一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝的制作方法與工藝

本發明涉及鎂合金鑄件的制備方法，特指系一種Mg-Y-Nd鎂合金鑄件的熱處理工藝；屬于鎂合金及熱處理工藝技術領域。

背景技術：
Mg-Y-Nd系列鎂合金作為使用最廣的稀土鎂合金，以其優秀的高溫力學性能在航空、航天等領域得到廣泛的應用。該合金采用低壓鑄造的方法可以制備出各種大尺寸，形狀復雜的各種航空構件。合金中由于Y和Nd元素的加入，可形成Mg41Nd5、Mg24Y5以及Mg14Nd2Y等化合物，從而起到強化的作用。但是這些起強化作用的化合物需要在時效過程中形成，而在鑄造過程中形成的粗大化合物并不能起強化作用，因此在該合金進行熱處理時首先需要將鑄造過程形成的粗大化合物溶入基體，然后通過時效的方式使其以細小彌散的形式析出。基于Mg-Y-Nd系列鎂合金的強化機理，目前廣泛采用固溶+時效的T6熱處理工藝對合金進行熱處理，即在高溫下加熱使合金元素溶入基體，然后在較低溫度下進行時效使其析出。目前的研究結果主要針對固溶溫度、固溶時間、以及時效溫度和時效時間來展開，通過尋求一種最優的溫度和時間組合使合金熱處理后具有較好的力學性能。雖然Mg-Y-Nd系列鎂合金的合金化程度已經比較高，但現有技術采用固溶+時效的T6熱處理工藝對合金進行熱處理后，根據文獻(張娜，Mg-Y-Nd合金的組織與性能研究，吉林大學碩士學位論文，2007)的記載，合金抗拉強度指標僅僅達到275MPa，因而，限制了Mg-Y-Nd系列鎂合金在很多領域或工況下的應用，本領域長期以來一直希望能有效提高Mg-Y-Nd系列鎂合金的力學性能，但至今為止，并沒有取得實質性的改善，因此，有必要對Mg-Y-Nd鎂合金熱處理工藝進行優化，以滿足不同領域對合金力學性能的要求。

技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種工藝簡單，技術合理，能夠大幅度提高大尺寸稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理方法。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，包括下述步驟：第一步：分級固溶將鑄件加熱依次進行一級固溶、二級固溶；一級固溶保溫溫度450～480℃，保溫時間15～20小時；優選的保溫時間為15-16小時；一級固溶保溫結束后，繼續升溫進行二級固溶；二級固溶保溫溫度540～550℃，保溫時間2～3小時，優選的保溫時間為2.5-3小時；然后，出爐后強風冷卻，冷卻速度200～250℃/h。第二步：分級人工時效將第一步固溶處理后的工件依次進行三級人工時效：一級人工時效工藝為：時效溫度300～320℃，保溫時間3～5小時，優選的保溫時間為4-5小時，冷卻方式：出爐空冷；二級人工時效工藝為：時效溫度200～250℃，保溫時間15～20小時，優選的保溫時間為15-18小時，冷卻方式：出爐空冷；三級人工時效工藝為：時效溫度150～180℃，保溫時間20～30小時，優選的保溫時間為22-30小時，冷卻方式：出爐空冷。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，一級固溶加熱升溫速度為200～220℃/h；二級固溶加熱升溫速度為50～100℃/h。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，三級人工時效工藝過程中，每一級人工時效加熱升溫速度均為150～200℃/h。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，將鑄件依次進行一級固溶、二級固溶、一級人工時效、二級人工時效、三級人工時效，各步驟的順序不可調換。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，經過處理后的工件強度較常規工藝處理后提高10％以上，其抗拉強度大于等于300MPa，屈服強度大于等于200MPa，伸長率大于等于5％。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，所處理的稀土鎂合金鑄件原材料為Mg-Y-Nd鎂合金。