專利名稱：一種高塑性、低各向異性鎂合金及其板材的熱軋制工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高塑性、低各向異性鎂合金及其板材的熱軋制工藝，屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。具體是根據(jù)稀土元素(Gd或Y)對(duì)織構(gòu)的弱化作用，向鎂或鎂鋅二元合金中添 加適量稀土并通過(guò)ττ或Mn細(xì)化鑄錠組織，控制隨后的熱軋制工藝和熱處理工藝來(lái)制備具 有弱的基面織構(gòu)、高的塑性和低的各向異性的鎂合金薄板的加工技術(shù)，提高鎂合金板材室 溫和低溫塑性和成形性能。
背景技術(shù)：
鎂合金具有比重小、比強(qiáng)度高、高阻尼、高導(dǎo)熱性以及減震性好、易于回收等優(yōu)點(diǎn) 越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，尤其是，鎂合金板材正在日益廣泛地大量應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天和 3C等工業(yè)領(lǐng)域。鎂合金板材主要用于二次加工來(lái)成型零件，二次成形工藝包括沖壓、沖鍛等，這些 工藝具有較高的生產(chǎn)效率。鎂的晶體屬于密排六方結(jié)構(gòu)，室溫(和低溫)滑移系少，導(dǎo)致室 溫和低溫塑性比較差，工業(yè)用ΑΖ31合金板材的室溫縱向和橫向塑性一般在15 25%，并 且存在各向異性，平均各向異性因子一般大于2. 5，橫向塑性高于縱向塑性，應(yīng)變硬化因子 小于0. 15，在室溫和低溫下加工成形的塑性不足，成形困難。因此，二次加工需要在高溫或 中溫進(jìn)行才能保證成形的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。所以，開(kāi)發(fā)具有室溫 (或低溫)高塑性的適合室溫(或低溫)成型的鎂合金板材對(duì)擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用規(guī)模具有 重要意義，成為目前鎂合金板材開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。鎂合金板材制備的最經(jīng)濟(jì)和高效的方式之一是熱軋法，可以生產(chǎn)寬幅的薄板，通 過(guò)反復(fù)軋制及熱處理，可以獲得晶粒細(xì)小、組織均勻，獲得高強(qiáng)度、高塑性甚至在適當(dāng)溫度 和應(yīng)變速率條件具有的超塑性的鎂合金板材。但是，現(xiàn)有商業(yè)鎂合金板材在制備過(guò)程中會(huì) 形成強(qiáng)烈的基面織構(gòu)和組織性能的各向異性，這些特征引起其后續(xù)二次加工過(guò)程中流動(dòng)應(yīng) 力高以及塑性流動(dòng)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，無(wú)法在室溫和低溫進(jìn)行二次加工成形；而且，由于各向 異性引起鎂合金板材強(qiáng)度和塑性強(qiáng)烈的拉壓不對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致其室溫和低溫彎曲過(guò)程中壓 縮一側(cè)產(chǎn)生裂紋，使成形的零件報(bào)廢。研究表明，基面織構(gòu)較弱的鎂合金板材在中低溫條件 下具有高的應(yīng)變硬化速率(指數(shù))，從而能夠保證塑性流動(dòng)的穩(wěn)定性來(lái)獲得較高的塑性。因 此，可以通過(guò)優(yōu)化板材的織構(gòu)來(lái)提高鎂合金的成形性能，織構(gòu)組分中基面織構(gòu)越弱，板材的 可成形溫度越低，成形性能越好?；婵棙?gòu)的弱化與第二相顆粒促進(jìn)的再結(jié)晶形核(Particle Stimulated Nucleation,PSN)有關(guān)，利用PSN已經(jīng)在鋁合金中成功弱化了材料的織構(gòu)，并開(kāi)發(fā)出新的具 有高成形性能的鋁合金。這種弱化材料織構(gòu)的方法對(duì)開(kāi)發(fā)高塑性的鎂合金具有更積極的意 義。根據(jù)鎂合金的相平衡熱力學(xué)原理和相圖，設(shè)想通過(guò)添加稀土元素如Y、Nd，Gd等，獲得含 有細(xì)小的第二相顆粒的組織，通過(guò)軋制后退火，形成具有弱基面織構(gòu)的鎂合金板材，降低板 材的各向異性、高的應(yīng)變硬化指數(shù)、拉壓不對(duì)稱性以及保證二次加工過(guò)程中塑性流動(dòng)的穩(wěn) 定性，提高板材的塑性及二次成形性能。
