專利名稱：超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法。
背景技術(shù)：
在很多工業(yè)領(lǐng)域中，材料的輕量化可以有效降低能源消耗，對節(jié)能環(huán)保有著積極的意義。由于鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為1.74g/cm3，是鋁的密度的2/3、鋼的密度的1/4，并且，鎂及其合金還具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的減震性、較強(qiáng)的電磁屏蔽能力以及易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，近年來鎂及鎂合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子和空間工業(yè)中，其被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，并已成為繼鋼鐵和鋁合金之后的第三大金屬結(jié)構(gòu)材料。在冶金和材料領(lǐng)域中，稀土(Rare Earth，簡稱RE)元素由于具有獨(dú)特的核外電子排布而經(jīng)常發(fā)揮著獨(dú)特的作用。作為合金化或微合金化元素，稀土已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵及有色金屬合金中。尤其在鎂合金領(lǐng)域，稀土元素在凈化合金熔體、細(xì)化合金組織、提高合金的力學(xué)性能以及改善合金耐蝕性等方面的突出作用逐漸被人們認(rèn)識與掌握，其被認(rèn)為是鎂合金中最具使用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Φ暮辖鸹?，目前也已陸續(xù)開發(fā)出一系列高強(qiáng)、耐熱、耐蝕性優(yōu)良的稀土鎂合金。為了進(jìn)一步提高稀土鎂合金的力學(xué)性能，日本熊本大學(xué)的Kawamura等人首次采用快速凝固-粉末冶金法(RS/PM)，制備出了目前強(qiáng)度最高的Mg97Y2Zn合金。該合金的室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)600MPa，延伸率為5%，并且，在該合金中發(fā)現(xiàn)了新型的長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)相(Long Period Stacking Ordered Phase,簡稱LPSO相),該相的基面與續(xù)基體具有相同的結(jié)構(gòu)，但沿著c軸的堆垛周期一般為18層(18R)或14層(14H)。LPSO相作為鎂合金中的硬質(zhì)相，對于改善合金的力學(xué)性能起著十分重要的作用。RS/PM方法能制備出晶粒尺寸在250nm至1.0ym之間的材料即超細(xì)晶材料，其力學(xué)性能明顯提高，但是，RS/PM方法制備上述超細(xì)晶稀土鎂合金材料的工藝較復(fù)雜，設(shè)備成本較高，而且鎂合金的粉末冶金過程較難控制，危險(xiǎn)系數(shù)較高 ，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。近年來,劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation,簡稱SPD)方法引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，該方法不但可以制備出塊體超細(xì)晶鎂合金，而且制備的材料內(nèi)部無夾雜和缺陷。目前Sro方法主要包括等通道擠壓(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、累積疊軋(Accumulative Roll Bonding,簡稱ARB)以及多向鍛造(MDF)等。其中，ARB技術(shù)由日本學(xué)者Saito于1998年首次提出，并且該技術(shù)能成功將純鋁的晶粒細(xì)化至亞微米級別。一般說來，累積疊軋的具體操作包括:首先將初始板材切割成兩塊長度相等的部分，經(jīng)過表面堿洗或酸洗及打磨后，再疊放在一起；然后對得到的復(fù)合板材進(jìn)行50%應(yīng)變量的軋制，在軋制力和摩擦力的共同作用下，將兩塊板材復(fù)合在一起；之后將復(fù)合板材再次切割成相等的兩部分，重復(fù)軋制、切割、表面處理、軋制復(fù)合這一過程。經(jīng)過上述多道次的ARB變形后，材料不但實(shí)現(xiàn)了大應(yīng)變量變形，而且樣品的宏觀形狀保持不變。采用累積疊軋能制備出力學(xué)性能優(yōu)異的超細(xì)晶鎂合金和鋁合金，并且工藝簡單，因此，申請人考慮采用該技術(shù)制備高性能的超細(xì)晶稀土鎂合金。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法，本發(fā)明提供的制備方法能制備出力學(xué)性能較高的超細(xì)晶稀土鎂合金，并且制備工藝簡單，成本低廉
MTv ο本發(fā)明提供一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法，包括以下步驟:a)將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金；b)將所述步驟a)得到的固溶處理后的稀土鎂合金進(jìn)行熱變形加工，得到熱變形的稀土鎂合金板材，所述熱變形加工的溫度為350°C 450°C ；c)將所述步驟b)得到的熱變形的稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊軋，經(jīng)退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。優(yōu)選的，所述步驟b)中，所述熱變形加工為熱擠壓，所述熱擠壓的擠壓比為5:1 20:1,所述熱擠壓的擠壓速率為0.2mms_1 2.0mms'
