一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法
【专利摘要】一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法，包括：（1）对镁合金铸锭进行均匀化处理；（2）将镁合金铸锭进行多向锻造，采用长方体镁合金镁合金坯料，底面为正方形，保证高与底边的比值小于2；对于圆柱体镁合金铸锭，要先进行打方，以符合上述长方体镁合金镁合金坯料的规定；对于长方体镁合金坯料要标注好A、B、C三个面，其中，A面与最长边垂直，B面和C面可任意确定；第一道次镦粗时A面位于上下，第二道次镦粗时B面位于上下，第三道次镦粗时C面位于上下，如此循环，每道次压下量Δh控制在10%h-40%h，h为每道次锻压之前镁合金坯料的高度，共进行6-12个道次；（3）对多向锻造后的镁合金锭坯进行后续压力加工。该方法能有效弱化变形镁合金力学性能各向异性。
【专利说明】一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能有效减弱变形镁合金产品各向异性的方法。
【背景技术】
[0002]采用“参考坐标系”来描述宏观多晶体材料，它是一个直角坐标系，由三个相互垂直的坐标轴X、1、Z组成；采用“晶体坐标系”来描述单晶体，其坐标轴由[100]、[010]和
[001]组成。当单晶体的[100]、[010]和[001]分别与“参考坐标系”的X、y和Z轴平行且同向时，人们称该单晶体具有“初始取向”。取向描述了一个晶粒(单晶体)从“初始取向”出发相对于“参考坐标系”的转动状态，取向也表达了一个晶粒的“晶体坐标轴”在“参考坐标系”内的排布方式。当许多晶粒的取向集中分布在某一或某些取向位置附近时，则该材料具有了织构。
[0003]用铁模或砂型铸造等常规工艺制备的镁合金铸锭，其内部晶粒通常无明显的织构，但在随后的锻造、挤压、轧制、拉拔等塑性变形过程中，会由于滑移和孪生使晶粒发生转动而形成变形织构。其原因在于:按照Von Mises准则，多晶体的塑性变形需要五个独立的滑移系，在具有密排六方晶体结构的镁合金中，<c+a>滑移能提供五个独立滑移系(沿c轴的应变只能由孪生和<c+a>滑移来提供)，而基面<a>滑移仅能提供两个；然而，镁合金中<c+a>滑移的临界分切应力大约是基面<a>滑移的2.5倍，因此镁合金在塑性变形过程中基面<a>滑移所占的比重远远超过锥面<c+a>滑移，于是在外加压应力场的作用下，基面<a>滑移使变形晶粒发生转动，并逐渐使(0001)基面垂直于压应力方向，这就导致塑性变形后的组织出现强烈的基面织构。
[0004]镁合金在挤压过程中，(0001)基面和〈10-10〉晶向会与挤压方向(ED)平行；在轧制过程中，(0001)基面会平行于轧板表面，〈10-10〉晶向会平行于轧向(RD)。上述变形织构的产生会导致力学性能出现各向异性。由于密排六方晶体结构的对称性低于立方晶体结构，因此，与变形铝合金相比，变形镁合金的力学性能各向异性更加严重，这成为制约镁合金大型挤压材和轧制板材发展的主要因素。有文献报道:对于AZ81镁合金挤压材，其ED的拉伸屈服强度明显高于TD (垂直于挤压方向);对于AZ31镁合金轧制板材，RD (轧向)的拉伸屈服强度低于TD (垂直于轧制方向)。值得一提的是，添加稀土元素的镁合金，因<c+a>滑移容易被激活，所以最终的变形织构强度较弱，这可能源于稀土元素改变了体系的层错能。通常情况下，提高变形温度和加快变形速率能弱化织构，从而减弱力学性能各向异性，这是因为，随着变形温度的提高，特别是在225°C以上时，除基面<a>滑移和锥面孪生外，柱面和锥面的潜在滑移系被激活，且各滑移系的临界分切应力的差值减小，镁合金的变形能力大幅提升，织构的强度随之减弱。提高变形速度一方面会导致温升，另一方面，温度较高时，多晶镁合金的塑性变形机制包含位错滑移、晶界滑动、晶界和晶内的回复和动态再结晶，这些过程都受速度控制，因此变形速度会对这些过程产生重要影响。根据文献报道，AZ81镁合金的(0001)基面织构随着变形速度的增大而减弱。