所以，要開(kāi)發(fā)具有高塑性的能夠?qū)崿F(xiàn)室溫(或低溫)成形的鎂合金板材，就需要通過(guò)設(shè)計(jì)新型的合金成分，并采用優(yōu)化的熱軋制工藝、中間退火和軋制后的最終退火工藝等 技術(shù)來(lái)細(xì)化晶粒、獲得均勻組織并調(diào)控織構(gòu)，制備出低各向異性和弱織構(gòu)、高應(yīng)變硬化指數(shù) 的具有高塑性的鎂合金板材。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前鎂合金板材存在的室溫塑性差、各向異性大、應(yīng)變硬化指數(shù)低的缺點(diǎn)，本 發(fā)明提供一種高塑性、弱基面織構(gòu)和低各向異性、具有室溫成形性的新型鎂合金的成分及 其板材制備的軋制工藝，該工藝制備的鎂合金板材具有弱的基面織構(gòu)、高的應(yīng)變硬化指數(shù) 和低的各向異性因子，室溫伸長(zhǎng)率30 45%，其中沿橫向和縱向分別為30 40%和35 45%。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高塑性、低各向異性鎂合金，該鎂合金為Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范 圍為鋅0 5% ；稀土 RE 0. 1 10% ；鎂含量為平衡余量。本發(fā)明鎂合金中，還可以含有0. 01 1. 0 %的ττ元素，其優(yōu)選范圍為0. 3 0. 6%。本發(fā)明鎂合金中，還可以含有0.01 3%的Mn元素，其優(yōu)選范圍為0.5 1%。本發(fā)明鎂合金中，鋅含量的優(yōu)選范圍為0. 6 3%。本發(fā)明鎂合金中，稀土為稀土元素中的一種或兩種以上的混合物，其優(yōu)選范圍為 0. 8 2%。一種高塑性、低各向異性鎂合金板材的熱軋制工藝，具體步驟如下1)采用金屬模、砂型重力鑄造或半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)圓或方鑄錠；2)將鑄錠在300 550°C保溫1 50小時(shí)的均勻化退火處理后銑面，將銑面后的 坯料在300 550°C保溫；將軋輥預(yù)熱到室溫 320°C，開(kāi)始軋制，每道次的壓下量為1 50%，每軋制1 6道后回爐加熱到溫后保溫1 180分鐘再繼續(xù)軋制，最后一道的壓下量 為5 50%，總壓下量80 90% ；優(yōu)選的參數(shù)范圍如下將鑄錠在400 500°C保溫10 16小時(shí)后銑面，將銑面后的坯料在350 450°C 保溫；將軋輥預(yù)熱到75 150°C，開(kāi)始軋制，每道次的壓下量為15 30%，每軋制2 5道 后回爐加熱到溫后保溫10 20分鐘再繼續(xù)軋制，最后一道的壓下量為10 20%，總壓下 量80 90%。3)軋制后的板材在200 450°C保溫0. 5 50小時(shí)進(jìn)行退火處理，隨后進(jìn)行產(chǎn)品 切邊、覆塑料保護(hù)膜或表面化學(xué)處理并包裝。優(yōu)選的參數(shù)范圍如下軋制后的板材在300 400°C保溫0. 5 3小時(shí)進(jìn)行退火處理。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種高塑性、低各向異性鎂合金及其板材的熱軋制工藝，該工藝 簡(jiǎn)單，易于控制。該工藝制備的板材具有較弱的基面織構(gòu)、低的各向異性、高的應(yīng)變硬化速 率，室溫伸長(zhǎng)率達(dá)到30 45%，可以滿足板材的室溫成型要求。
2、本發(fā)明制備工藝包括鑄錠軋制前的均勻化處理、軋制工藝和軋制后的退火工藝 等，最終將10 600毫米厚的板材軋制成0. 1 5毫米的薄板。軋制后，或軋制+退火后， 板材沿軋制方向的伸長(zhǎng)率δ >30%，沿橫向的伸長(zhǎng)率>36% ；制備的板材具有較弱的基 面織構(gòu)、低的各向異性(平均各向異性因子在0.8 1.3之間)和較高的硬化指數(shù)(0.2 0. 4)，保證了其具有良好的室溫成形性能。


圖1 (a)-(b)為軋制板材組織和軋制板材退火后組織圖。其中，(a)ZGll軋制板材 組織；(b)ZGll軋制板材退火后組織。圖2為ZG11、ZG21、ZW21三種合金軋制板材宏觀圖。圖3為ZG21軋制板材組織圖。圖4為軋制板材退火后基面(0002)織構(gòu)。其中，(a) ZGll合金，MAX. 2. 9表示最大 相對(duì)強(qiáng)度為2. 9 ； (b) ZG21合金，MAX. 4. 7表示最大相對(duì)強(qiáng)度為4. 7 ； (c) Zff21合金，MAX. 2. 9 表示最大相對(duì)強(qiáng)度為2.9。圖5(a)_(b)為軋制退火處理后板材沿(a)軋制方向和(b)橫向的力學(xué)性能。