優(yōu)選的，所述步驟b)中,所述熱變形的稀土鎂合金板材的厚度為5.0mm 10.0_。優(yōu)選的，所述步驟c)中，所述累積疊軋具體包括:將所述步驟b)得到的熱變形的稀土鎂合金板材依次進(jìn)行表面預(yù)處理、切割、疊放、退火和軋制，并循環(huán)進(jìn)行上述處理；所述軋制的溫度為100°c 500°C，所述軋制的速率為IOOmms 1 GOOmms、優(yōu)選的，所述軋制的溫度隨累積疊軋變形道次的增加從350°C 500°C降至100。。 250。。。優(yōu)選的，所述步驟c)中，所述累積疊軋中退火的溫度為300°C 400°C，保溫時(shí)間為 IOmin 30min。優(yōu)選的，所述步驟c)中，所述累積疊軋后退火的溫度為200°C 300°C，保溫時(shí)間為 IOmin 60min。優(yōu)選的,所述步驟a)中，所述稀土鎂合金為Mg-Y-Zn合金,其包含:6.0wt% 15.0wt% 的 Y ；2.0wt% 5.0wt% 的 Zn ；余量為Mg及不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選的，所述步驟a)中，所述稀土鎂合金鑄錠按照以下方法制備:將純鎂錠在通保護(hù)氣的條件下加熱至750°C，在所述純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，再降溫至720°C進(jìn)行澆鑄。優(yōu)選的，所述步驟a)具體包括:將稀土鎂合金鑄錠于320°C 340°C進(jìn)行第一次保溫，4h后升溫至400°C 500°C進(jìn)行第二次保溫，8h 24h后進(jìn)行70°C 80°C水淬，得到固溶處理后的稀土鎂合金。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首先將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金，然后于350°C 450°C對合金進(jìn)行熱變形加工，再將熱變形制備的稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊軋，最后經(jīng)退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。本發(fā)明采用熱變形加工-累積疊軋復(fù)合工藝對鑄造稀土鎂合金進(jìn)行變形，首先通過固溶處理和熱變形加工，將稀土鎂合金鑄錠制成稀土鎂合金板材，其中，熱變形加工的溫度為350°C 450°C，能細(xì)化合金的晶粒度，有效提高合金的延展性，有利于后續(xù)的軋制變形。而累積疊軋方法作為劇烈塑性變形的主要技術(shù)之一，可以根據(jù)實(shí)際需要控制合金的變形量，以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的最優(yōu)化，且板材的宏觀尺寸保持不變。本發(fā)明通過大應(yīng)變量的ARB變形，可以將稀土鎂合金的晶粒顯著細(xì)化到1.0 μ m以下，顯著提高合金的力學(xué)性能；同時(shí)，合金中硬度較高的第二相在反復(fù)軋制變形的過程中破碎成細(xì)小的顆粒，不但可以有效限制變形過程中再結(jié)晶晶粒的生長，而且對改善合金的彌散強(qiáng)化效應(yīng)也十分有利。此外，本發(fā)明采用熱變形加工-累積疊軋法制備超細(xì)晶稀土鎂合金的工藝流程簡單，設(shè)備成本低，有利于未來大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的制備超細(xì)晶稀土鎂合金的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明公開了一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法，包括以下步驟:a)將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金；b)將所述步驟a)得到的固溶處理后的稀土鎂合金進(jìn)行熱變形加工，得到熱變形的稀土鎂合金板材，所述熱變形加工的溫度為350°C 450°C ；c)將所述步驟b)得到的熱變形的稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊軋，經(jīng)退火，得到超細(xì)·晶稀土鎂合金。本發(fā)明通過熱變形加工-累積疊軋復(fù)合工藝方法制備出高性能的超細(xì)晶稀土鎂合金板材，并且制備工藝相對簡單，成本低廉，有望實(shí)現(xiàn)高性能稀土鎂合金板材的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明實(shí)施例將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金，以便進(jìn)行后續(xù)加工。在本發(fā)明中，所述稀土鎂合金優(yōu)選為Mg-Y-Zn合金，強(qiáng)度較高。所述Mg-Y-Zn合金優(yōu)選包含:6.0wt% 15.0wt%的Y ；2.0wt% 5.0wt%的Zn ;余量為Mg及不可避免的雜質(zhì)。鎂合金是以Mg為基礎(chǔ)再加入其它元素組成的合金，所述Mg-Y-Zn合金中Mg含量更優(yōu)選為80.0wt% 92.0wt%。Zn是鎂合金的主要合金元素之一，所述Mg-Y-Zn合金更優(yōu)選包含2.0wt% 4.0wt%的Zn。