一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，包括固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后的深冷處理和在深冷處理過程中的超聲場沖擊處理。深冷處理過程包括從室溫開始，冷卻速度1～10oC/min，將鎂合金材料冷卻到－196oC的超低溫下保溫12～30h。超聲場沖擊處理優(yōu)選在深冷處理的后期進行，超聲場的強度為1～50Kw/m2，聲場頻率為10～40KHz，超聲場的處理時間為60～200S。將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金置于溫度為170oC的烘箱中，保溫時間為2～6h，隨后將烘箱中的鎂合金置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。本發(fā)明可使鎂合金材料組織致密，同時具有高強硬性和高強韌性。
【專利說明】一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金材料的強化處理方法，特別是涉及一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂合金材料作為最輕的金屬合金材料之一，同時具有較高的比強度和比剛度，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，阻尼減振，電磁屏蔽，易于加工成形，所以制備高強韌的鎂合金材料，是材料應(yīng)用與發(fā)展的趨勢。
[0003]從現(xiàn)有技術(shù)看，通常采用在熔煉過程中加入細化劑對晶粒進行細晶強化或通過原位反應(yīng)生成增強顆粒等方法，達到改善鎂合金材料的力學(xué)性能?，F(xiàn)有改善鎂合金材料強韌性的中國專利主要有二個:一是專利號為201110400274.6，名稱為一種超聲場與細化劑復(fù)合細化AZ31鎂合金晶粒的方法的發(fā)明專利，其通過AZ31鎂合金在熔煉過程中，采用超聲波將SiC陶瓷微粒引入到鎂合金中，利用細化晶粒技術(shù)，改善鑄造缺陷，提高合金的強度和韌性；二是專利號為201210580241.9，名稱為一種原位自生Al3BC增強鎂基復(fù)合材料及其制備方法的發(fā)明專利，該方法通過將Al — A3BC預(yù)制合金溶解，靜置保溫，攪拌或超聲波處理后將合金液壓鑄或擠壓鑄造成形，即可得到顆粒增強鎂基復(fù)合材料。以上兩種增強鎂合金材料強度和韌性的方法，都是通過在熔煉過程中利用細晶強化或者原位反應(yīng)生成增強顆粒來強化鎂合金材料的強韌性能，但是，采用上述方法來提高鎂合金強韌性的能力非常有限，很難制備出高強韌性的鎂合金材料來滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，因此，迫切需要尋求一種新方法，來大幅提高鎂合金材料的強韌性，以滿足日益發(fā)展的工業(yè)需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，通過該方法處理的鎂合金材料與現(xiàn)有技術(shù)相比，強韌性能得到大幅提高，從而能更好地滿足
工業(yè)需要。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用這樣一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鎂合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后，對鎂合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理。
[0006]在本發(fā)明中，所述深冷處理的過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將鎂合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0007]在本發(fā)明中，所述對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理優(yōu)選在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
[0008]在本發(fā)明中，所述深冷處理的后期是深冷處理離設(shè)定結(jié)束時間t < 0.5h。
[0009]在本發(fā)明中，可將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金材料置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鎂合金材料置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
[0010]本發(fā)明的方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的鎂合金材料放入35~45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0011]在本發(fā)明中，所述固溶處理的過程包括將鎂合金材料在400~470°C的溫度下保溫3~7h。
[0012]在本發(fā)明中，所述時效處理的過程包括將鎂合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0013]在本發(fā)明中，所述的鎂合金材料優(yōu)選為顆粒增強鎂合金材料。
[0014]采用上述處理方法后，本發(fā)明具有以下有益效果:
從組織特征上看，當(dāng)鎂合金材料進行深冷處理時，因超低溫作用，鎂合金材料會發(fā)生收縮從而產(chǎn)生微塑性變形，塑性變形導(dǎo)致鎂合金材料內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯，這樣在深冷處理時產(chǎn)生位錯的基礎(chǔ)上，通過施加一定強度的超聲場沖擊效應(yīng)，利用超聲場的空化效應(yīng)和聲流沖擊效應(yīng)，可促使鎂合金材料中高密度位錯進行快速運動，位錯的快速運動可在鎂合金材料內(nèi)部誘發(fā)產(chǎn)生納米孿晶，納米孿晶的產(chǎn)生使鎂合金材料具有納米尺度共格晶面的組織特征，從而使鎂合金材料同時具備高強度和高韌性的力學(xué)性能。
[0015]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S，并且在深冷處理的后期對鎂合金材料進行超聲場沖擊處理，所述的深冷處理后期優(yōu)選為深冷處理離設(shè)定結(jié)束時間t < 0.5h的時間范圍內(nèi)，即在深冷處理結(jié)束前的半小時內(nèi)。采用這種技術(shù)方案后，由于超聲場產(chǎn)生的高速瞬間沖擊能量使鎂合金材料表面的溫度急劇升高又急劇冷卻，這種高頻能量從鎂合金材料表面導(dǎo)入材料內(nèi)部，因而引起材料組織不均勻的塑性變形和彈性應(yīng)變，并促使鎂合金材料中高密度位錯的快速運動，使鎂合金材料中產(chǎn)生大量的納米孿晶，從而使鎂合金材料的強韌性得到了大幅度提高。而且，當(dāng)在深冷處理的后期對鎂合金材料進行超聲場沖擊處理時，由于在深冷處理的后期，鎂合金材料內(nèi)部產(chǎn)生的位錯更多，因此在鎂合金材料內(nèi)部能誘發(fā)產(chǎn)生更多的納米孿晶，從而使鎂合金材料具備更高的強韌性。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，本發(fā)明將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金材料置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鎂合金材料置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。采用這種技術(shù)方案后，利用高低溫處理方法，可使鎂合金材料的力學(xué)性能更佳。
