一种高强耐热镁合金大型锻件及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金变形加工技术领域，尤其涉及一种高强耐热镁合金大型锻件及其制备方法。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有比重轻、比强度和比刚度高、资源丰富等一系列的优点。通过在镁合金中加入一定量的稀土元素，可使镁合金具有优异的高温耐热性能，力学性能甚至优于一些传统的铝合金。使用镁合金部件替代铝合金部件，可获得很好的减重效果，尤其是当部件的尺寸越大，减重效果也越显著，因此通过开发合适的成形工艺，制备出高性能大尺寸变形件，可有效推动镁合金在汽车工业、航空航天业等领域对部分铝合金部件的取代，具有极大的应用前景。

然而大部分镁合金是密排六方的晶体结构，塑性变形时可开动的独立滑移系低于铝合金，加工成形性能很差。特别是超大直径镁合金锭坯内部通常存在更多的夹杂物，且容易出现晶粒粗大、组织疏松、表面或心部裂纹等缺陷，同时大锻件存在变形不均匀，各向异性差等问题，在加工过程极易开裂，即使勉强加工成形，产品的性能以及性能的均一性都不理想。这些都对高性能大尺寸镁合金变形件的成形加工提出严峻的挑战。

现有技术CN108467982A-一种Mg-Gd-Y-Zr纳米镁合金时效热处理工艺，公开了使用旋锻变形的工艺制备镁合金的方案，通过旋锻和多级时效热处理的方式实现了合金时效强化，提高了镁合金的室温抗拉强度和屈服强度，但是上述工艺只能够适用于小尺寸的棒材或者管材，在制备大尺寸镁合金构件时依然会出现镁合金开裂等问题，所以无法用于大尺寸构件的制备。因此需要提供一种力学性能优异的大尺寸镁合金锻件的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强耐热镁合金大型锻件及其制备方法，本发明提供的高强耐热镁合金大型锻件具有优异的力学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，包括以下步骤：

(1)对镁合金铸锭进行均匀化处理，得到预处理镁合金；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金制成圆柱形锭坯；

(3)对所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯进行保温，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯；

(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯进行回温处理，然后进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；

(5)重复所述步骤(3)和步骤(4)的操作1～2次，得到锻造镁合金；

(6)对所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，得到高强耐热镁合金大型锻件；

所述步骤(3)和步骤(5)中径向锻打的参数独立地为：频率为20～200次/分钟，应变速率为10～200s

所述步骤(4)和步骤(5)中轴向镦粗的参数独立地为：压下速度为6～10mm/s，道次变形量为20～40％；

所述步骤(5)中重复进行步骤(3)时，保温的温度比上一次低5～20℃，保温的时间为0.5～2h。

优选地，按质量百分比计，所述步骤(1)中镁合金铸锭的成分包括：Gd：7～13％，Y：2.5～6％，Zr：0.35～0.8％和余量的Mg。

优选地，所述步骤(1)中均匀化处理的温度为490～540℃，均匀化处理的时间为20～25h。

优选地，所述步骤(2)中圆柱形锭坯的直径≥900mm，高度≥200mm。

优选地，所述步骤(3)中保温的温度为460～510℃，保温的时间为12～16h。

优选地，所述步骤(3)中保温的温度为470～500℃，保温的时间为13～15h。

优选地，所述步骤(4)和步骤(5)中回温处理的温度为380～410℃，回温处理的时间为1～2h。

优选地，所述步骤(4)中镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同。

优选地，所述步骤(6)中热处理的温度为350～450℃，热处理的时间为30～120min。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的高强耐热镁合金大型锻件。

本发明提供了一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，包括以下步骤：(1)对镁合金铸锭进行均匀化处理，得到预处理镁合金；(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金制成圆柱形锭坯；(3)对所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯进行保温，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯；(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯进行回温处理，然后进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；(5)重复所述步骤(3)和步骤(4)的操作1～2次，得到锻造镁合金；(6)对所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，得到高强耐热镁合金大型锻件；所述步骤(3)和步骤(5)中径向锻打的参数独立地为：频率为20～200次/分钟，应变速率为10～200s

具体实施方式

本发明提供了一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，包括以下步骤：

(1)对镁合金铸锭进行均匀化处理，得到预处理镁合金；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金制成圆柱形锭坯；

(3)对所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯进行保温，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯；

(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯进行回温处理，然后进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；

