一種用于鎂-鋅-稀土合金的熱處理工藝的制作方法
【專利摘要】一種用于Mg-Zn-RE合金的熱處理工藝，屬于金屬材料熱處理【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明中涉及到的固溶處理工藝為一種特殊的熱處理工藝，過程有序地可分為5個(gè)階段，快速升溫、短時(shí)保溫、強(qiáng)力變形、慢速升溫和長時(shí)保溫。采取的是一種力-熱耦合作用下的熱處理工藝，不僅有效地細(xì)化合金中粗大的第二相，同時(shí)有助于合金中細(xì)小的納米級(jí)第二相析出。經(jīng)過熱處理之后，合金的基體中有大量的納米級(jí)別的第二相析出，其尺寸范圍為30～200nm，可有效阻礙位錯(cuò)滑移，同時(shí)釘扎晶界，大大提高了合金的力學(xué)性能。
【專利說明】—種用于鎂-鋅-稀土合金的熱處理工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于Mg-Zn-RE合金的熱處理工藝，屬于熱處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】[0002]鎂合金具有優(yōu)良的性能，比重約為1.8，只有鋁的2/3，鋼的1/4和鋅的1/4。節(jié)約資源和減少污染，是當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。近幾年來，鎂合金更是以其散熱性佳、回收性好、抗電磁干擾及屏蔽能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料。但在鎂合金中缺乏有效強(qiáng)化相，限制了其作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。
[0003]近年來在Mg-Zn合金中添加稀土元素制備Mg-Zn-RE三元合金的研究已有報(bào)道，如Mg-Zn-Y(Z.P.Luo, S.Q.Zhang, Y.L.Tang, et al.Scr.Metals.Mater.1993, 28:1513-1518)，Mg-Zn-Gd ([Y.Liu, G.Y.Yuan, C.Lu and ff.J.Ding.Scr.Mater.200655:919 - 922)和Mg-Zn-Er (J.H.Li,ff.B.Du, S.B.Li, and Z.H.Wang.RARE METALS2009, 28:297-301 )。根據(jù)合金中成分的添加范圍，特別是Zn/RE的加入比例，可獲得含有不同種類的初生相的Mg-Zn-RE三元合金，其中常見的初生三元相有1-相、W-相等。這兩種三元相對(duì)合金的力學(xué)性能有不同的作用，1-相是一種強(qiáng)化效果較好的第二相，W-相則因與基體晶格匹配度差而惡化了力學(xué)性能。然而，總體而言初生的1-相和W-相過于粗大，致使它們?cè)趹?yīng)力的作用下易于開裂，形成裂紋源，最終導(dǎo)致合金失效。
[0004]因此，如何降低合金中1-相和W-相的尺寸，成了影響合金力學(xué)性能好壞的關(guān)鍵。目前，常用的細(xì)化方法主要是強(qiáng)力加工，包括擠壓、軋制、等通道擠壓等方法。然而歸納起來，采用強(qiáng)力加工的方法細(xì)化初生的大尺度第二相有以下不足:(1)這種外加應(yīng)力下的破碎是一種物理方法，主要靠剪切力的作用將粗大第二相破碎，破碎程度較小，不足以使它們細(xì)化至納米級(jí)；(2)在外加應(yīng)力的推動(dòng)下，破碎之后的顆粒靠著半固態(tài)金屬的流動(dòng)而分散，分散并不均勻。此外，當(dāng)前通過常規(guī)的熱處理手段不能有效的將粗大第二相消溶或?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)第二相的大量、均勻析出，而且目前也沒有相關(guān)的既定的熱處理工藝方法。那么，若采用一種有效的熱處理工藝，滿足粗大第二相的消溶和納米級(jí)第二相的析出，可有效的提升合金的力學(xué)性能。
[0005]本發(fā)明中涉及到一種新的熱處理工藝，它不同于常規(guī)的熱處理手段，采用是一種力-熱耦合的方式。其效果優(yōu)于目前用到的強(qiáng)力變形和常規(guī)熱處理方法。與強(qiáng)力變形相t匕，合金中的第二相不但分散均勻，而且第二相的尺寸進(jìn)一步降低；與常規(guī)熱處理方法相t匕，合金中的粗大第二相更容易消溶，納米第二相的析出量更大、分布更均勻。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 Mg-Zn-RE系合金中粗大第二相的消溶和納米尺度第二相的析出，顯著提高了 Mg-Zn-RE合金的力學(xué)性能，為改善鎂及鎂合金的性能提供了一種有效的熱處理新技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于鎂-鋅-稀土合金的熱處理工藝。
[0007]本發(fā)明主要特征在于一種新的熱處理工藝、方法。它的熱處理過程有序地可分為5個(gè)階段，快速升溫、短時(shí)保溫、強(qiáng)力變形、慢速升溫和長時(shí)保溫。