[0005] 多向锻造工艺属于大塑性变形，能够制备超细晶组织，该工艺的实质为:从不同方向对镁合金坯料进行反复的镦粗和拔长。对于塑性差的镁合金材料可选用等温多向锻造，即:每一道次变形之后都回炉退火，目的是消减残余应力和通过静态再结晶细化晶粒，提高塑性，但要控制好保温时间，防止严重的晶粒长大；对于塑性较好的合金，可以采用降温多向锻造，即:减少道次间退火的次数。多向锻造开坯过程中，由于外加载荷方向是变化的，材料内部形成取向各异、彼此交错的变形带，变形带交汇处位错塞积严重，有利于引发动态再结晶。多向锻造后，铸锭中的各种缺陷和晶粒尺寸的表里不一被大幅减弱，反复动态再结晶能非常有效地细化晶粒，此外，多向锻造工艺不会引起新的变形织构。有文献报道，铸态AZ80合金经过7个道次的多向锻造后，平均晶粒尺寸由126 μ m减小到f 2 μ m,屈服强度由128MPa提升到259MPa，延伸率由3%提升到7%。本发明旨在将多向锻造工艺用作开坯手段，服务于后续挤压和轧制等塑性变形，从而实现弱化变形织构和减弱各向异性的目的。由于晶粒细化增加了晶界的表面积，从而使“晶界滑动变形机制”在总变形量中占足够大的份量，除基面滑移和孪生之外，大量晶界的滑移协调了变形，从而使织构弱化。因此，多向锻造作为开坯手段不仅能有效弱化变形镁合金的“力学性能各向异性”，还能有效抑制变形过程中出现无法矫正的宏观扭曲(如:变形材的弯曲、波浪、侧弯和扭转等)，从而提高产品合格率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能有效弱化变形镁合金力学性能各向异性的方法。
[0007]为实现上述目的，采取以下技术方案:
[0008]一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法，该方法包括下述步骤:
[0009](1 )、对镁合金铸锭进行均匀化处理；
[0010](2)、镁合金铸锭均匀化处理后，将即出炉后镁合金铸锭立即进行多向锻造，对于镁合金铸锭是采用长方体镁合金坯料，底面为正方形，保证高与底边的比值小于2 ;对于圆柱体镁合金铸锭，要先进行打方，以符合上述长方体镁合金坯料的规定；对于长方体镁合金坯料要标注好A、B、C三个面，其中，A面与最长边垂直，B面和C面可任意确定；第一道次镦粗时A面位于上下，第二道次镦粗时B面位于上下，第三道次镦粗时C面位于上下，如此循环，每道次压下量Ah控制在10%h-40%h (h为每道次锻压之前镁合金镁合金坯料的高度，不同道次，h会变化)，共进行6-12个道次；
[0011]( 3 )、对多向锻造后的镁合金锭坯进行后续压力加工。
[0012]在本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法中，在所述的步骤(2)中，所述的镁合金锭坯和平砧的温度都要控制在所要锻造的温度区间内。
[0013]对于多向锻造有以下两种情况:一种情况是降温多向锻造；另一种情况是等温多向锻造。
[0014]对于降温多向锻造，一般情况下，一次可进行多道次锻造而无需回炉，但要用测温表持续地监控镁合金锭坯和平砧温度；若镁合金锭坯温度或/和平砧温度低于锻造的温度区间的下限，则将镁合金锭坯回炉提温或/和平砧回炉加热；若平砧温度低于锻造的温度区间的下限，在有备用平砧的情况下可以更换热平砧；对于等温多向锻造，每道次后镁合金锭坯和平砧都必须回炉提温。
[0015]在本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法中，在所述的步骤(2)中，在确定锻造的温度范围时，要以合金平衡相图为基础，并参考塑性图、抗力图和再结晶图，锻造的始锻温度的确定要保证镁合金锭坯在加热过程中不产生过热和过烧，而锻造的终锻温度常基本上高于镁合金锭坯的再结晶温度。
[0016]在本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法中，在所述的步骤(2)中，对所述的镁合金锭坯和平砧接触的部位进行润滑。