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，所述Mg-Y-Nd鎂合金包括下述組分，按質量百分比組成：Y3.5～4.0％；Nd2.3～2.6％；Zr0.4～0.5％；Gd0.3～0.4％；其它元素總量小于0.5％；余量為Mg。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，所處理的稀土鎂合金鑄件采用低壓鑄造的方法制備，鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于0.5m2，重量大于40Kg。本發明一種提高稀土鎂合金鑄件力學性能的熱處理工藝，對稀土鎂合金鑄件表面進行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用混合酸溶液清洗，清洗后，進行熱處理。發明人結合Mg-Y和Mg-Nd相圖，經過長期研究發現：Y元素和Nd元素在Mg中的極限固溶度具有很大的差別，并且在室溫時的固溶度也有很大差別。在固溶處理時，Nd元素需要較高的溫度才能實現完全固溶，而Y元素的固溶溫度則低很多，如果選用單一的固溶溫度，則需要對應較高的溫度和較長的時間才能實現完全固溶，而且這種情況也容易使晶粒發生長大，不利于合金的力學性能。也就是說低溫固溶時Nd元素不能實現充分固溶，而高溫固溶時，雖然Nd和Y元素均發生了固溶，但晶粒也發生了長大。在時效處理時，含Nd的強化相需要在較高的溫度下析出，而在較高溫度下時，Y在Mg中的固溶度仍然較大，也就是說此時含Y的化合物還不能夠完全析出，Mg基體中較多的Y元素固溶，必然減少了析出相的數量。基于以上研究結果，發明對稀土鎂合金鑄件設計了采用階段固溶和階段時效的熱處理方法，將固溶和時效視為一個整體，在含Nd強化相時效析出的過程中，Y元素處于固溶狀態，含Y化合物時效析出的過程中又保證含Nd化合物不長大，最終合金中含有更多的析出強化相，使合金的力學性能得到提高。本發明中，分級固溶以及分級人工時效的機理和技術效果簡述于下：一級固溶：可使鑄態合金中的含Y的偏析相溶入Mg基體中，實現Y元素的均勻固溶，此時較低的溫度既可以實現Y元素的固溶，同時避免了晶粒的長大。二級固溶：實現合金中Nd元素的固溶，冷卻后形成含有Y和Nd元素的過飽和固溶體，較短的保溫時間也可避免晶粒的長大。一級人工時效：保溫過程實現了含Nd強化相的預析出，同時使得第四步冷卻過程中析出的含Y強化相重新固溶的Mg基體中。二級人工時效：保溫過程使得含Nd強化相充分析出，以及含Y強化相的預析出。三級人工時效：保溫過程保證了含Y強化相的充分析出，同時控制含Nd強化相不長大。本發明由于采用上述工藝方法對低壓鑄造的稀土鎂合金進行熱處理，可彌補現有熱處理工藝的不足，大幅提高合金的力學性能。根據Y元素和Nd元素在Mg中的極限固溶度具有很大的差別，并且在室溫時的固溶度也有很大差別，在固溶處理時Nd元素需要較高的溫度才能實現完全固溶，而Y元素的固溶溫度則低很多，而高溫固溶時，雖然Nd和Y元素均發生了固溶，但晶粒也發生了長大。在時效處理時，含Nd的強化相需要在較高的溫度下析出，而在較高溫度下時，Y在Mg中的固溶度仍然較大。合理設計固溶和時效的組合工藝，使第一步加熱時Y元素充分固溶，第二步加熱時，Nd元素充分固溶，但又保證晶粒不長大，時效時使含Nd的強化相先析出，降低溫度再使含Y的強化相析出，既保證了強化相數量最多，又保證先析出的強化相不長大。本發明的優點是利用簡單的熱處理方法既保證了時效析出強化相數量較多，細小，也避免了固溶過程中的晶粒長大。熱處理工藝簡單，無需對現有熱處理設備進行任何改造，得到的合金力學性能較常規處理更高。綜上所述，本發明為提高大尺寸稀土鎂合金鑄件提供了一條簡單高效的有效途徑。附圖說明：附圖1為本發明熱處理工藝路線示意圖。附圖2為對比例熱處理工藝處理后合金的金相顯微組織。附圖3為本發明實施例2熱處理工藝處理后合金的金相顯微組織。附圖4為本發明實施例2熱處理工藝處理后合金的TEM顯微組織。從圖2和圖3可以看出，采用本發明的熱處理工藝雖然固溶溫度較常規工藝提高，但是由于固溶時間較短，避免了熱處理后合金的晶粒長大，最終晶粒大小和常規工藝處理相當。從圖4可以看出，經過本發明多級的時效熱處理工藝，合金中析出的強化相數量多，尺寸細小，分布均勻，保證合金具有較高的力學性能。具體實施方式：本發明對比例以及實施例處理后的合金性能指標見表1。