(5)重复所述步骤(3)和步骤(4)的操作1～2次，得到锻造镁合金；

(6)对所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，得到高强耐热镁合金大型锻件；

所述步骤(3)和步骤(5)中径向锻打的参数独立地为：频率为20～200次/分钟，应变速率为10～200s

所述步骤(4)和步骤(5)中轴向镦粗的参数独立地为：压下速度为6～10mm/s，道次变形量为20～40％；

所述步骤(5)中重复进行步骤(3)时，保温的温度比上一次低5～20℃，保温的时间为0.5～2h。

本发明对镁合金铸锭进行均匀化处理，得到预处理镁合金。

在本发明中，按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分优选包括：Gd：7～13％，Y：2.5～6％，Zr：0.35～0.8％和余量的Mg，更优选包括：Gd：8～12％，Y：3～5％，Zr：0.4～0.6％和余量的Mg。本发明采用上述成分的镁合金铸锭具有优异的高温耐热性能和力学性能。

在本发明中，所述镁合金铸锭优选采用半连续电磁铸造方法制备得到。本发明对所述半连续电磁铸造方法的具体操作和工艺参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的半连续电磁铸造方法即可。

在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为490～540℃，更优选为500～530℃，进一步优选为510～520℃；所述均匀化处理的时间优选为20～25h，更优选为21～24h，进一步优选为22～23h。本发明通过对镁合金铸锭进行均匀化处理，可以使镁合金铸锭内的化学成分充分扩散，提高镁合金铸锭的冶金质量。

得到预处理镁合金后，本发明将所述预处理镁合金制成圆柱形锭坯。在本发明中，所述圆柱形锭坯的直径优选≥900mm，更优选≥1000mm，所述圆柱形锭坯的高度优选≥200mm，更优选≥250mm。

在本发明中，所述圆柱形锭坯的制备步骤优选为：对预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到圆柱形锭坯。本发明对所述车皮、探伤和锯床下料的具体操作没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术常识确定即可。

制成圆柱形锭坯后，本发明对所述圆柱形锭坯进行保温，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯。

在本发明中，所述保温的温度优选为460～510℃，更优选为470～500℃，进一步优选为480～490℃；所述保温的时间优选为12～16h，更优选为13～15h，进一步优选为14h。本发明通过对圆柱形锭坯进行保温处理，可以提高圆柱形锭坯的塑性，防止锻打过程中出现开裂等问题。

在本发明中，所述径向锻打的频率为20～200次/分钟，优选为50～150次/分钟，进一步优选为80～120次/分钟；所述径向锻打的应变速率为10～200s

本发明通过小幅度变形的高速锻打能够避免大尺寸锻件在锻造过程开裂的问题，有效改善大尺寸锻件的各向异性，提高大尺寸锻件的力学性能。

得到锻打锭坯后，本发明对所述锻打锭坯进行回温处理，然后进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯。

在本发明中，所述回温处理的温度优选为380～410℃，更优选为390～400℃；所述回温处理的时间优选为1～2h，更优选为1.5h。本发明通过对锻打铸锭进行回温处理，能够使铸锭的温度调整至适合镦粗的范围，同时使铸锭内外的温度一致。

在本发明中，所述轴向镦粗的压下速度为6～10mm/s，优选为7～9mm/s，进一步优选为8mm/s；所述轴向镦粗的道次变形量为20～40％，优选为25～35％。本发明通过将镦粗的参数限定在上述范围内，能够使锻件的性能进一步改善。

在本发明中，所述镦粗锭坯的高度优选与圆柱形锭坯的高度相同。本发明通过将锭坯的高度镦粗至原来的高度，以便于后续的重复锻打和镦粗。

在本发明中，所述径向锻打优选使用锤锻机进行锻打，所述轴向镦粗优选为使用液压机进行镦粗。本发明对所述锤锻机和液压机的具体型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

得到镦粗锭坯后，本发明重复上述径向锻打和轴向镦粗工艺1～2次，得到锻造镁合金。本发明通过重复径向锻打和轴向镦粗，可以使锻坯性能得到极大改善，提高了大尺寸锻件的力学性能。

在本发明中，重复进行径向锻打时，所述保温的温度优选比上一次径向锻打前的保温温度低5～20℃，更优选为8～15℃，进一步优选为10℃；所述保温的时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h。本发明通过对保温的温度和时间进行调整，可以提高锻打效率，同时有利于进一步提高锻件的性能。

得到锻造镁合金后，本发明对所述锻造镁合金进行热处理，得到高强耐热镁合金大型锻件。在本发明中，所述处理的温度优选为350℃～450℃，更优选为400℃；所述热处理的时间优选为30～120min，更优选为50～100min，进一步优选为70～80min。本发明通过对锻造镁合金进行热处理，可以提高锻造镁合金的强度和韧性。

