專利名稱：一種適用于具有時效硬化特性鎂合金的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬熱處理領(lǐng)域，特別涉及一種鎂合金熱處理方法。
背景技術(shù)：
固溶強化，細晶強化和時效析出強化是鎂合金三種主要的強化方式。而在這三種主要的強化方式中，時效析出強化作用尤其顯著。鎂合金最終的力學(xué)性能與合金的熱處理工藝密切相關(guān)。近年來，針對不同類鎂合金，不同類型的熱處理工藝相繼開發(fā)。如分級固溶、雙重時效、震動熱處理和應(yīng)變熱處理等相繼出現(xiàn)。概括起來，上述所有熱處理工藝的目的就是增加時效析出強化相的體積分數(shù)，優(yōu)化析出相的形貌。合金的固溶處理的目的就是將合金化元素在凝固過程中生成的金屬化合物等盡可能分散到合金基體中，形成過飽和的固溶體。而時效的目的就是將已經(jīng)溶解到合金中的過飽和溶質(zhì)再逐步析出。合金的熱處理的最佳方式為固溶過程盡可能增加合金元素的過飽和度，時效過程盡可能增加析出相分數(shù)。
在鎂合金中，合金化元素的擴散和合金相的分解-生成過程屬于典型的固態(tài)相變，因此固溶和時效處理時需要保持較長的時間。尤其近年來較廣泛深入研究的高性能鎂合金一般采用固溶加時效(T6處理)的方式處理，可以得到較高的力學(xué)性能。但是，這種傳統(tǒng)T6熱處理方法有如下不足1、由于合金化元素的原子半徑太大，擴散速度慢，因此，時效的時候一般將溫度設(shè)置在180°C以上，而低于180°C時由于時間過長，很難觀察到時效強化現(xiàn)象；2、由于時效的溫度較高，溶質(zhì)的過飽和程度降低，因此，析出強化相的體積分數(shù)降低，強化效果減弱；3、由于鎂是六方結(jié)構(gòu)，因此，時效過程中多數(shù)共格或半共格析出相是針狀相或者片狀的，很難得到球形的強化相，使得合金的塑性明顯降低；4、傳統(tǒng)時效的過程溫度過高，時間過長，費時、耗能。針對上述不足，發(fā)明了適用于鎂稀土合金的分段振蕩熱處理工藝(ZL200610131692. 9)，效果強化效果明顯，析出相明顯分散，力學(xué)性能顯著提高，但是時效過程分為多段進行，過于繁瑣，很難控制，而且析出相的形貌和傳統(tǒng)的析出相相同，具有擇優(yōu)生長取向，合金延塑性降低。隨后發(fā)展了應(yīng)變熱處理工藝(ZL201110419657. 8)，這種工藝的特點就是在外加應(yīng)變場的作用下，可以極大消除析出相的相增長各向異性，生成均勻的球形強化相，在提高合金強度的同時，減少析出粒子的尖端應(yīng)力效應(yīng)，使得合金具有較高的塑性。但是，這種熱處理方法固溶溫度一定，固溶的合金化元素一定，而且時效的溫度基本不變，可以析出的強化相的體積分數(shù)恒定，因此強化效果有限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單、條件可控、節(jié)約能源的適合于具有時效硬化特性的鎂合金熱處理方法。本發(fā)明中具有時效硬化特性的鎂合金是Mg-xM-0. 6Zr-0. 2Mn基合金，M包括Sn，Pb, Zn和稀土；其中稀土主要包括Sm，Nd，Er和Lu兩種或者多種組合，x為5_20 wt %，多種稀土元素組成時，各個稀土元素的含量相同。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
在等壓外場下O. 5-lGPa，0. 7-0. 85Tm (Tm :合金熔點)高溫固溶，固溶時間為2-4小時，處理后卸除壓力，直接用60-80°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力30-50MPa和脈沖電場下1_10kV/cm，室溫時效，時效時間為1-5萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度，獲得最高力學(xué)性能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
I、操作工藝簡單，處理條件容易控制，節(jié)約能源，時效時間短，時效溫度低，能耗少。2、通過高壓下增加合金化元素在鎂中的固溶度的方法，進一步提高合金化元素在鎂基體中的過飽和度。
3、在外加應(yīng)力場下，生成球狀析出相，時效過程在室溫下進行，可以大大降低合金化元素在常壓室溫下的固溶度，從而提高強化相的體積析出分數(shù)。4、通過外加脈沖電場提高析出動能，和普通的升高溫度相比，不僅可以防止合金氧化，同時還可以實現(xiàn)析出相的取向控制。5、和傳統(tǒng)的T6處理相比，經(jīng)過本發(fā)明處理的合金的硬度、抗拉強度和延伸率都明顯提高，硬度提高25%以上，屈服強度和斷裂強度提高20%以上，延伸率提高約80%以上。
圖I是Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn合金用傳統(tǒng)固溶加時效T6處理與實施例I中處理后的硬化曲線圖。圖2是Mg-lOSn-O. 6Zr_0. 2Mn合金用傳統(tǒng)固溶加時效T6處理與實施例2中處理后的合金電鏡圖。圖3是Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0· 6Zr-0. 2Mn合金用傳統(tǒng)固溶加時效T6處理與實施例3中處理后的X射線圖。圖4是Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn合金用傳統(tǒng)固溶加時效T6處理與實施例4中處理后在室溫的拉伸曲線圖。
具體實施例方式 實施例I
取Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn (wt. %，質(zhì)量百分數(shù))合金，在等壓外場O. 5GPa下，O. 85Tm(520 °C)固溶，固溶時間為2小時，處理后卸除壓力，直接用60°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力30MPa和脈沖電場lkV/cm下，室溫時效，時效時間為5萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度，獲得最高力學(xué)性能，最高的維氏硬度達到125 HV (載荷50 g，承載時間15s)。用傳統(tǒng)的T6 (固溶加時效)對上述合金進行處理，固溶溫度為520°C，固溶時間為8小時，時效溫度為200 °C，時效時間為24小時，處理后的最大硬度為95 HV (載荷50 g，承載時間15s)。如圖I所示，本實施例低溫脈沖處理過的Mg-5Zn-0. 6Zr_0. 2Mn合金比用傳統(tǒng)的T6理過的Mg-5Zn-0. 6Zr-0. 2Mn合金的硬度提高32%。實施例2取Mg-lOSn-O. 6Zr-0. 2Mn (wt. %，質(zhì)量百分數(shù))合金，在等壓外場IGPa下，O. 7Tm (310°C)固溶，固溶時間為4小時，處理后卸除壓力，直接用80°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力50MPa和脈沖電場10 kV/cm下，室溫時效，時效時間為I萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度，獲得最高力學(xué)性能，最高的維氏硬度為93HV (載荷50g，承載時間15s)。用傳統(tǒng)的T6 (固溶加時效)對上述合金進行處理，固溶溫度為310°C，固溶時間為8小時，時效溫度為180 °C，時效時間為48小時，最大硬度為82 HV (載荷50 g，承載時間15s)。如圖2所示，T6固溶處理后的Mg-lOSn-O. 6Zr-0.2Mn合金中還有大量的方形的粒子，由于粒子的熔點高，普通的固溶處理很難消除，相反，本實施例低溫脈沖處理后的Mg-lOSn-O. 6Zr-0. 2Mn合金，第二相分數(shù)明顯下降，合金化元素在鎂基體中的固溶度增加，不穩(wěn)定相完全分散，進一步提高合金的過飽和度。實施例3取 Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0. 6Zr-0. 2Mn(wt. %，質(zhì)量百分數(shù))合金，在等壓外場 O. 75GPa 下，
O.8Tm (525 °C)固溶，固溶時間為3小時，處理后卸除壓力，直接用70°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力40MPa和脈沖電場8 kV/cm下，室溫時效，時效時間為3萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度，獲得最高力學(xué)性能，最高的維氏硬度為118HV (載荷50 g，承載時間 15s)。用傳統(tǒng)的T6 (固溶加時效)對上述合金進行處理，固溶溫度為525°C，固溶時間為24小時，時效溫度為210 °C，時效時間為36小時，最大硬度為96 HV (載荷50 g，承載時間 15s)。如圖3所示，和傳統(tǒng)的T6處理方式相比較，本實施例低溫脈沖處理后Mg-16Pb-2Sm-2Nd-0. 6Zr_0. 2Mn合金的析出相組成完全一樣，沒有新相生成，硬度的提高完全是由于析出相的體積分數(shù)增加而提高的。實施例4
取Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn (wt. %，質(zhì)量百分數(shù))合金，在等壓外場O. 8 GPa下，
O.82Tm (530 °C )固溶，固溶時間為2. 5小時，處理后卸除壓力，直接用80°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力30 MPa和脈沖電場5 kV/cm下，室溫時效，時效時間為2萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度，獲得最高力學(xué)性能，最高的維氏硬度為175 HV (載荷50 g，承載時間15s)。用傳統(tǒng)的T6 (固溶加時效)對上述合金進行處理，固溶溫度為530°C，固溶時間為10小時，時效溫度為225 °C，時效時間為48小時，最大硬度為129 HV (載荷50 g，承載時間 15s)。如圖4所示，和傳統(tǒng)的T6處理相比，本實施例低溫脈沖處理后的Mg-5Sm-5Er-5Lu-0. 6Zr_0. 2Mn合金的抗拉強度和延伸率都明顯提高，屈服強度和斷裂強度提高約22%，延伸率提高約80%以上。
權(quán)利要求
1. 一種適用于具有時效硬化特性鎂合金的熱處理方法，所述具有時效強化特性的鎂合金，是指Mg-xM-O. 6Zr-0. 2Mn基合金，M包括Sn，Pb, Zn和稀土；其中稀土主要包括Sm，Nd，Er和Lu兩種或者多種組合，X為5-20 wt %，多種稀土元素組成時，各個稀土元素的含量相同，其特征在于將上述鎂合金在等壓外場O. 5-lGPa下，O. 7-0. 85Tm高溫固溶，固溶時間為2-4小時，處理后卸除壓力，直接用60-80°C熱水冷卻，然后在外應(yīng)力30-50MPa和脈沖電場1-10 kV/cm下，室溫時效，時效時間為1-5萬個脈沖時，脈沖間隔為I秒，即可達到峰值硬度。
全文摘要
一種適用于具有時效硬化特性鎂合金的熱處理方法，所述具有時效強化特性的鎂合金，是指Mg-xM-0.6Zr-0.2Mn基合金，M包括Sn,Pb,Zn和稀土,x為5-20wt%，多種稀土元素組成時，各個稀土元素的含量相同。將上述鎂合金在等壓外場0.5-1GPa下，0.7-0.85Tm(Tm合金熔點)高溫固溶，固溶時間為2-4小時，處理后卸除壓力，直接用60-80℃熱水冷卻，然后在外應(yīng)力30-50MPa和脈沖電場1-10kV/cm下，室溫時效，時效時間為1-5萬個脈沖時，脈沖間隔為1秒，即可達到峰值硬度。本發(fā)明具有操作工藝簡單，時效時間短，時效溫度低，能耗少等優(yōu)點。
文檔編號C22F1/06GK102877014SQ20121033804
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者彭秋明, 田永君 申請人:燕山大學(xué)