對比例本對比例將成分(wt.％)為：Y3.7％；Nd2.8％；Zr0.5％；Gd0.4％，其它元素總量≤0.5％；余量為Mg的Mg-Y-Nd的大尺寸Mg-Y-Nd合金鑄件。該鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于0.5m2。鑄造得到的大尺寸鑄件表面進行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用酸鹽清洗。將清洗后的鑄件置于電爐中隨爐升溫至525℃保溫10小時，后強風冷卻至室溫，然后將冷卻后的零件隨爐升溫至225℃保溫20小時后取出空冷，所得零件的抗拉強度為288MPa，屈服強度為198MPa，伸長率為4.5％。實施例1第一步：采用低壓鑄造的方法制備一種各元素質量百分比為：Y3.8％；Nd2.5％；Zr0.45％；Gd0.3％；其它元素總量小于0.5％；余量為Mg的Mg-Y-Nd的大尺寸Mg-Y-Nd合金鑄件。該鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于0.5m2。鑄造得到的大尺寸鑄件表面進行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用酸鹽清洗。將清洗后的鑄件置于電阻中以200℃/h的加熱速度隨爐加熱至450℃并保溫15～16小時，然后以50℃/h的加熱速度隨爐升溫至545±5℃保溫2～3小時后出爐，風冷，將風冷后的零件置于電阻中以150℃/h的加熱速度隨爐升溫至300℃保溫5小時后空冷，然后鑄件以150℃/h的加熱速度隨爐升溫至200℃保溫20小時后空冷，然后以150℃/h的加熱速度隨爐升溫至150℃保溫30小時后空冷，經過處理后的零件的抗拉強度為308MPa，屈服強度為215MPa，伸長率為5.72％。實施例2第一步：采用低壓鑄造的方法制備一種各元素質量百分比為：Y3.5％；Nd2.6％；Zr0.5％；Gd0.35％；其它元素總量小于0.5％；余量為Mg的Mg-Y-Nd的大尺寸Mg-Y-Nd合金鑄件。該鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于0.5m2。鑄造得到的大尺寸鑄件表面進行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用酸鹽清洗。將清洗后的鑄件置于電阻中以210℃/h的加熱速度隨爐加熱至475℃并保溫15～16小時，然后以75℃/h的加熱速度隨爐升溫至545±5℃保溫2～3小時后出爐，風冷，將風冷后的零件置于電阻中以175℃/h的加熱速度隨爐升溫至310℃保溫4小時后空冷，然后鑄件以175℃/h的加熱速度隨爐升溫至225℃保溫17.5小時后空冷，然后以175℃/h的加熱速度隨爐升溫至175℃保溫25小時后空冷，經過處理后的零件的抗拉強度為325MPa，屈服強度為210MPa，伸長率為5.4％。實施例3第一步：采用低壓鑄造的方法制備一種各元素質量百分比為：Y4.0％；Nd2.3％；Zr0.4％；Gd0.4％；其它元素總量小于0.5％；余量為Mg的Mg-Y-Nd的大尺寸Mg-Y-Nd合金鑄件。該鑄件壁厚最厚處為60mm，最薄處為30mm，垂直投影面積大于0.5m2。鑄造得到的大尺寸鑄件表面進行打磨，去除表面的粘沙以及氧化物，并用酸鹽清洗。將清洗后的鑄件置于電阻中以220℃/h的加熱速度隨爐加熱至480℃并保溫15～16小時，然后以100℃/h的加熱速度隨爐升溫至545±5℃保溫2～3小時后出爐，風冷，將風冷后的零件置于電阻中以200℃/h的加熱速度隨爐升溫至320℃保溫3小時后空冷，然后鑄件以200℃/h的加熱速度隨爐升溫至250℃保溫15小時后空冷，然后以200℃/h的加熱速度隨爐升溫至180℃保溫20小時后空冷，經過處理后的零件的抗拉強度為315MPa，屈服強度為207MPa，伸長率為5.62％。表1實施例抗拉強度(MPa)屈服強度(MPa)伸長率(％)對比例2881984.513082155.7223252105.433152075.62從表1的數據可以看出：采用本發明工藝方法處理后的Mg-Y-Nd鎂合金，其抗拉強度≥308Mpa，屈服強度≥207Mpa，伸長率≥5.4％；均較現有技術工藝處理后的合金性能有明顯提升。