一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鎂合金鑄件的制備方法，特指系一種Mg-Y-Nd鎂合金鑄件的熱處理工 藝;屬于鎂合金及熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] Mg-Y-Nd系列鎂合金作為使用最廣的稀土鎂合金，以其優(yōu)秀的高溫力學(xué)性能在航 空、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該合金采用低壓鑄造的方法可以制備出各種大尺寸，形狀 復(fù)雜的各種航空構(gòu)件。合金中由于Y和Nd元素的加入，可形成Mg4iNd5、Mg24Y5以及Mgi4Nd2Y等 化合物，從而起到強(qiáng)化的作用。但是這些起強(qiáng)化作用的化合物需要在時(shí)效過(guò)程中形成，而在 鑄造過(guò)程中形成的粗大化合物并不能起強(qiáng)化作用，因此在該合金進(jìn)行熱處理時(shí)首先需要將 鑄造過(guò)程形成的粗大化合物溶入基體，然后通過(guò)時(shí)效的方式使其以細(xì)小彌散的形式析出。
[0003] 基于Mg-Y-Nd系列鎂合金的強(qiáng)化機(jī)理，目前廣泛采用固溶+時(shí)效的T6熱處理工藝對(duì) 合金進(jìn)行熱處理，即在高溫下加熱使合金元素溶入基體，然后在較低溫度下進(jìn)行時(shí)效使其 析出。目前的研究結(jié)果主要針對(duì)固溶溫度、固溶時(shí)間、以及時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間來(lái)展開(kāi)，通 過(guò)尋求一種最優(yōu)的溫度和時(shí)間組合使合金熱處理后具有較好的力學(xué)性能。
[0004] 雖然Mg-Y-Nd系列鎂合金的合金化程度已經(jīng)比較高，但現(xiàn)有技術(shù)采用固溶+時(shí)效的 T6熱處理工藝對(duì)合金進(jìn)行熱處理后，根據(jù)文獻(xiàn)(張娜，Mg-Y-Nd合金的組織與性能研究，吉林 大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007)的記載，合金抗拉強(qiáng)度指標(biāo)僅僅達(dá)到275MPa，因而，限制了Mg-Y-Nd 系列鎂合金在很多領(lǐng)域或工況下 的應(yīng)用，本領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直希望能有效提高 Mg-Y-Nd 系列鎂合金的力學(xué)性能，但至今為止，并沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的改善，因此，有必要對(duì)Mg-Y-Nd鎂 合金熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)辖鹆W(xué)性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)合理，能夠大 幅度提高大尺寸稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理方法。
[0006] 本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，包括下述步驟：
[0007] 第一步:分級(jí)固溶
[0008] 將鑄件加熱依次進(jìn)行一級(jí)固溶、二級(jí)固溶；
[0009] 一級(jí)固溶保溫溫度450~480°C，保溫時(shí)間15~20小時(shí);優(yōu)選的保溫時(shí)間為15-16小 時(shí);一級(jí)固溶保溫結(jié)束后，繼續(xù)升溫進(jìn)行二級(jí)固溶；
[0010] 二級(jí)固溶保溫溫度540~550°C，保溫時(shí)間2~3小時(shí)，優(yōu)選的保溫時(shí)間為2.5-3小 時(shí);然后，出爐后強(qiáng)風(fēng)冷卻，冷卻速度200~250 °C/h。
[0011]第二步:分級(jí)人工時(shí)效
[0012] 將第一步固溶處理后的工件依次進(jìn)行三級(jí)人工時(shí)效：