Y加入到鎂合金中可明顯細(xì)化組織的晶粒大小,提高鎂合金的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，所述Mg-Y-Zn合金更優(yōu)選包含6.0wt% 10.0wt%的Y。本發(fā)明實(shí)施例所采用的稀土鎂合金可表示為Mg- (6% 10.0%) Y- (2.0% 4.0%) Zn，其中Y和Zn的含量為質(zhì)量百分比。本發(fā)明所用的稀土鎂合金鑄錠可以從市場上購得，也可以自行鑄造，如采用熔鹽保護(hù)的半連續(xù)鑄造法制備，在熔煉過程中可采用RJ-5熔劑，所述RJ-5熔劑的主要成分為:26% 的 MgCl2,22% 的 KCl,29% 的 BaCl2' 14% 的 CaF2,4% 的 CaCl2,4% 的 NaCl 和 1% 的 MgO,不溶物雜質(zhì)彡1.5%，H2O ( 0.5% ;所述RJ-5熔劑的用量為金屬熔體總重量的0.5% 0.8%。在本發(fā)明中，所述Mg-Y-Zn合金鑄錠優(yōu)選按照以下方法制備:將純鎂錠在通保護(hù)氣的條件下加熱至750°C，在所述純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，再降溫至720°C進(jìn)行澆鑄。其中，對于純鎂錠,本發(fā)明可以采用純度為99.90%的商業(yè)高純鎂，也可以使用純度為99.50wt%的商用一號鎂合金和純度為99.00wt%的二號鎂合金；對于純鋅錠，本發(fā)明一般采用純度為99.90%的純鋅；此外，本發(fā)明優(yōu)選采用Mg-Y稀土中間合金為原料，所述稀土中間合金中Y的含量一般為20%，即所述稀土中間合金可表示為Mg-20%Y，本發(fā)明也可以采用純Y金屬替代Mg-Y稀土中間合金，還可以采用Y含量大于80%的富Y混合稀土制備Mg-Ymm-Zn合金，成本較低，所述富Y混合稀土的主要成分為Y，還含有少量的La、Ce、Nd、Gd、Ho等其他稀土元素；所述Mg-Ymm-Zn合金屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的稀土鎂合金。在對純鎂錠加熱之前，本發(fā)明實(shí)施例首先用酒精對其進(jìn)行表面清理，再用去離子水沖洗，然后吹干，盡量減少雜質(zhì)。接著，本發(fā)明實(shí)施例將吹干后的純鎂錠放入井式電阻熔煉爐中，通入保護(hù)氣加熱至750°C，所述保護(hù)氣優(yōu)選為體積比為40:1的CO2和SF6。待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金或Y含量大于80%的富Y混合稀土，優(yōu)選人工攪拌后靜置lOmin，再降溫至720°C倒入模具中進(jìn)行澆鑄，所述模具優(yōu)選為45#鋼永久型圓柱模具，所得鑄錠直徑優(yōu)選為90mm。 在本發(fā)明中，對鑄錠進(jìn)行的固溶處理為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)手段，一般對鎂合金依次進(jìn)行保溫、水淬的這一過程被稱為“固溶處理”。本發(fā)明進(jìn)行固溶處理的目的是減少合金中的第二相數(shù)量，軟化合金，為下一步的熱變形做準(zhǔn)備，得到固溶處理合金或固溶處理態(tài)合金。作為優(yōu)選，本發(fā)明將稀土鎂合金鑄錠于320°C 340°C進(jìn)行第一次保溫，4h后升溫至400°C 500°C進(jìn)行第二次保溫，8h 24h后進(jìn)行70°C 80°C水淬，得到固溶處理后的稀土鎂合金。 得到固溶處理后的稀土鎂合金后，本發(fā)明實(shí)施例于350°C 450°C對其進(jìn)行熱變形加工，得到熱變形的稀土鎂合金板材。工業(yè)上一般對鑄造鎂合金進(jìn)行熱變形加工，如熱擠壓、熱軋制和鍛造等，來消除鑄造缺陷并細(xì)化晶粒，得到變形鎂合金，改善合金的力學(xué)性能。但是，傳統(tǒng)的熱變形加工由于應(yīng)變量受到樣品尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)較大的變形量，進(jìn)而影響到合金的晶粒細(xì)化效果，很難實(shí)現(xiàn)鎂合金材料晶粒的超細(xì)化，同時(shí)鑄態(tài)合金中的LPSO相在變形后的細(xì)化并不明顯，大尺寸塊狀的LP S O相在合金中的分布并不均勻，一方面弱化變形過程中再結(jié)晶晶粒生長的限制作用，導(dǎo)致晶粒粗化、合金的強(qiáng)度降低；另一方面粗大的LPSO相易發(fā)生解理斷裂，最終導(dǎo)致變形后的合金出現(xiàn)過早斷裂。而本發(fā)明通過固溶處理和熱變形加工，將稀土鎂合金鑄錠制成稀土鎂合金板材，其中，熱變形加工的溫度為350°C 450°C，優(yōu)選為380°C 420°C，能細(xì)化合金的晶粒度，有效提高合金的延展性，有利于后續(xù)的軋制變形。在本發(fā)明中，所述熱變形加工優(yōu)選為熱擠壓，方法簡便且效果較好。所述熱擠壓為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)手段，擠壓比優(yōu)選為5:1 20:1，擠壓速率優(yōu)選為0.2^8-1 2.0mms—1，所述擠壓速率為本領(lǐng)域熟知的壓頭移動(dòng)速率。根據(jù)選擇模具尺寸的不同，熱擠壓制備的稀土鎂合金板材的厚度優(yōu)選為5.0mm 10.0_。