[0008]該發(fā)明適用于含有1-相、W-相或1-相和W-相共存的合金體系。將滿足上述要求的Mg-Zn-RE合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，快速升溫，升溫速率為50~100K/min，溫度升至450°C~550°C，保溫5~15min，然后迅速將該樣品用軋機(jī)滾壓，下壓量為O~10%，樣品自然冷卻至350°C，將其立刻放入普通電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫，升溫速率為5~ΙΟΚ/min，保溫溫度為350°C~500°C，保溫時(shí)間為5~30h，保溫時(shí)間為5~30h，樣品在爐室中自然冷卻，當(dāng)爐溫不低于340°C時(shí)溫水(50°C~85°C)淬火，得到合金樣品。
[0009]RE代表目前常用到的Gd、Y、Er等稀土元素。
[0010]本發(fā)明固溶處理工藝后，使合金中并粗大的Mg-Zn、1-相、W-相等更加容易溶解，使Zn固溶到基體中去，從而降低合金層錯(cuò)能，促進(jìn)后續(xù)熱加工過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。特別是，鑄態(tài)合金中的初生大塊準(zhǔn)晶相和W-相在固溶處理過程中發(fā)生不同程度的分解，有助于析出更為細(xì)小的納米顆粒，合金基體中析出的納米級(jí)顆粒，其尺寸范圍為30~200nm。納米級(jí)顆粒的析出有助于合金的強(qiáng)化，不但能夠釘扎晶界，而且能夠阻礙位錯(cuò)滑移，顯著地提高了合金的強(qiáng)度和塑性。本發(fā)明，為目前難以熱處理的Mg-Zn-RE系合金提供了一個(gè)新的、有效的熱處理方法和技術(shù)。
[0011]本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果
[0012]1.消除了 Mg-Zn-RE合金中的晶內(nèi)和枝晶間偏析,使合金的組織和性能得到了最大程度的改善。
[0013]2.強(qiáng)力變形后，合金中的大塊顆粒被破碎，且有較大的晶格畸變，在后續(xù)的熱處理過程中更加容易的消溶，使元素?cái)U(kuò)散更加均勻。
[0014]3.合金在固溶處理過程中，基體中析出納米級(jí)第二相，其尺寸范圍為30~200nm，可阻礙位錯(cuò)滑移，釘扎晶界提高了合金的力學(xué)性能。其中準(zhǔn)晶I相的顆粒尺寸范圍為30~IOOnm ；ff-相的顆粒尺寸范圍為`100~200nm。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中未熱處理的粗大的準(zhǔn)晶相(I相)。
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的熱處理后納米級(jí)準(zhǔn)晶顆粒。
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中未熱處理的粗大的W相。
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中熱處理后的納米級(jí)W相顆粒。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]將制備的只含有I相(附圖1)的Mg-6Zn_lEr合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為50K/min，溫度升至450°C，保溫lOmin，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為2.5%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為5K/min，保溫溫度為450°C，保溫時(shí)間為10h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(50°C)淬火，合金中析出的納米準(zhǔn)晶顆粒的尺寸約為35nm (附圖2)。
[0021]實(shí)施例2
[0022]將制備的含有I相和W相(附圖3)的Mg-5Zn_2.5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至475°C，保溫5min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為5%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為7K/min，保溫溫度為450°C，保溫時(shí)間為15h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(70°C)淬火，合金中納米W-相顆粒的尺寸約為IOOnm (附圖4)。
[0023]實(shí)施例3
[0024]將制備的只含有I相的Mg-9Zn_l.5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至500°C，保溫15min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為2.5%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為ΙΟΚ/min，保溫溫度為500°C，保溫時(shí)間為25h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(85°C )淬火，合金中納米準(zhǔn)晶顆粒的尺寸約為50nm。
[0025]實(shí)施例4