[0017]在本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法中，对多向锻造后的镁合金锭坯进行后续压力加工之前即所述步骤(3)之前，要对镁合金锭坯进行预处理锻造；对于挤压，要依照挤压筒直径对镁合金锭坯进行滚圆和端面平整；对于轧制，要依照轧机规格对镁合金锭坯进行宽展和拔长。
[0018]本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法的优点是，该方法能有效弱化变形镁合金力学性能各向异性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为多向锻造工艺图。
【具体实施方式】
[0020]本发明的弱化变形镁合金产品各向异性的方法，包括下述步骤:
[0021 ] 步骤I，对铸锭进行均匀化处理。
[0022]步骤2，铸锭出炉后立即进行多向锻造，采用长方体镁合金坯料，底面最好为正方形，保证高与底边的比值小于2 ;对于圆柱体铸锭，多向锻造之前要先进行打方。多向锻造的具体工艺过程见图1。首先用浙青块在初始方坯上标注好A、B、C三个面，必要时还需标注圆柱体铸锭的立心点(圆形底面的中心)，让A面与最长边(高向)垂直，B和C面可任意确定，此后A、B和C面不再变更。如图1所示，首先进行第一道次镦粗，第一道次镦粗时A面位于上下，镦粗之后再翻转，翻转后进行第二道次镦粗，第二道次B面位于上下，镦粗之后再翻转，翻转后进行第三道次镦粗，第三道次C面位于上下，如此循环。每道次压下量Ah控制在40%h (h为每道次锻压之前镁合金镁合金坯料的高度，不同道次，h会变化)左右，根据实践，道次数达到6-12次时，由动态再结晶造成的细晶区的体积分数将趋近于最大值，即:继续增加锻造道次，细晶区体积分数不再增加(或增加极慢)。锭坯和平砧的温度要保证处于合适的温度范围内，在确定锻造温度范围时要以合金平衡相图为基础，并参考塑性图、抗力图和再结晶图，始锻温度的确定要保证镁合金坯料在加热过程中不产生过热和过烧，而终锻温度常略高于其再结晶温度，终锻温度过低会导致变形抗力增加和加工硬化，从而造成开裂。对于降温多向锻造，一次可进行多道次锻造而无需回炉，但要用测温表持续地监控锭坯和平砧温度，若平砧温度低于温度区间的下限，将锭坯回炉提温，若平砧温度低于温度区间下限，则将平砧回炉加热，在有备用平砧的情况下可以更换热平砧；对于等温多向锻造，每道次后锭坯和平砧都必须回炉提温。锻造过程中，锭坯与平砧接触的部位要充分润滑。为配合后续变形，多向锻造后要对锭坯进行预处理锻造，对于挤压，要依照挤压筒直径对锭坯进行滚圆和端面平整，对于轧制，要依照轧机规格进行宽展和拔长。 [0023]步骤3，对多向锻造后的锭坯进行后续压力加工。为了弱化“力学性能各向异性”，需适当地提高变形温度并加快变形速度。[0024]实施例1:
[0025]早期采用铸锭直接挤压的方法，将Φ470mmΧ 1400mm的AZ80镁合金铸锭(半连续铸造工艺制备后车皮)加工成截面尺寸为230_X 140mm的棒材。具体过程如下:
[0026](I)对铸锭进行均匀化处理(410°C /24h)；
[0027](2)铸锭出炉后立即进入挤压筒，挤压筒直径Φ650mm(挤压比为10.3)，挤压筒温度360°C。挤压前，先用盲模将铸锭镦粗。正式挤压时，挤压速度为30毫米/分钟，冷却方式为在线喷淋淬火。
[0028](3)棒材锯切后进行峰时效处理(170°C /24h)。
[0029](4)测量纵向(平行于挤压方向)、横向(平行于230mm方向)、高向(平行于140mm方向)的室温拉伸性能。对于每个方向，从表皮和心部各取三根拉伸试样，然后取六个数据的平均值。对于“铸锭直接挤压工艺”获得的棒材，其纵向、横向和高向的力学性能见表1。可以发现，挤压棒材存在强烈的各向异性，虽然纵向性能满足使用要求，但纵向和高向却不达标。