本發(fā)明也可以根據(jù)實(shí)際情況，采用傳統(tǒng)的熱軋法制備稀土鎂合金板材，軋制溫度為350°C 450°C，優(yōu)選為380°C 420°C ;每道次的軋下量可為8% 10%，在本領(lǐng)域中，軋下量又為壓下量，軋制前、后的厚度差稱作壓下量。得到熱變形的稀土鎂合金板材后，本發(fā)明實(shí)施例對其進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊軋，累積疊軋結(jié)束后再進(jìn)行退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。累積疊軋方法作為劇烈塑性變形的主要技術(shù)之一，可以根據(jù)實(shí)際需要控制合金的變形量，以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的最優(yōu)化，且板材的宏觀尺寸保持不變。本發(fā)明通過大應(yīng)變量的ARB變形，可以將稀土鎂合金的晶粒顯著細(xì)化到1.Ομπι以下，顯著提高合金的力學(xué)性能；同時(shí)，合金中硬度較高的第二相在反復(fù)軋制變形的過程中破碎成細(xì)小的顆粒，不但可以有效限制變形過程中再結(jié)晶晶粒的生長，而且對改善合金的彌散強(qiáng)化效應(yīng)也十分有利。在本發(fā)明中，所述累積疊軋優(yōu)選具體包括:將得到的熱變形的稀土鎂合金板材依次、循環(huán)進(jìn)行表面預(yù)處理、切割、疊放、退火和軋制，然后循環(huán)進(jìn)行上述處理；所述軋制的溫度為100°c 500°C，所述軋制的速率為IOOmms 1 GOOmms、累積疊軋時(shí)，對合金板材進(jìn)行表面預(yù)處理為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)手段，優(yōu)選具體為:將得到的熱變形的稀土鎂合金板材依次進(jìn)行尺寸加工、丙酮清洗、堿液清洗、去離子水沖洗、吹干和打 磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選將熱變形加工制備的稀土鎂合金板材加工成尺寸為(200 500) mmX (100 200)mmX (1.0 3.0) mm,米用丙酮清洗合金板材表面,再將板材用堿液清洗3min IOmin后取出，所述堿液優(yōu)選依次為NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液，對板材表面去脂，并用去離子水沖洗干凈，吹干，最后可用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，處理得到不光滑的表面，有利于進(jìn)行軋制復(fù)合。完成表面預(yù)處理后，本發(fā)明實(shí)施例對具有一定粗糙度的待結(jié)合表面的板材依次進(jìn)行切割、疊放及退火處理。即，先將板材切割成長度相等的兩部分或四部分，重合疊放在一起，四角優(yōu)選用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程中板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象，再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，為下一次疊軋做準(zhǔn)備；此處的退火處理在整個(gè)制備方法中相當(dāng)于中間退火，溫度優(yōu)選為300°C 400°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為 IOmin 30min。然后，本發(fā)明實(shí)施例對退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合，壓下量為50% ;所述軋制的溫度優(yōu)選為100°c 500°C，更優(yōu)選為200°C 400°C;所述軋制的速率優(yōu)選為lOOmms—1 6OOmms \ 更優(yōu)選為 200mms 1 500mms 1O重復(fù)上述表面預(yù)處理、切割、疊放、退火和軋制，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程。其中，切割與表面預(yù)處理的步驟可以顛倒，再次將軋制后的板材切割成長度相等的兩部分時(shí)，切去軋板邊緣出現(xiàn)的毛刺。每道次的壓下量均為50%，η為疊軋道次，O < η < 10，在η道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε η=0.8η, η可以為4或10等。在本發(fā)明中，隨著變形道次的增加，軋制溫度逐漸降低，作為優(yōu)選，所述軋制的溫度隨累積疊軋變形道次的增加從350°C 500°C降至100°C 250°C，對限制軋制變形過程中的晶粒長大以制備超細(xì)晶稀土鎂合金十分有利。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，軋制溫度隨著ARB道次η的增加而降低，為(200-10n) °C。
最后，本發(fā)明實(shí)施例將最終累積疊軋后的稀土鎂合金板材進(jìn)行最終的退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度。所述退火處理的溫度優(yōu)選為200°C 300°C，更優(yōu)選為200°C 250°C;所述退火處理的保溫時(shí)間優(yōu)選為IOmin 60min,更優(yōu)選為IOmin 30min。本發(fā)明實(shí)施例的工藝流程參見圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的制備超細(xì)晶稀土鎂合金的工藝流程圖。在圖1中，本發(fā)明實(shí)施例將合金鑄錠制成熱擠壓板材，然后對板材進(jìn)行表面預(yù)處理、等長度切割、板材疊合、中間退火和50%壓下量軋制，再次將軋制后的板材等長度切割并去邊緣毛刺，重復(fù)進(jìn)行表面預(yù)處理、板材疊合、中間退火和50%壓下量軋制等，最后對最終累積疊軋后的板材進(jìn)行最終退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金板材。