本发明的制备方法简单，无需新的设备，节约了生产成本，有利于工业大规模生产，同时提高了大尺寸的锻件的质量。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的高强耐热镁合金大型锻件。本发明提供的高强耐热镁合金大型锻件具有优异的强度和韧性，在后续使用的过程中不易开裂。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，由以下步骤组成：

(1)采用半连续电磁铸造方法制备镁合金铸锭，然后对所述镁合金铸锭进行均匀化处理，随后随炉冷却至室温，得到预处理镁合金；按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分为：8.1％Gd，Y：3.0％，Zr：0.4％，其余为Mg及不可去除的杂质元素；所述均匀化处理的温度为520℃，均匀化处理的时间为20h；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到尺寸为直径900mm，高度200mm的圆柱形锭坯；

(3)将所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯在480℃的温度下保温15h，然后使用锤锻机进行径向锻打，得到锻打锭坯；所述径向锻打的频率为50次/分钟；每次径向锻打的变形量为2％；径向锻打时每道次锻打的总变形量为8％；沿着径向进行径向锻打360°；

(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯在390℃的温度下保温1h进行回温处理，然后使用液压机进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；所述轴向镦粗的压下速度为8mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为20％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(5)对所述步骤(4)得到的镦粗锭坯在470℃的温度下保温1h，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯，继续将所述锻打锭坯在390℃的温度下保温1h进行回温处理，再进行轴向镦粗，最后空冷至室温，得到镦粗锭坯；所述径向锻打的频率为50次/分钟；每次径向锻打的变形量独立地为2％，总变形量为12％；所述轴向镦粗的压下速度为6mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为20％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(6)将所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，热处理的温度为350℃，热处理的时间为90min，然后空冷至室温，得到高强耐热镁合金大型锻件。

实施例2

一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，由以下步骤组成：

(1)采用半连续电磁铸造方法制备镁合金铸锭，然后对所述镁合金铸锭进行均匀化处理，随后随炉冷却至室温，得到预处理镁合金；按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分为：8.7％Gd，Y：2.6％，Zr：0.5％，其余为Mg及不可去除的杂质元素；所述均匀化处理的温度为510℃，均匀化处理的时间为24h；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到尺寸为直径900mm，高度220mm的圆柱形锭坯；

(3)将所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯在490℃的温度下保温14h，然后使用锤锻机进行径向锻打，得到锻打锭坯；所述径向锻打的频率为60次/分钟；每次径向锻打的变形量为3％；径向锻打时每道次锻打的总变形量为9％；沿着径向进行径向锻打360°；

(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯在400℃的温度下保温1h进行回温处理，然后使用液压机进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；所述轴向镦粗的压下速度为9mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为25％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(5)对所述步骤(4)得到的镦粗锭坯在480℃的温度下保温0.5h，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯，继续将所述锻打锭坯在395℃的温度下保温1.5h进行回温处理，再进行轴向镦粗，最后空冷至室温，得到镦粗锭坯；所述径向锻打的频率为60次/分钟；每次径向锻打的变形量独立地为2％，总变形量为10％；所述轴向镦粗的压下速度为7mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为20％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(6)将所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，所述热处理的温度为370℃，热处理的时间为70min，然后空冷至室温，得到高强耐热镁合金大型锻件。

实施例3

一种高强耐热镁合金大型锻件的制备方法，由以下步骤组成：

(1)采用半连续电磁铸造方法制备镁合金铸锭，然后对所述镁合金铸锭进行均匀化处理，随后随炉冷却至室温，得到预处理镁合金；按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分为：9.1％Gd，Y：2.2％，Zr：0.6％，其余为Mg及不可去除的杂质元素；所述均匀化处理的温度为530℃，均匀化处理的时间为25h；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到尺寸为直径900mm，高度250mm的圆柱形锭坯；

(3)将所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯在490℃的温度下保温15h，然后使用锤锻机进行径向锻打，得到锻打锭坯；所述径向锻打的频率为50次/分钟；每次径向锻打的变形量为3％；径向锻打时每道次锻打的总变形量为18％；沿着径向进行径向锻打360°；