[0017]本發(fā)明的鎂合金材料優(yōu)選為顆粒增強鎂合金材料，由于顆粒增強鎂合金在熔煉制備時，具有彌散強化、位錯強化的效果，因而具有高強度特征，這樣在其原有的強化基礎(chǔ)上，通過本發(fā)明的深冷處理和在深冷處理過程中的超聲場沖擊處理后，更進一步發(fā)揮了位錯強化、納米孿晶強化的效果，使該鎂合金材料的強韌性得到大幅度提高。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鎂合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后，對鎂合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理。[0020]本發(fā)明的深冷處理過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將鎂合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0021]本發(fā)明對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理優(yōu)選在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
[0022]在本發(fā)明中，所述深冷處理的后期是指深冷處理離設(shè)定結(jié)束時間t ^ 0.5h，即在深冷處理結(jié)束前的半小時內(nèi)。
[0023]本發(fā)明優(yōu)選將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金材料置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鎂合金材料置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
[0024]本發(fā)明的方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的鎂合金材料放入35~45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0025]在本發(fā)明中，所述固溶處理的過程包括將鎂合金材料在400~470°C的溫度下保溫3~7h。
[0026]在本發(fā)明中，所述時效處理的過程包括將鎂合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0027]在本發(fā)明中，所述的鎂合金材料優(yōu)選為顆粒增強鎂合金材料。所述顆粒增強鎂合金可通過常規(guī)的外加法或原位反應(yīng)合成法即內(nèi)生法，在熔煉制備時，將增強相優(yōu)選為增強顆粒引入到鎂合金材料中制備而成。這種顆粒增強鎂合金材料的優(yōu)點在于，其在制備時，保留了其彌散強化、位錯強化的效果，從而使鎂鎂合金材料具有高強度特征。這樣在其原有的強化基礎(chǔ)上，通過本發(fā)明上述的深冷處理和在深冷處理過程中的超聲場沖擊處理后，更進一步發(fā)揮了位錯強化、納米孿晶強化的效果，從而使該鎂合金材料的強韌性得到了大幅度提聞。
[0028]在本發(fā)明中，實施深 冷處理的裝置可采用市售的具有隔熱保溫、不屏蔽超聲場的深冷柜或箱，采用的冷源是液氮。實施超聲場沖擊處理的裝置可采用市售的超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器能產(chǎn)生頻率大于IOkHz的振蕩電信號，通過換能器轉(zhuǎn)換為同頻率的縱波機械振動能量，再通過變幅桿將換能器微小振幅(一般為4 μ m)變換到20~80 μ m,然后借助各種形式的工具頭將振動能量傳遞到鎂合金材料上。
[0029]在本發(fā)明中，所述深冷處理和深冷處理后期的超聲場沖擊處理，以及深冷處理后的烘箱保溫處理，可重復(fù)循環(huán)操作2~3次。
[0030]實施例1:
采用ZK61鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，該鎂合金各成分的重量百分含量為Al ( 0.05%, Zn:5.0 ~6.0%, Mn ( 0.1%，Zr:0.3 ~0.9%, Si ( 0.05%, Fe ( 0.05%,Cu ( 0.05%, Ni ( 0.005%，其它:0.31%，余量為 Mg。
[0031]固溶處理；將所述鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在400°C的溫度下保溫3h。
[0032]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入35°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0033]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在100°C的溫度下保溫12h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0034]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度l°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12h，在對鎂合金棒材保溫了 11.5~12h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度lKw/m2,聲場頻率10KHZ，超聲處理時間60S。
[0035]將經(jīng)過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
[0036]對經(jīng)過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為338Mpa，屈服強度(δ。2)為221Mpa，伸長率(Φ )為23%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0037]實施例2:
采用AZ61鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，該鎂合金各成分的重量百分含量為Al: 5.5 ~6.5%, Zn: 0.5 ~1.5%, Mn: 0.15 ~0.4%, Si ( 0.10%, Fe ( 0.005%, Cu ( 0.05%,Ni ≤0.005%，其它≤ 0.35%，余量:Mg。