其 中，圖5(a)軋制方向；圖5(b)橫向。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例11)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Gd經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為 150mmX200mmX200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn :1. l%，Gd 0. 9%，鎂含量為平衡 余量，簡(jiǎn)寫(xiě)為ZGll ；2)將鑄錠在450°C保溫10小時(shí)均勻化處理后，將鑄錠切為150mmX IOOmmX 20mm
的坯料并銑面，將銑面后的坯料在450°C保溫待軋；軋輥溫度為室溫25°C，開(kāi)始軋制，第一 道次的壓下量為20 %，隨后每道的壓下量為18 %，每軋制兩道后回爐加熱到溫后保溫5 10分鐘取出繼續(xù)軋制，直到板材厚度為3mm，總壓下量85%，由于發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶板 材具有均勻細(xì)小的晶粒尺寸，見(jiàn)圖1(a)；3)軋制后的板材進(jìn)行350°C保溫1小時(shí)的退火處理，仍然是均勻的等軸晶組織，見(jiàn) 圖1 (b)，隨后進(jìn)行產(chǎn)品切邊、覆塑料保護(hù)膜并包裝。4)參考國(guó)標(biāo)GB 6397-86的§ 3. 6. 2對(duì)于板材試樣的規(guī)定制備的板材的拉伸力學(xué) 性能樣品，板材在熱處理退火后的基面織構(gòu)及力學(xué)性能分別見(jiàn)附圖4(a)、附圖5(a)_(b)。 軋制的ZGll板材沿軋制方向的抗拉強(qiáng)度彡225MPa，屈服強(qiáng)度彡150MPa，伸長(zhǎng)率彡32% ；沿 橫向的抗拉強(qiáng)度彡224MPa，屈服強(qiáng)度彡105MPa，伸長(zhǎng)率彡36%。板材及AZ31的各向異性因 子及硬化速率指數(shù)分別見(jiàn)表1和表2，前者比商業(yè)AZ31鎂合金板材小，后者比AZ31高。實(shí)施例21)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Gd經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為 150mmX200mmX200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn 2. l%,Gd 0. 9%，鎂含量為平衡 余量，簡(jiǎn)寫(xiě)為ZG21 ；2)將鑄錠在420°C保溫10小時(shí)均勻化處理后，將鑄錠切為150mmX IOOmmX 20mm的坯料并銑面，將銑面后的坯料在400°C保溫待軋；將軋輥預(yù)熱到100°C，開(kāi)始軋制，第一道 次的壓下量為20%，隨后每道次的壓下量為15%，每軋制兩道后回爐加熱到溫后保溫5 10分鐘繼續(xù)軋制，直到板材厚度為3. 2mm，總壓下量84%，板材表面無(wú)任何裂紋，見(jiàn)圖2，具 有很好的可軋性；3)軋制后的板材在320°C保溫3小時(shí)的退火處理，組織見(jiàn)圖3，隨后進(jìn)行產(chǎn)品切邊、
覆塑料保護(hù)膜并包裝。
4)參考國(guó)標(biāo)GB 6397-86的§ 3. 6. 2對(duì)于板材試樣的規(guī)定制備的板材的拉伸力學(xué) 能樣品，板材在熱處理退火后力學(xué)性能見(jiàn)附圖4(b)。ZG21軋制板材沿軋制方向的抗拉強(qiáng) 度彡235MPa，屈服強(qiáng)度彡148MPa，伸長(zhǎng)率彡34% ；沿橫向的抗拉強(qiáng)度彡203MPa，屈服強(qiáng)度 彡95MPa，伸長(zhǎng)率彡45%。板材及AZ31的各向異性因子及硬化速率指數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。 前者比商業(yè)AZ31鎂合金板材小，后者比AZ31高。實(shí)施例31)采用金屬模重力鑄造，Mg-Zn-Y經(jīng)常規(guī)的鎂合金熔煉澆注為 150mmX200mmX200mm的鑄錠，合金成分重量百分比為Zn :2. 0%，Y :1. 1%，鎂含量為平衡 余量，簡(jiǎn)寫(xiě)為ZW21 ；2)將鑄錠在450°C保溫10小時(shí)均勻化處理后，將鑄錠切為150mmX IOOmmX 20mm 的坯料并銑面，將銑面后的坯料在450°C保溫待軋；將軋輥預(yù)熱到25°C，開(kāi)始軋制，第一道 次的壓下量為18%，，隨后每道的壓下量為18%，每軋制兩道后回爐加熱到溫后保溫5 10 分鐘繼續(xù)軋制，直到板材厚度為3mm，總壓下量85% ；3)軋制后的板材在350°C保溫1小時(shí)進(jìn)行退火處理，隨后進(jìn)行產(chǎn)品切邊、覆塑料保 護(hù)膜并包裝。