(4)对所述步骤(3)得到的锻打锭坯在400℃的温度下保温1.5h进行回温处理，然后使用液压机进行轴向镦粗，得到镦粗锭坯；所述轴向镦粗的压下速度为6mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为25％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(5)对所述步骤(4)得到的镦粗锭坯在475℃的温度下保温1h，然后进行径向锻打，得到锻打锭坯，继续将所述锻打锭坯在400℃的温度下保温1h进行回温处理，再进行轴向镦粗，最后空冷至室温，得到镦粗锭坯；所述径向锻打的频率为50次/分钟；每次径向锻打的变形量独立地为2％，总变形量为14％；所述轴向镦粗的压下速度为6mm/s，所述轴向镦粗的道次变形量为20％；所述镦粗锭坯的高度与步骤(2)中圆柱形锭坯的高度相同；

(6)将所述步骤(5)得到的锻造镁合金进行热处理，所述热处理的温度为350℃，热处理的时间为90min，然后空冷至室温，得到高强耐热镁合金大型锻件。

对比例1

一种镁合金大型锻件的制备方法，由以下步骤组成：

(1)采用半连续电磁铸造方法制备镁合金铸锭，然后对所述镁合金铸锭进行均匀化处理，随后随炉冷却至室温，得到预处理镁合金；按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分为：Gd：8.7％，Y：2.6％，Zr：0.5％，其余为Mg及不可去除的杂质元素；所述均匀化处理的温度为510℃，均匀化处理的时间为24h；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到尺寸为直径900mm，高度220mm的圆柱形锭坯；

(3)将所述步骤(2)得到的圆柱形锭坯在490℃的温度下保温14h，然后使用锤锻机进行单向锻打，最后空冷至室温，得到锻造镁合金；所述单向锻打的频率为60次/分钟，每次锻打变形量2％，累积变形量为16％；

(4)将所述步骤(3)得到的锻造镁合金进行热处理，所述热处理的温度为370℃，热处理的时间为70min，然后空冷至室温，得到镁合金大型锻件。

对比例2

一种镁合金大型锻件的制备方法，由以下步骤组成：

(1)采用半连续电磁铸造方法制备镁合金铸锭，然后对所述镁合金铸锭进行均匀化处理，随后随炉冷却至室温，得到预处理镁合金；按质量百分比计，所述镁合金铸锭的成分为：Gd：9.1％，Y：2.2％，Zr：0.6％，其余为Mg及不可去除的杂质元素；所述均匀化处理的温度为530℃，均匀化处理的时间为25h；

(2)将所述步骤(1)得到的预处理镁合金依次进行车皮、探伤和锯床下料，得到长度250mm，宽度250mm，高度250mm的正方形锭坯；

(3)将所述步骤(2)得到的正方形锭坯在490℃的温度下保温15h，然后使用液压机进行三向锻打，最后空冷至室温，得到锻造镁合金；所述三向锻打的压下速度为6mm/s，每道次的总变形量为20％；

(4)将所述步骤(3)得到的锻造镁合金进行热处理，所述热处理的温度为350℃，热处理的时间为90min，然后空冷至室温，得到镁合金大型锻件。

实施例1～3和对比例1～2制备的镁合金大型锻件的力学性能如表1所示：

表1实施例1～3和对比例1～2制备的镁合金大型锻件的力学性能

根据实施例1～3的记载可以看出，本发明提供的高强耐热镁合金大型锻件直径≥900mm，高度≥200mm，在室温条件下的轴向抗拉强度≥400MPa，切向抗拉强度＞350MPa，轴向屈服强度≥300MPa，切向屈服强度≥240MPa，轴向、切向伸长率≥3.0％，高强耐热镁合金大型锻件在200℃的温度下的轴向、切向抗拉强度≥300MPa，轴向、切向屈服强度≥210MPa，轴向、切向伸长率≥6.0％，具有优异的力学性能。

根据实施例2和对比例1的对比可以看出，本发明采用的径向高速锻打和轴向慢速镦粗相结合的多向锻造工艺与常规的单向锻造工艺相比，在室温和200℃的温度下，镁合金大型锻件的轴向和切向的抗拉强度和屈服强度均得到了较大幅度的提高，同时锻件的伸长率与对比例1相当，说明本发明的技术方案能够在保证在保证镁合金大型锻件塑性的情况下提高其抗拉强度和屈服强度，同时防止镁合金大型锻件开裂。

根据实施例3和对比例2的对比可以看出，本发明采用的径向高速锻打和轴向慢速镦粗相结合的多向锻造工艺与常规的单向锻造工艺相比，在室温和200℃的温度下，镁合金大型锻件的轴向和切向的抗拉强度和屈服强度均得到了较大幅度的提高，同时锻件的伸长率与对比例2相当，说明本发明的技术方案能够在保证在保证镁合金大型锻件塑性的情况下提高其抗拉强度和屈服强度，同时防止镁合金大型锻件开裂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。