[0013] 一級(jí)人工時(shí)效工藝為:時(shí)效溫度300~320 °C，保溫時(shí)間3~5小時(shí)，優(yōu)選的保溫時(shí)間 為4-5小時(shí)，冷卻方式：出爐空冷；
[0014] 二級(jí)人工時(shí)效工藝為:時(shí)效溫度200~250 °C，保溫時(shí)間15~20小時(shí)，優(yōu)選的保溫時(shí) 間為15-18小時(shí)，冷卻方式：出爐空冷；
[0015] 三級(jí)人工時(shí)效工藝為:時(shí)效溫度150~180°C，保溫時(shí)間20~30小時(shí)，優(yōu)選的保溫時(shí) 間為22-30小時(shí)，冷卻方式：出爐空冷。
[0016]本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，一級(jí)固溶加熱升溫速 度為200~220°C/h;二級(jí)固溶加熱升溫速度為50~100°C/h。
[0017]本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，
[0018] 三級(jí)人工時(shí)效工藝過(guò)程中，每一級(jí)人工時(shí)效加熱升溫速度均為150~200°C/h。
[0019] 本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，將鑄件依次進(jìn)行一級(jí)固 溶、二級(jí)固溶、一級(jí)人工時(shí)效、二級(jí)人工時(shí)效、三級(jí)人工時(shí)效，各步驟的順序不可調(diào)換。
[0020] 本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，經(jīng)過(guò)處理后的工件強(qiáng)度 較常規(guī)工藝處理后提高10%以上，其抗拉強(qiáng)度大于等于300MPa，屈服強(qiáng)度大于等于200MPa， 伸長(zhǎng)率大于等于5%。
[0021] 本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，所處理的稀土鎂合金鑄 件原材料為Mg-Y-Nd鎂合金。
[0022]本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，所述Mg-Y-Nd鎂合金包 括下述組分，按質(zhì)量百分比組成：
[0023] Y 3.5~4.0% ;Nd 2.3~2.6% ;Zr 0.4~0.5% ;Gd 0.3~0.4% ;其它元素總量小 于0.5%;余量為Mg。
[0024] 本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，所處理的稀土鎂合金鑄 件采用低壓鑄造的方法制備，鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于 0.5111 2，重量大于40敁。
[0025]本發(fā)明一種提高稀土鎂合金鑄件力學(xué)性能的熱處理工藝，對(duì)稀土鎂合金鑄件表面 進(jìn)行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用混合酸溶液清洗，清洗后，進(jìn)行熱處理。
[0026] 發(fā)明人結(jié)合Mg-Y和Mg-Nd相圖，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn):Y元素和Nd元素在Mg中的極限 固溶度具有很大的差別，并且在室溫時(shí)的固溶度也有很大差別。在固溶處理時(shí)，Nd元素需要 較高的溫度才能實(shí)現(xiàn)完全固溶，而Y元素的固溶溫度則低很多，如果選用單一的固溶溫度， 則需要對(duì)應(yīng)較高的溫度和較長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)完全固溶，而且這種情況也容易使晶粒發(fā)生 長(zhǎng)大，不利于合金的力學(xué)性能。也就是說(shuō)低溫固溶時(shí)Nd元素不能實(shí)現(xiàn)充分固溶，而高溫固溶 時(shí)，雖然Nd和Y元素均發(fā)生了固溶，但晶粒也發(fā)生了長(zhǎng)大。在時(shí)效處理時(shí)，含Nd的強(qiáng)化相需要 在較高的溫度下析出，而在較高溫度下時(shí)，Y在Mg中的固溶度仍然較大，也就是說(shuō)此時(shí)含Y的 化合物還不能夠完全析出，Mg基體中較多的Y元素固溶，必然減少了析出相的數(shù)量。