得到超細(xì)晶稀土鎂合金后，本發(fā)明采用Instron萬能試驗(yàn)機(jī)，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金于室溫進(jìn)行常規(guī)的拉伸性能測試。測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為400MPa 500MPa，延伸率為5% 10%，表明其具有較好的力學(xué)性能。綜上所述，本發(fā)明首先通過對鑄造稀土鎂合金進(jìn)行熱變形加工制備板材原料，然后對板材進(jìn)行機(jī)械加工、表面脫脂及中間退火等處理后，按照設(shè)計(jì)的厚度疊放在一起，再通過多道次ARB變形及最終的退火處理制備出高性能的超細(xì)晶稀土鎂合金板材。本發(fā)明首次采用熱變形加工-累積疊軋復(fù)合工藝成功制備出超細(xì)晶稀土鎂合金，有效解決了由于合金中粗大的LPSO相分布不均而導(dǎo)致的力學(xué)性能惡化的問題。鑄造合金的晶粒在多道次的ARB變形后顯著細(xì)化，分布在初始晶界上尺寸較大的LPSO相破碎并逐漸轉(zhuǎn)變成細(xì)小的近球狀形態(tài)，有效地限制了變形過程中再結(jié)晶晶粒的長大，不但顯著提高了合金的屈服強(qiáng)度，同時(shí)解決了由于大尺寸LPSO相中發(fā)生解理斷裂而導(dǎo)致的合金室溫延展性極差的問題。此外，LPSO相本身具有良好的熱穩(wěn)定性，可以克服傳統(tǒng)的Mg-Al系合金在高于120°C使用時(shí)Mg17Al12相軟化而引起的力學(xué)性能急劇下降的問題。同時(shí)，本發(fā)明采用的制備工藝相對簡單，成本低廉，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法進(jìn)行具體描述。以下實(shí)施例鑄造Mg-Y-Zn合金采用純度為99.90%的商業(yè)高純鎂和純度為99.90%的純鋅，以及Mg-20%Y稀土中間合金或Y含量大于80%的富Y混合稀土為原料。實(shí)施例1(I)Mg-Y-Zn合金的鑄造:首先用酒精對純鎂錠進(jìn)行表面清理，用去離子水沖洗、吹干后放入井式電阻熔煉爐中，通入體積比為40:1的CO2和SF6的保護(hù)氣，加熱至750°C，待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，人工攪拌后靜置IOmin,再降溫至720°C倒入45#鋼永久型圓柱模具中進(jìn)行澆鑄，鑄錠直徑為90mm，合金成分為 Mg_6.0wt%Y-2.0wt%Zn。(2)Mg-Y-Zn合金板材的制備:將合金鑄錠于330°C保溫4h，升溫至400°C保溫8h，并進(jìn)行70°C水淬，然后對合金進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為350°C，擠壓比為20:1，擠壓速率為
2.0mms 1O(3)合金板材的表面預(yù)處理:將熱擠壓變形制備的Mg-Y-Zn合金板材加工成尺寸為200mmX IOOmmX 3.0mm,采用丙酮清洗合金板材表面，再將板材依次用NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液清洗，3min后取出，并用去離子水 沖洗干凈、吹干，最后用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。(4)切割、疊放及退火處理:將板材切割成長度相等的兩部分，重合疊放在一起，四角用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程中兩層板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象；再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，溫度為300°C，保溫時(shí)間為lOmin。(5)軋制:將退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速率為eOOmms—1，軋制溫度為200 °C，軋下量為50%。(6)重復(fù)步驟(3) (5)，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程，每道次的軋下量為50%，在4道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε 4=3.2。(7)退火處理:將最終累積疊軋后的Mg-Y-Zn合金板材進(jìn)行最終退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度，退火處理的溫度為200°C，保溫時(shí)間為lOmin，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。按照上文所述的方法，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為400MPa 420MPa，延伸率為8% 10%，表明其具有較好的力學(xué)性能。實(shí)施例2(I)Mg-Y-Zn合金的鑄造:首先用酒精對純鎂錠進(jìn)行表面清理，用去離子水沖洗、吹干后放入井式電阻熔煉爐中，通入體積比為40:1的CO2和SF6的保護(hù)氣，加熱至750°C，待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，人工攪拌后靜置IOmin,再降溫至720°C倒入45#鋼永久型·圓柱模具中進(jìn)行澆鑄，鑄錠直徑為90mm，合金成分為 Mg-10.0wt%Y-4.0wt%Zn。