[0030]为了弱化挤压棒材的各向异性，后期采用“多向锻造开坯+挤压”工艺。其中，均匀化、挤压和时效工艺均与直接挤压法一致。多向锻造工艺为:
[0031]锻造在410°C ~330°C温度区间进行。均匀化处理后，首先进行打方，打方前用浙青块标注立心点(原始铸锭上下圆形面的圆心)，打方后的尺寸约为550mmX550mmX800mm，确保550mmX 550mm面的中心点为立心点，打方后用再次标注立心点，并将550mmX 550mm的一组平行面标注为A，另外两组平行面分别标注为B和C (注:多向锻造过程中要不断地确认并重新标注立心点，保证滚圆后立心点能复原到上下断面的中心)。第一道次镦粗将A面置于上下，第二道次将B面置于上下，第三道次将C面置于上下，如此循环，共进行6个道次，每个道次的压下量为40%h (h为每道次锻压之前镁合金镁合金坯料的高度，不同道次，h会变化)，为缓减大塑性变形带来的有害残余应力并提升塑性，第一、四道次后将锭坯回炉保温30分钟。多向锻造结束后将方坯滚圆，一定要确保初始立心点仍然在上下圆形端面的中心。每一道次镦粗前，要对锭坯和平砧接触面进行润滑，并且对铸锭表面和平砧心部进行测温，确保温度大于330°C。滚圆后的铸锭立即进入挤压筒，挤压前仍然要用盲模进行镦粗。
[0032]“多向锻造+挤压”工艺制备的棒材，其纵、横、高向性能见表1，可以发现力学性能各向异性大幅减弱，横向和高向性能满足了使用要求。
[0033]表1.“直接挤压”和“多向锻造+挤压” AZ80棒材的纵、横、高向力学性能
【权利要求】
1.一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤: (I )、对镁合金铸锭进行均匀化处理； (2)、镁合金铸锭均匀化处理后，将即出炉后镁合金铸锭立即进行多向锻造，对于镁合金铸锭是采用长方体镁合金镁合金坯料，底面为正方形，保证高与底边的比值小于2 ;对于圆柱体镁合金铸锭，要先进行打方，以符合上述长方体镁合金镁合金坯料的规定；对于长方体镁合金坯料要标注好A、B、C三个面，其中，A面与最长边垂直，B面和C面可任意确定；第一道次镦粗时A面位于上下，第二道次镦粗时B面位于上下，第三道次镦粗时C面位于上下，如此循环，每道次压下量Ah控制在10%h-40%h，其中，h为每道次锻压之前镁合金坯料的高度，共进行6-12个道次； (3 )、对多向锻造后的镁合金锭坯进行后续压力加工。
2.根据权利要求1所述的弱化变形镁合金产品各向异性的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，所述的镁合金锭坯和平砧的温度都要控制在所要锻造的温度区间内。
3.根据权利要求1或2所述的弱化变形镁合金产品各向异性的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，在确定锻造的温度范围时，要以合金平衡相图为基础，并参考塑性图、抗力图和再结晶图，锻造的始锻温度的确定要保证镁合金锭坯在加热过程中不产生过热和过烧，而锻造的终锻温度常基本上高于镁合金锭坯的再结晶温度。
4.根据权利要求1所述的弱化变形镁合金产品各向异性的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，对所述的镁合金锭坯和平砧接触的部位进行润滑。
5.根据权利要求1所 述的弱化变形镁合金产品各向异性的方法，其特征在于，对多向锻造后的镁合金锭坯进行后续压力加工之前即所述步骤(3)之前，要对镁合金锭坯进行预处理锻造；对于挤压，要依照挤压筒直径对镁合金锭坯进行滚圆和端面平整；对于轧制，要依照轧机规格对镁合金锭坯进行宽展和拔长。
【文档编号】C22F1/06GK103911569SQ201210592294
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】石国梁, 张奎, 李兴刚, 李永军, 袁家伟, 王献文, 马鸣龙, 杨成曦, 陈丽芳, 金承龙 申请人:北京有色金属研究总院