4)參考國(guó)標(biāo)GB 6397-86的§ 3. 6. 2對(duì)于板材試樣的規(guī)定制備的板材的拉伸力學(xué) 能樣品，合金在熱處理退火后力學(xué)性能見(jiàn)附圖4(c)。ZW21軋制板材沿軋制方向的抗拉強(qiáng) 度彡235MPa，屈服強(qiáng)度彡157MPa，延伸率彡28% ；沿橫向的抗拉強(qiáng)度彡226MPa，屈服強(qiáng)度 彡104MPa，伸長(zhǎng)率彡35%。板材及AZ31的各向異性因子及硬化速率指數(shù)分別見(jiàn)表1和表 2。前者比商業(yè)AZ31鎂合金板材小，后者比AZ31高。表1.軋制板材的各向異性因子 表1中，^沿軋制方向的各向異性因子；r45代表沿與軋制方向成45度的各向異性因子；rTD代表沿橫向的各向異性因子；ravg代表平均各向異性因子；Ar代表平面各向異 性因子。表2.軋制板材沿不同方向的硬化因子 表2中，RD代表軋制方向；45代表與軋制方向成45度的方向；TD代表橫向。
權(quán)利要求
一種高塑性、低各向異性鎂合金，其特征在于該鎂合金為Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范圍為鋅0～5％；稀土RE 0.1～10％；鎂含量為平衡余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于該鎂合金還含有0.01 1. 0%的&元o
3.按照權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于該鎂合金還含有0.01 3%的Mn元o
4.按照權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于該鎂合金中，稀土RE為稀土元素中的 一種或兩種以上的混合物。
5.一種高塑性、低各向異性鎂合金板材的熱軋制工藝，其特征在于采用金屬模、砂型 重力鑄造或半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)鑄錠，鑄錠經(jīng)均勻化退火處理后銑面，保溫后開(kāi)始軋制，將 板材熱軋成板厚0. 1 5mm的板材，退火處理后產(chǎn)品經(jīng)切邊、覆塑料保護(hù)膜或化學(xué)處理，包 裝。
6.按照權(quán)利要求5所述的熱軋制工藝，其特征在于鑄錠均勻化退火處理溫度300 550°C，保溫時(shí)間為1 50小時(shí)。
7.按照權(quán)利要求5所述的熱軋制工藝，其特征在于鑄錠經(jīng)銑面后，開(kāi)始軋制溫度為 300 550°C，軋輥預(yù)熱溫度為室溫 320°C。
8.按照權(quán)利要求5所述的熱軋制工藝，其特征在于軋制時(shí)，每道的壓下量為1 50%，最后一道的壓下量為5 50%，總壓下量80 90%。
9.按照權(quán)利要求8所述的熱軋制工藝，其特征在于每軋制1 6道后回爐加熱，加熱 溫度為320 500°C，到溫后保溫1 180分鐘再進(jìn)行軋制。
10.按照權(quán)利要求5所述的熱軋制工藝，其特征在于軋制后，退火溫度為200 450°C，時(shí)間為0. 5 50小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高塑性、低各向異性鎂合金及其板材的熱軋制工藝，屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。該鎂合金為Mg-Zn-RE系，其重量百分比成分范圍為鋅0～5％；稀土RE 0.1～10％；鎂含量為平衡余量。采用金屬模、砂型重力鑄造或半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)鑄錠，鑄錠經(jīng)均勻化退火處理后銑面，保溫后開(kāi)始軋制，將10～600毫米厚的板材軋制成0.1～5毫米的薄板，并進(jìn)行熱處理。軋制后或軋制+退火后板材沿軋制方向的伸長(zhǎng)率δ≥30％，沿橫向的伸長(zhǎng)率≥36％。制備的板材具有較弱的基面織構(gòu)、低的各向異性(平均各向異性因子在0.8～1.3之間)和較高的硬化指數(shù)(0.2～0.4)，保證了其具有良好的室溫成形性能。
文檔編號(hào)C22C23/00GK101857933SQ20091001111
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者閆宏, 陳榮石, 韓恩厚 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所