(2) Mg-Y-Zn合金板材的制備:將合金鑄錠于330°C保溫4h，升溫至500°C保溫24h，并進(jìn)行70°C水淬，然后對合金進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為450°C，擠壓比為5:1，擠壓速率為 0.2mms、(3)合金板材的表面預(yù)處理:將熱擠壓變形制備的Mg-Y-Zn合金板材加工成尺寸為200mmX IOOmmX 3.0mm,采用丙酮清洗合金板材表面，再將板材依次用NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液清洗，IOmin后取出，并用去離子水沖洗干凈、吹干，最后用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。(4)切割、疊放及退火處理:將板材切割成長度相等的兩部分，重合疊放在一起，四角用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程中兩層板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象；再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，溫度為400°C，保溫時(shí)間為20min。(5)軋制:將退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速率為IOOmms'軋制溫度為500 °C，軋下量為50%。(6)重復(fù)步驟(3) (5)，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程，每道次的軋下量為50%，在4道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε 4=3.2。(7)退火處理:將最終累積疊軋后的Mg-Y-Zn合金板材進(jìn)行最終退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度，退火處理的溫度為200°C，保溫時(shí)間為lOmin，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。按照上文所述的方法，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為420MPa 450MPa，延伸率為7% 8%，表明其具有較好的力學(xué)性能。實(shí)施例3(I) Mg-Y-Zn合金的鑄造:首先用酒精對純鎂錠進(jìn)行表面清理，用去離子水沖洗、吹干后放入井式電阻熔煉爐中，通入體積比為40:1的CO2和SF6的保護(hù)氣，加熱至750°C，待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，人工攪拌后靜置IOmin,再降溫至720°C倒入45#鋼永久型圓柱模具中進(jìn)行澆鑄，鑄錠直徑為90mm，合金成分為 Mg_6.0wt%Y-2.0wt%Zn。(2)Mg-Y-Zn合金板材的制備:將合金鑄錠于330°C保溫4h，升溫至400°C保溫8h，并進(jìn)行70°C水淬，然后對合金進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為350°C，擠壓比為20:1，擠壓速率為
2.0mms 1O(3)合金板材的表面預(yù)處理:將熱擠壓變形制備的Mg-Y-Zn合金板材加工成尺寸為200mmX IOOmmX 3.0mm,采用丙酮清洗合金板材表面，再將板材依次用NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液清洗，3min后取出，并用去離子水沖洗干凈、吹干，最后用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。(4)切割、疊放及退火處理:將板材切割成長度相等的兩部分，重合疊放在一起，四角用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程 中兩層板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象；再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，溫度為300°C，保溫時(shí)間為lOmin。(5)軋制:將退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速率為eOOmmiT1，軋制溫度隨著ARB道次的增加而降低，為(200-10n) °C，n為疊軋道次，O彡η彡10，軋下量為50%。(6)重復(fù)步驟(3) (5)，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程，每道次的軋下量為50%，10道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε 10=8.0。(7)退火處理:將最終累積疊軋后的Mg-Y-Zn合金板材進(jìn)行最終退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度，退火處理的溫度為200°C，保溫時(shí)間為lOmin，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。按照上文所述的方法，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為420MPa 450MPa，延伸率為5% 8%，表明其具有較好的力學(xué)性能。