[0027]基于以上研究結(jié)果，發(fā)明對(duì)稀土鎂合金鑄件設(shè)計(jì)了采用階段固溶和階段時(shí)效的熱 處理方法，將固溶和時(shí)效視為一個(gè)整體，在含Nd強(qiáng)化相時(shí)效析出的過(guò)程中，Y元素處于固溶 狀態(tài)，含Y化合物時(shí)效析出的過(guò)程中又保證含Nd化合物不長(zhǎng)大，最終合金中含有更多的析出 強(qiáng)化相，使合金的力學(xué)性能得到提高。
[0028] 本發(fā)明中，分級(jí)固溶以及分級(jí)人工時(shí)效的機(jī)理和技術(shù)效果簡(jiǎn)述于下：
[0029] -級(jí)固溶:可使鑄態(tài)合金中的含Y的偏析相溶入Mg基體中，實(shí)現(xiàn)Y元素的均勻固溶， 此時(shí)較低的溫度既可以實(shí)現(xiàn)Y元素的固溶，同時(shí)避免了晶粒的長(zhǎng)大。
[0030] 二級(jí)固溶：實(shí)現(xiàn)合金中Nd元素的固溶，冷卻后形成含有Y和Nd元素的過(guò)飽和固溶 體，較短的保溫時(shí)間也可避免晶粒的長(zhǎng)大。
[0031] -級(jí)人工時(shí)效:保溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)了含Nd強(qiáng)化相的預(yù)析出，同時(shí)使得第四步冷卻過(guò)程 中析出的含Y強(qiáng)化相重新固溶的Mg基體中。
[0032]二級(jí)人工時(shí)效:保溫過(guò)程使得含Nd強(qiáng)化相充分析出，以及含Y強(qiáng)化相的預(yù)析出。 [0033]三級(jí)人工時(shí)效:保溫過(guò)程保證了含Y強(qiáng)化相的充分析出，同時(shí)控制含Nd強(qiáng)化相不長(zhǎng) 大。
[0034]本發(fā)明由于采用上述工藝方法對(duì)低壓鑄造的稀土鎂合金進(jìn)行熱處理，可彌補(bǔ)現(xiàn)有 熱處理工藝的不足，大幅提高合金的力學(xué)性能。根據(jù)Y元素和Nd元素在Mg中的極限固溶度具 有很大的差別，并且在室溫時(shí)的固溶度也有很大差別，在固溶處理時(shí)Nd元素需要較高的溫 度才能實(shí)現(xiàn)完全固溶，而Y元素的固溶溫度則低很多，而高溫固溶時(shí)，雖然Nd和Y元素均發(fā)生 了固溶，但晶粒也發(fā)生了長(zhǎng)大。在時(shí)效處理時(shí)，含Nd的強(qiáng)化相需要在較高的溫度下析出，而 在較高溫度下時(shí)，Y在Mg中的固溶度仍然較大。合理設(shè)計(jì)固溶和時(shí)效的組合工藝，使第一步 加熱時(shí)Y元素充分固溶，第二步加熱時(shí)，Nd元素充分固溶，但又保證晶粒不長(zhǎng)大，時(shí)效時(shí)使含 Nd的強(qiáng)化相先析出，降低溫度再使含Y的強(qiáng)化相析出，既保證了強(qiáng)化相數(shù)量最多，又保證先 析出的強(qiáng)化相不長(zhǎng)大。
[0035]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用簡(jiǎn)單的熱處理方法既保證了時(shí)效析出強(qiáng)化相數(shù)量較多，細(xì) 小，也避免了固溶過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大。熱處理工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有熱處理設(shè)備進(jìn)行任何改 造，得到的合金力學(xué)性能較常規(guī)處理更高。
[0036]綜上所述，本發(fā)明為提高大尺寸稀土鎂合金鑄件提供了一條簡(jiǎn)單高效的有效途 徑。
[0037]【附圖說(shuō)明】：
[0038]附圖1為本發(fā)明熱處理工藝路線(xiàn)示意圖。
[0039]附圖2為對(duì)比例熱處理工藝處理后合金的金相顯微組織。
[0040]附圖3為本發(fā)明實(shí)施例2熱處理工藝處理后合金的金相顯微組織。
[00411附圖4為本發(fā)明實(shí)施例2熱處理工藝處理后合金的TEM顯