[0038]固溶處理；將所述鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在470°C的溫度下保溫7h。
[0039]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入40°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0040]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在150°C的溫度下保溫30h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0041]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度10°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫30h，在對鎂合金棒材保溫了 29.5~30h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度50Kw/m2,聲場頻率40KHZ，超聲處理時間200S。
[0042]將經(jīng)過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為6h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
[0043]對經(jīng)過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為298Mpa，屈服強度(δ 0 2)為206Mpa，伸長率(Φ )為20.5%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0044]實施例3:
首先制備SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材，然后以SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，所述AZ31鎂合金各成分的重量百分含量為Al:3.0~4.0%，Mn:0.15~
0.5%, Zn:0.2 ~0.8%, Cu:0.05%, Ni:0.005%, Si:0.15%，其它:0.37%，余量為 Mg。
[0045]將AZ31鎂合金鑄錠裝入720°C坩堝中，此間輸入N2作為保護氣體進行保護，待全部融化后，脫氣、扒渣；將SiC粉末研磨成納米顆粒(粒度小于IOOnm)按顆粒增強相理論重量的30%稱量后，充分烘干，然后將烘干的SiC納米顆粒放入坩堝中，并行電磁攪拌和人工攪拌，攪拌時間為5min。攪拌后的熔體靜置2~3min，待溫度再次升到720°C時，澆鑄成直徑IOOmm鑄錠；將所述IOOmm鑄錠進行熱擠壓，擠壓溫度220°C，擠壓比30:1，得到直徑28mm的SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材。
[0046]固溶處理；將所述SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在420°C的溫度下保溫5h。
[0047]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。[0048]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在130°C的溫度下保溫20h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0049]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度6°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫20h，在對鎂合金棒材保溫了 19.5~20h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度30Kw/m2,聲場頻率30KHZ，超聲處理時間120S。
[0050]將經(jīng)過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為4h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
[0051]對經(jīng)過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為320Mpa，屈服強度(δ。2)為200Mpa，伸長率(Φ )為17%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0052]綜上，采用本發(fā)明的方法后，可使鎂合金材料組織致密，具有高強硬性和高強韌性，本發(fā)明將傳統(tǒng)熱處理進行了一種新的突破。
【權(quán)利要求】
1.一種提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鎂合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，其特征在于:該方法還包括在時效處理后，對鎂合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述深冷處理的過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將鎂合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述對鎂合金材料進行的超聲場沖擊處理在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述深冷處理的后期是深冷處理離設(shè)定結(jié)束時間t ( 0.5h。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金材料置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鎂合金材料置于空氣中，自然恢復(fù)到室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:該方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的鎂合金材料放入35~45°C 的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述固溶處理的過程包括將鎂合金材料在400~470°C的溫度下保溫3~7h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述時效處理的過程包括將鎂合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述的鎂合金材料為顆粒增強鎂合金材料。
【文檔編號】C22F3/02GK103469132SQ201310453776
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王占洪, 張勛寅, 朱曉宏 申請人:常州市潤源經(jīng)編機械有限公司