實(shí)施例4(I) Mg-Ymm-Zn合金的鑄造:首先用酒精對純鎂錠進(jìn)行表面清理，用去離子水沖洗、吹干后放入井式電阻熔煉爐中，通入體積比為40:1的CO2和SF6的保護(hù)氣，加熱至7500C，待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Y含量大于80%的富Y混合稀土，人工攪拌后靜置lOmin，再降溫至720°C倒入45#鋼永久型圓柱模具中進(jìn)行澆鑄，鑄錠直徑為 90mm,合金成分為 Mg_6.0wt%Ymm-2.0wt%Zn。(2) Mg-Ymm-Zn合金板材的制備:將合金鑄錠于330°C保溫4h，升溫至400°C保溫8h，并進(jìn)行70°C水淬，然后對合金進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為350°C，擠壓比為20:1，擠壓速率為 2.0mms、(3)合金板材的表面預(yù)處理:將熱擠壓變形制備的Mg-Ymm-Zn合金板材加工成尺寸為200mmX IOOmmX 3.0mm,采用丙酮清洗合金板材表面，再將板材依次用NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液清洗，3min后取出，并用去離子水沖洗干凈、吹干，最后用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。(4)切割、疊放及退火處理:將板材切割成長度相等的兩部分，重合疊放在一起，四角用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程中兩層板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象；再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，溫度為300°C，保溫時(shí)間為lOmin。(5)軋制:將退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速率為eOOmmiT1，軋制溫度為200 °C，軋下量為50%。(6)重復(fù)步驟(3) (5)，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程，每道次的軋下量為50%，在4道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε 4=3.2。(7)退火處理:將最終累積疊軋后的Mg-Ymm-Zn合金板材進(jìn)行最終退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度，退火處理的溫度為200°C，保溫時(shí)間為lOmin，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。按照上文所述的方法，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為400MPa 430MPa，延伸率為8% 10%，表明其具有較好的力學(xué)性能。實(shí)施例5(I)Mg-Y-Zn合金的鑄造:首先用酒精對純鎂錠進(jìn)行表面清理，用去離子水沖洗、吹干后放入井式電阻熔煉爐中，通入體積比為40:1的CO2和SF6的保護(hù)氣，加熱至750°C，待純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，人工攪拌后靜置IOmin,再降溫至720°C倒入45#鋼永久型圓柱模具中進(jìn)行澆鑄，鑄錠直徑為90mm，合金成分為 Mg-8.0wt%Y-3.0wt%Zn。(2) Mg-Y-Zn合金板材的制備:將合金鑄錠于330°C保溫4h，升溫至450°C保溫12h，并進(jìn)行70°C水淬，然后對合金進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為400°C，擠壓比為10:1，擠壓速率為 1.0mms 1O(3)合金板材的表面預(yù)處理:將熱擠壓變形制備的Mg-Y-Zn合金板材加工成尺寸為400mmX IOOmmX 1.0mm,采用丙酮清洗合金板材表面，再將板材依次用NaOH、Na2CO3和Na3PO4溶液清洗，3min后取出，并用去離子水沖洗干凈、吹干，最后用鋼絲刷對板材表面進(jìn)行打磨，獲得具有一定粗糙度的待結(jié)合表面。(4)切割、疊放及退火處理:將板材切割成長度相等的四部分，重合疊放在一起，四角用鉚釘釘住，以防止后續(xù)軋制過程中兩層板材由于局域變形不均而導(dǎo)致軋制過程中的分離現(xiàn)象；再將疊放好的板材放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，溫度為400°C，保溫時(shí)間為lOmin。(5)軋制:將退火處理后的板材進(jìn)行軋制復(fù)合,軋制速率為600mms4,軋制溫度為200 °C，軋下量為50%。(6)重復(fù)步驟(3) (5)，反復(fù)進(jìn)行多道次的累積疊軋過程，每道次的軋下量為50%，在4道次疊軋后，合金的累積應(yīng)變量ε 4=3.2。(7)退火處理:將最終累積疊軋后的Mg-Y-Zn合金板材進(jìn)行最終退火處理，以消除軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng) 力，并促進(jìn)板材內(nèi)部的擴(kuò)散結(jié)合，提高板材的結(jié)合強(qiáng)度，退火處理的溫度為200°C，保溫時(shí)間為30min，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。按照上文所述的方法，對所得超細(xì)晶稀土鎂合金進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示，板材的沿軋向的抗拉強(qiáng)度為420MPa 460MPa，延伸率為7% 8%，表明其具有較好的力學(xué)性能。