[发明专利]一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法

说明书

技术领域

本发明涉及镁合金塑性加工技术领域，具体涉及一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法。

背景技术

与其它金属、塑料和木料等结构材料相比，镁合金具有比强度、比刚度高，减振性好、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，被称为21世纪的绿色工程材料；尤其是在室温下具有超高强度，并具有优异高温耐热性能的高稀土含量的镁合金系合金，近年来越来越广泛地受到关注；其在室温下的抗拉强度可接近600MPa，250℃下的抗拉强度仍可高于300MPa，力学性能甚至优于一些传统的铝合金，完全可以作为承载部件，在航空航天、交通运输等领域存在部分取代铝合金零部件的巨大应用潜力。

但是由于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远少于铝、铜等面心立方金属，因此，塑性、加工性能和成形性能都很差；稀土元素的大量加入虽然使镁合金的强度和耐热性能得到了显著提高，但是其无论是以固溶原子还是析出相的形式存在，都会严重阻碍位错运动，并强烈抑制热机械加工过程中的动态再结晶行为，所以，这种高强耐热的高稀土含量Mg-RE系合金的塑性就更差，若直接采用常规的轧制、锻造等工艺对铸锭或铸坯进行加工，在加工初期往往极易造成锭坯开裂，导致产品成材率极低，即使勉强加工成形，由于无法采用大变形量的加工，生产效率十分低下，且产品性能的均一性和稳定性都不理想。挤压虽然可以保证一定的成材率，但是想获得可应用级尺寸的产品，较大的变形抗力则需要大吨位的挤压机，对生产条件提出了苛刻要求，且几乎无法获得大尺寸的三维块体材料，而且为了保证成形，挤压速率通常无法高于0.1mm/s，生产效率极低。因此，如何能够使Mg-RE系合金热机械加工性能迅速、大幅提高，是稳定、高效的生产出高强耐热镁合金产品，并促使其获得广泛应用的关键所在。

锤锻是一种以高压气体作为介质推动锤头作高速相对运动而产生悬空打击的传统加工工艺，广泛应用于铝合金和钢铁材料的锻造成形，操作灵活、效率高、设备结构简单、制造容易、安装方便、价格便宜。但是，由于镁合金的塑性较差，通常认为不适合进行高应变速率的加工，因此，锤锻加工尚未应用于镁合金的加工。

湖南大学的吴远志等人利用锻锤对ZK21[Y.Z.Wu et al,Microstructure and mechanical properties of ZK21magnesium alloy fabricated by multiple forging at different strain rates.Mater.Sci.Eng.A,2012.56:p.164-169]、ZK60[Y.Z.Wu et al,Microstructure and mechanical properties of ZK60magnesium alloy fabricated by high strain rate multiple forging.Mater.Sci.Tech.,2013.29:p.54-59]和AZ31[吴远志等人，AZ31镁合金高应变速率多向锻造组织演变及力学性能.中国有色金属学报，2012.22:p.3000-3005]等不含稀土的镁合金进行了高应变速率的多向锻造加工，采用每次22％的大应变量打击变形，利用孪晶诱发动态再结晶(TDRX)和大量位错累积造成的转动动态再结晶(RDRX)，最终获得了细小的完全再结晶组织，使室温力学性能得到了显著提升。然而，这种在高应变速率下的大变形量的加工在高稀土含量的镁合金中却很难实现，尤其是在铸锭加工的初期，根本无法完成，必然会由于塑性不足导致开裂，并最终形成废品。

中南大学也报道过一种高速冲锻制备细晶镁合金的方法(专利公开号CN102517527A)，采用的也是锤锻加工方法，其锻造的应变速率为0.1～100s^-1，每次的打击变形量更大，要求达到60～90％。将冲锻件剪裁、叠加、重新加热后继续冲锻直至获得细晶组织。由于采用高速、大变形量，因而冲锻所需的能量很大，要求设备可施加的载荷大、对设备的稳定性要求高；而且，每次冲锻后将材料水淬，然后回炉重新加热，到温并保温一定时间后再次对其进行冲锻，生产能耗高，生产效率低；只有一个方向的应变，也无法作为生产大尺寸锻件的开坯工艺。