专利名称：一种Mg-Zn合金一次相强制固溶的工艺方法
技术领域：
本发明属于镁合金加工技术领域，特别涉及一种Mg-ai合金一次相强制固溶的工 艺方法。
背景技术：
在能源、环境问题日益突出的21世纪，镁及其合金以其明显的资源优势和优异 的性能特点在交通工具、3C产品、航空航天等具有轻量化需求的领域有着广泛的应用潜 力和发展空间。目前应用最广泛的是以ai为主要合金元素的Mg-ai系合金，其主要包括 Mg-Zn-Zr (ZK)和Mg-Zn-Al (ZA)合金。Mg-Si系合金属于时效强化型合金，通过在时效过 程中析出与基体具有共格关系的MgSi相或MgZnAl相来强化合金、提高合金的强度。时效 强化的效果在很大程度上取决于析出相的体积密度；而这又取决于时效前合金元素在镁基 体中的固溶度。基体中合金元素的固溶度越高，则时效析出相的体积密度越大、合金的强度 越高。平衡凝固条件下，Si在Mg中的最大固溶度(共晶温度 340°0为6.2 wt. %。为 了获得高的强度，商业化高强度Mg-ai系合金中通常含有大于6 Wt. %的Si元素，典型牌号 如160。但是，由于Si在镁熔体和α -Mg固溶体之间的分配系数远小于1、并且合金的凝 固温度区间大，实际铸造凝固过程中往往偏聚在最后凝固区域，使得仅含1-2 wt. % Zn 的合金中即存在非平衡α-Mg+Mg-ai (-Al)离异共晶相。另一方面，由于固态下合金元素 在镁中的扩散速度很慢，通过传统的均勻化或固溶处理难以完全消除铸锭组织中这些非平 衡的一次结晶相，从而难以得到合金元素均勻分布的a-Mg固溶体组织。因此，Mg-Si合金 中不可避免地存在着非平衡金属间化合物相，而且化合物的数量随着合金元素含量的增加 而增多。这些粗大的未溶一次相的存在，不仅恶化合金的塑性变形性能，而且由于消耗了合 金元素而减少了基体中合金元素的固溶量，从而严重制约了时效强化的效果。因而，对本领 域的技术人员来说，尽可能地消除铸锭组织中非平衡的粗大一次相，使合金元素尽可能地 固溶于镁基体中，从而充分发挥合金元素的有益作用、提高合金的强度是本领域技术人员 急需解决的技术问题。现有技术中，中国专利CN1307142A “铝、镁合金的固溶或均勻化热处理方法”提出 了一种连续升温的固溶或均勻化热处理方法，其是克服传统固溶或均勻化通常在低熔点共 晶点或包晶点温度(记为 )以下进行、而使非平衡结晶相的溶入程度和合金性能的提高受 到限制而提出的，该技术方案是从 温度以下5-30°C，以0. I-IO0C /h的升温速度连续升 温至!《温度以上5-30°C，直至非平衡结晶相大部分或全部固溶于基体中。虽然该方法在铝 合金中取得较好的效果，但由于该热处理方法需要连续缓慢升温，使得合金在高温下停留 的时间长，而镁的耐热性差、组织热稳定性不足，若高温长时间的热处理往往引起镁合金晶 粒长大和氧化，从而导致镁合金的脆化，因此若将该热处理方法应用于镁合金中，将会受到 很大限制。中国专利CN101298653A “高强高韧AZ91镁合金带材电致强韧化处理方法及系
3统”公开了一种高温短时加热的方法，其是采用电极将脉冲电源输出的高能脉冲电流输入 到运动的镁合金带材的加电区域段，在加电区域段产生焦耳热效应和非热效应从而使带 材合金中粗大的一次结晶相尽可能固溶于基体中。该方法处理时间短，避免了合金晶粒长 大和高温氧化，明显提高了材料的力学性能。但是该方法处理时需要特殊的电致塑性轧机 装置，且处理的合金须是可以卷曲的带材，因此该方法也不适用于镁-锌合金的处理。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种使Mg-Si合金中非平衡 的粗大一次相尽可能地固溶于基体的一种Mg-Si合金一次相强制固溶的工艺方法。实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种Mg-Si合金一次相强制固溶的工 艺方法，包括如下步骤