由以上實(shí)施例可以看出，與傳統(tǒng)的熱加工方法相比，ABR制備工藝可以根據(jù)組織和力學(xué)性能的需要，在保持樣品尺寸不變的情況下實(shí)現(xiàn)較大的變形量，最終實(shí)現(xiàn)本發(fā)明超細(xì)晶稀土鎂合金板材的制備。與快速凝固-粉末冶金法相比，本發(fā)明采用熱變形加工-ARB復(fù)合工藝制備超細(xì)晶稀土鎂合金，所使用的熔煉爐、擠壓機(jī)、熱處理爐、軋機(jī)等均為常規(guī)通用設(shè)備，可移植性強(qiáng)，成本低廉，并且本發(fā)明方法也比較安全。另外，相對于傳統(tǒng)的Mg-Al系變形鎂合金,本發(fā)明制備的合金中存在著熱穩(wěn)定性較高的LPSO相，極大的提高了合金的高溫性能，合金的使用性能能從以往的120°C以下提高至 150°C 250°C。以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn) 和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法，包括以下步驟: a)將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金； b)將所述步驟a)得到的固溶處理后的稀土鎂合金進(jìn)行熱變形加工，得到熱變形的稀土鎂合金板材，所述熱變形加工的溫度為350°C 450°C ； c)將所述步驟b)得到的熱變形的稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊車L，經(jīng)退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟b)中，所述熱變形加工為熱擠壓，所述熱擠壓的擠壓比為5:1 20:1,所述熱擠壓的擠壓速率為0.2mms_1 2.0mms'
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟b)中，所述熱變形的稀土鎂合金板材的厚度為5.0mm 10.0mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟c)中，所述累積疊軋具體包括: 將所述步驟b)得到的熱變形的稀土鎂合金板材依次進(jìn)行表面預(yù)處理、切割、疊放、退火和軋制，并循環(huán)進(jìn)行上述處理；所述軋制的溫度為100°c 500°C，所述軋制的速率為IOOmms 1 GOOmms、
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述軋制的溫度隨累積疊軋變形道次的增加從350°C 500°C降至100°C 250°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的制備方法，其特征在于，所述步驟c)中，所述累積疊軋中退火的溫度為300°C 400°C，保溫時(shí)間為IOmin 30min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟c)中，所述累積疊軋后退火的溫度為200°C 300°C，保溫時(shí)間為IOmin 60min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a)中，所述稀土鎂合金為Mg-Y-Zn合金，其包含:6.0wt% 15.0wt% 的 Y ；2.0wt% 5.0wt% 的 Zn ； 余量為Mg及不可避免的雜質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a)中，所述稀土鎂合金鑄錠按照以下方法制備: 將純鎂錠在通保護(hù)氣的條件下加熱至750°C，在所述純鎂錠熔化后，加入于300°C預(yù)熱30min的純鋅錠和Mg-Y稀土中間合金，再降溫至720°C進(jìn)行澆鑄。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a)具體包括:將稀土鎂合金鑄錠于320°C 340°C進(jìn)行第一次保溫，4h后升溫至40(TC 50(TC進(jìn)行第二次保溫，8h 24h后進(jìn)行70°C 80°C水淬，得到固溶處理后的稀土鎂合金。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法，該方法首先將稀土鎂合金鑄錠進(jìn)行固溶處理，得到固溶處理后的稀土鎂合金；然后將所述得到的固溶處理后的稀土鎂合金進(jìn)行熱變形加工，得到熱變形的稀土鎂合金板材，所述熱變形加工的溫度為350℃～450℃；最后將所述得到的熱變形的稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次軋下量為50%的累積疊軋，經(jīng)退火，得到超細(xì)晶稀土鎂合金。本發(fā)明首次采用熱變形加工-累積疊軋復(fù)合工藝成功制備出了超細(xì)晶稀土鎂合金，有效解決了由于合金中粗大的LPSO相分布不均而導(dǎo)致的力學(xué)性能惡化的問題，并且，本發(fā)明工藝流程簡單，設(shè)備成本低，有利于未來大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C22C23/06GK103243283SQ20131020173
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月27日
發(fā)明者張洪杰, 佟立波, 張慶鑫, 邱鑫, 田政, 程麗任, 孟健 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所