[0026]將制備的只 含有I相的Mg-6Zn_0.5Er合金進(jìn)行分割,然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為75K/min，溫度升至385°C，保溫lOmin，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為10%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為ΙΟΚ/min，保溫溫度為470°C，保溫時(shí)間為10h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(70°C )淬火，合金中納米準(zhǔn)晶顆粒的尺寸約為85nm。
[0027]實(shí)施例5
[0028]將制備的含有I相和W相的Mg-3Zn_l.5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至500°C，保溫lOmin，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為5%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為5K/min，保溫溫度為400°C，保溫時(shí)間為15h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(65°C )淬火,合金中納米W-相顆粒的尺寸約為150nm。
[0029]實(shí)施例6
[0030]將制備的含有I相和W相的Mg-8Zn_5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至550°C，保溫5min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為10%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為ΙΟΚ/min，保溫溫度為500°C，保溫時(shí)間為30h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(70°C )淬火，合金中納米W-相顆粒的尺寸約為200nm。
[0031]實(shí)施例7
[0032]將制備的含有W相的Mg-4Zn_5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至550°C，保溫5min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為0%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為6K/min，保溫溫度為440°C，保溫時(shí)間為20h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(40°C)淬火，合金中納米W-相顆粒的尺寸約為200nm。
[0033]實(shí)施例8
[0034]將制備的含有I相的Mg-9Zn_l.5Er合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為50K/min，溫度升至550°C，保溫5min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為0%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為IOK/min，保溫溫度為380°C，保溫時(shí)間為30h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(75°C )淬火，合金中納米I相顆粒的尺寸約為50nm。
[0035]實(shí)施例9
[0036]將制備的含有I相的Mg-6Zn_lEr合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，升溫速率為ΙΟΟΚ/min，溫度升至550°C，保溫5min，然后立刻用軋機(jī)進(jìn)行變形處理，下壓量為0%，待樣品冷卻至350°C，將樣品立即放入電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫處理，升溫速率為10K/min，保溫溫度為400°C，保溫時(shí)間為20h，樣品在爐中自然冷卻至350°C，溫水(65°C)淬火，合金中納米I相顆粒的尺寸約為 75nm。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鎂-鋅-稀土合金的熱處理工藝，其特征在于，含有1-相、W-相或1-相和W-相共存的合金體系，將滿足上述要求的Mg-Zn-RE合金進(jìn)行分割，然后放置于紅外升溫爐中，快速升溫，升溫速率為50~ΙΟΟΚ/min，溫度升至450°C~550°C，保溫5~15min，然后迅速將該樣品用軋機(jī)滾壓，下壓量為O~10%，樣品自然冷卻至350°C，將其立刻放入普通電阻爐中進(jìn)行升溫、保溫，升溫速率為5~ΙΟΚ/min，保溫溫度為350°C~500°C，保溫時(shí)間為5~30h，保溫時(shí)間為5~30h，樣品在爐室中自然冷卻，當(dāng)爐溫不低于340°C時(shí)溫水淬火，得到合金樣品。
2.按照權(quán)利要求1的工藝，其特征在于，溫水溫度為50°C~85°C。
3.按照權(quán)利要求1或2的工藝熱處理得到的鎂-鋅-稀土合金。
【文檔編號(hào)】C22F1/06GK103710654SQ201310722605
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】劉軻, 杜文博, 王朝輝, 李淑波, 王慶峰 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)