A、常规处理将需要进行一次相强制固溶的Mg-ai合金铸锭进行常规固溶或均勻化处
理；
B、预热保温将经过步骤A常规处理的Mg-Si合金铸锭在高于Mg-Si合金共晶温度5 60°C的温度范围内进行预热保温处理，预热保温时间0. 5 2 h ；
C、热挤压加工将经过步骤B预热保温处理后的Mg-Si合金铸锭在高于Mg-Si合金共 晶温度5 60°C的温度范围内进行热挤压加工处理，热挤压加工的挤压比为1(Γ50，挤压速 率为 0. Γ . 5m/min ；
D、补充固溶将经过步骤C热挤压加工处理后的Mg-Si合金铸锭在高于Mg-Si合金共 晶温度5 60°C的温度范围内进行0. 5-2 h的固溶处理，得到一次相强制固溶的Mg-Si合
^^ ο所述步骤C热挤压加工步骤中，还包括Mg-Si合金铸锭在热挤压加工完成后空冷
至室温。相比现有技术，本发明具有如下有益效果
1)本工艺方法提出将经常规固溶或均勻化处理后的Mg-ai合金铸锭在高于所述合金 共晶温度5-60°C的温度范围内进行预热保温，以使低熔点离异共晶α-Mg+Mg-ai (_A1)两 相界面熔化。在Mg-Si合金铸锭中非平衡的粗大一次相以α-Mg+Mg-ai (_A1)离异共晶形 式存在，其离异共晶界面熔点低，在高于共晶温度5-60°C的温度范围短时加热(0.5-2 h)， 界面将发生熔化，从而在离异共晶界面上形成一薄层液膜；在生成液膜过程中，α-Mg相和 Mg-Zn- (Al)相由于固态扩散速度慢、高温停留时间短，因而该两相之间的固相反应则几乎 无法发生，或仅仅局限于两相界面附近。因此，经过本工艺方法的预热保温处理后，Mg-Si合 金铸锭的离异共晶界面上只会形成一薄层液膜，而不会发生α-Mg相和Mg-Zn- (Al)相的 两相反应，从而为随后热挤压加工过程中的两相分离作好准备。2)本工艺方法在预热保温后，对Mg-ai合金铸锭进行热挤压加工，热挤压加工 温度范围为高于所述合金共晶温度5 60°C的温度范围；挤压比为1(Γ50，挤压速率为 0. Γ1. 5m/min。在这样的挤压过程中，Mg-Si合金中的α -Mg相和Mg-Si (-Al)相将随合金 的流变变形而分离、破碎，同时Mg-Zn (-Al)化合物相的尺寸大大减小，以颗粒状弥散分布 于镁基体中。在经过热挤压变形后，一方面由于两相分离使低熔点界面大大减少甚至消失，使得固溶处理可以在更高的温度下进行而不产生过烧；另一方面由于化合物尺寸细化大大 增加了化合物的表面积，使得化合物溶解和固溶入基体的速度大大加快。因此，本工艺方法 在热挤压加工处理后增加补充固溶处理的工艺，使得Mg-Si合金组织中非平衡一次结晶相 的数量明显减少，从而显著增强Mg-Si合金中一次相的强制固溶效果和提高了合金元素的 固溶度。3)本发明工艺方法不仅一次相固溶效果好，而且该方法在高温下停留时间短，避 免了合金晶粒长大和高温氧化，从而有效保障了 Mg-ai合金的力学性能。4)本发明工艺方法不需额外增添设备，可以在常规挤压机上进行，工艺简单容易 操作，应用范围广，易于实现工业化规模生产。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1 合金为a(91(Mg-9Zn-0. 6Zr)，其低熔点共晶温度为347° C。先采用常 规的固溶处理工艺，即在315° C保温20h，然后将合金锭在400°C预热保温85min，接着在 400°C进行热挤压，挤压比为25，挤压速率为0. 3m/min，挤压后空冷至室温，随后在400°C进 行1.5 h的补充固溶处理。经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织与常规固溶处理组织 相比，组织中残留的非平衡一次结晶相大大减少。定量金相测量表明，常规固溶处理组织中 化合物相的体积百分比为5. 