易于控制。通過嚴(yán)格控制初始及后續(xù)道次中每次鍛打的變形量范圍、道次總變形量范圍，以及變形量的變化趨勢，實現(xiàn)開坯工藝的高可靠性；鍛造過程中通過孿晶逐步分割原始晶粒、大量孿晶相互交截，輔以少量孿晶誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶，促使鑄態(tài)組織迅速細(xì)化，坯料的高溫塑性和加工成形性能顯著提高，與初始固溶態(tài)鑄造錠坯相比，應(yīng)用本發(fā)明方法制備的高強耐熱鎂合金坯料，高溫下、相同測試條件下的斷裂伸長率可提高100%?1000 %,且成品率聞于80%，達(dá)到良好開還效果。
[0022]2、本發(fā)明由于每次錘擊的變形量較小，開坯后不會引起坯料形狀和尺寸的明顯本質(zhì)性改變，因此，可作為鍛造、乳制、擠壓等多種傳統(tǒng)工藝的坯料，繼續(xù)進(jìn)行加工成形，應(yīng)用面廣泛。
[0023]3、利用本發(fā)明