4% ；经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织中化合物相的 体积百分比为3. 4%，减少了 59%。实施例2 合金为ZA73(Mg-7Zn-3Al)，其低熔点共晶温度为343° C。先采用常规 的固溶处理工艺，即在325° C保温20h，然后将合金锭在350°C预热保温2h，接着在350°C 进行热挤压，挤压比为27，挤压速率为0. 2m/min，挤压后空冷至室温，随后在380°C进行1 h 的补充固溶处理。经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织与常规固溶处理组织相比，组 织中残留的非平衡一次结晶相大大减少。定量金相测量表明，常规固溶处理组织中化合物 相的体积百分比为5. 1%，即使延长固溶处理时间至50 h，组织中残留的化合物相的体积百 分比仍高达4. 5%，固溶效果有限。经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织中化合物相的 体积百分比仅为2. 8%，比较常规固溶处理减少了 82%。实施例3 合金为a(60(Mg-6Zn-0. Hr)，其低熔点共晶温度为340° C。先采用常 规的固溶处理工艺，即在335° C保温15h，然后将合金锭在380°C预热保温60min，接着在 380°C进行热挤压，挤压比为11，挤压速率为1.4m/min，挤压后空冷至室温，随后在380°C进 行1.5 h的补充固溶处理。经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织与常规固溶处理组织 相比，组织中残留的非平衡一次结晶相大大减少。定量金相测量表明，常规固溶处理组织中 化合物相的体积百分比为4. 6% ；经本发明工艺方法强制固溶处理后的组织中化合物相的 体积百分比为2. 9%，减少了 55%。
权利要求
1. 一种Mg-ai合金一次相强制固溶的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤A、常规处理将需要进行一次相强制固溶的Mg-ai合金铸锭进行常规固溶或均勻化处理；B、预热保温将经过步骤A常规处理的Mg-ai合金铸锭在高于Mg-ai合金共晶温度5 60°C的范围内进行预热保温处理，预热保温时间0. 5 2 h ；C、热挤压加工将经过步骤B预热保温处理后的Mg-Si合金铸锭在高于Mg-Si合金共 晶温度5 60°C的范围内进行热挤压加工处理，热挤压加工的挤压比为1(Γ50，挤压速率为 0. 1 1. 5m/min ；D、补充固溶将经过步骤C热挤压加工处理后的Mg-Si合金铸锭在高于Mg-Si合金共 晶温度5 60°C的范围内进行固溶处理，固溶处理时间0. 5 2 h，得到一次相强制固溶的 Mg-Zn合金。
2. —种Mg-Si系合金一次相强制固溶的工艺方法，其特征在于，所述步骤C热挤压加工 步骤中，还包括Mg-Si合金铸锭在热挤压加工完成后空冷至室温。
全文摘要
本发明公开了一种Mg-Zn合金一次相强制固溶的工艺方法，该方法包括对Mg-Zn合金进行常规固溶处理或均匀化处理，然后在高于所述合金共晶温度5-60℃的范围内进行短时预热保温，从而在所述合金的离异共晶界面上形成一薄层液膜；再通过热挤压加工处理促使合金中的两相分离和化合物破碎，最后通过补充固溶处理使得Mg-Zn合金组织中非平衡一次结晶相的数量明显减少，从而显著提高Mg-Zn合金中一次相的强制固溶效果和合金元素的固溶度。本发明工艺方法不仅固溶效果好，且由于在高温下停留时间短，避免了合金组织粗化和高温氧化，同时不需额外增添设备，适用范围广。
文档编号C22F1/06GK102094160SQ20111002175
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者左汝林, 张静, 杨亮, 陈波全 申请人:重庆大学