高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法

摘要

本发明涉及一种高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法，通过对该材料进行传统的轧制变形和热处理工艺加工，结合颗粒增强镁基复合材料特有的组织结构和强化机制，对工艺参数进行优化，从而制备出了性能更为优异的AlN/AZ91D镁基复合材料板材，提出了专门针对该复合材料的轧制和热处理工艺，不仅实现了作为基体合金的铸造镁合金(AZ91合金)的轧制变形，使得AlN/AZ91D镁基复合材料的力学性能得到了进一步的显著提高，其拉伸强度和塑性已经远远超过基体AZ91合金和大部分传统变形镁合金。另外，由于工艺简单、轧制变形时轧辊无需加热、原材料制备装置安全可靠等特点，该专利可广泛应用于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法，以原位颗粒强化AlN/AZ91D镁基复合材料(专利号：201510882938.5)为变形铸坯，采用轧制变形和后续热处理工艺制备出力学性能显著提高的AlN/AZ91D镁基复合材料板材，从而提高工业上广泛应用的AZ91D镁合金的力学性能。

背景技术

变形镁合金由于其具有比铸造镁合金更加优异的力学性能和成形能力而被广泛应用，然而镁合金固有的低强度和低塑性限制了其作为高性能金属结构材料的应用，因此开发低成本高强高塑性能的新型镁基复合材料已经成为镁合金发展的一个重要方向和途径。专利申请人采用原位强化专利技术已经制备出了具有高强高塑性能和低成本的AlN/AZ91D镁基复合材料铸锭(铸坯制备方法和装置见申请人的授权专利ZL201510670943.X和ZL201510882938.5)，该材料具有的高塑性为通过塑性变形进一步提高该复合材料的力学性能提供了有利条件。因此，为了该复合材料的力学性能进一步提升以及扩大其应用范围，获得该复合材料的轧制和热处理工艺成为目前其可在工业上大规模推广使用的迫切需要。

由于镁是密排六方结构(HCP)，室温下非基面滑移难以启动，这导致镁合金及镁基复合材料室温下的强度和塑性低。低的强度和塑性一直制约着镁合金及镁基复合材料在室温塑性变形的发展与应用，特别是对于AZ系列的铸造镁合金来说，其差的塑性导致很难通过塑性变形提高力学性能和制备板材、型材等产品而扩大应用范围。因此，只能采用强度低、塑性较好的AZ31等变形镁合金制备板材和型材，而室温强度更高的AZ91等铸造镁合金即使经过有限的热塑性变形，其力学性能的提升并不显著，而且在其变形过程中存在工艺复杂、加工环境要求高、设备复杂、制备成本高等问题，这严重影响并制约了传统镁合金材料的发展和应用。因此，工业上迫切需要获得一种工艺简单，成本低，性能优良的变形镁合金。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法，提高该复合材料力学性能的同时降低变形成本。

技术方案

一种高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将AlN/AZ91D镁基复合材料铸坯放入马弗炉中进行固溶处理，固溶温度为400-420℃，时间为16-24小时；

步骤2：将材料从马弗炉内拿出，放入自来水中淬火；

步骤3：将淬火后的复合材料铸锭切成轧板形状，表面打磨光滑；

步骤4：将制备好的轧板放入马弗炉中在320-350℃下预热5-15min后，放入二辊轧机进行轧制，轧制速度为0.15-0.3m/s，初始和最终道次下压量不超过5％，中间道次下压量10％-15％，每道次间在320-350℃下退火5-10min；当总轧制变形量为35-45％时，停止轧制；所述轧辊无需加热；

步骤5：将轧制好的轧片放入马弗炉中，在80-110℃下时效35-45小时后取出，完成轧制及热处理。

有益效果

本发明提出的一种高性能AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理方法，针对铸态AlN/AZ91D原材料高强高塑性的特点，本发明采用传统轧制加后续热处理的方法进行材料的变形和力学性能的提升。通过对该材料进行传统的轧制变形和热处理工艺加工，结合颗粒增强镁基复合材料特有的组织结构和强化机制，对工艺参数进行优化，从而制备出了性能更为优异的AlN/AZ91D镁基复合材料板材，提出了专门针对该复合材料的轧制和热处理工艺，不仅实现了作为基体合金的铸造镁合金(AZ91合金)的轧制变形，而且由于本发明在镁合金轧制工艺方面的创造性发明，使得AlN/AZ91D镁基复合材料的力学性能得到了进一步的显著提高，其拉伸强度和塑性已经远远超过基体AZ91合金和大部分传统变形镁合金。另外，由于工艺简单、轧制变形时轧辊无需加热、原材料制备装置安全可靠等特点，该专利可广泛应用于工业化生产。

本工艺方法优点在于轧制过程可在普通的二辊轧机上进行，仅通过控制轧制前后的热处理温度和时间以及轧制变形量就能实现复合材料板材性能的显著提高。由于工艺参数简单且易控制，而且轧制时轧辊未进行加热处理，操作简单，成本低廉。因而本专利可进一步促进高性能镁合金板材的工业化生产。

本发明所制备出的镁基复合材料板材(见图2)，晶粒尺寸显著细化，由固溶态平均晶粒尺寸60μm左右降低至轧制后的20μm左右，且强化颗粒分布和基体组织更为均匀。在合金性能上，与基体合金AZ91相比，本专利制备的AlN/AZ91D复合材料板材的拉伸性能可达到362Mpa，屈服强度接近300Mpa，而断裂延伸率也保持在9％左右(见图3，图4和表1)，远超过AZ91D(GB/T 19078-2003)的拉伸强度160Mpa、屈服强度110MPa和延伸率2％的拉伸性能。因此，本发明专利的实现，将极大简化镁合金板材的生产工艺，降低生产成本，有效解决AZ91镁合金板材难以进行轧制变形处理这一主要问题，推动镁合金板材在工业生产领域的发展。

附图说明

图1：AlN/AZ91D镁基复合材料的轧制及热处理工艺流程图

图2：不同变形量的AlN/AZ91D镁基复合材料轧片

图3：轧制和时效热处理后的AlN/AZ91D镁基复合材料片状拉伸试样

图4：时效态的AlN/AZ91D镁基复合材料轧制板材试样的应力应变曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所使用的坯料为AlN/AZ91D镁基复合材料铸锭(专利201510882938.5)，该铸锭虽然具有较高的室温塑性，但为了制备出具有更加优异力学性能的轧制板材，需要先对铸锭进行专门的固溶和水淬处理，然后进行轧制和时效处理(工艺流程见图1)，在轧制过程中严格控制每道次压下量、轧辊转速以及每道次间的退火温度与时间。而每个轧制工艺参数的最佳搭配，是最终获得高强度高塑性低边裂倾向的镁合金轧制板材的关键。

采用Ф100×130的AlN/AZ91镁基复合材料铸锭为原始坯料，其制备方法参考专利ZL201510882938.5。

具体实施过程如下：

实施例1

1.采用Ф100×130的AlN/AZ91镁基复合材料铸锭为原始坯料，其制备方法参考专利ZL201510882938.5；

2.将AlN/AZ91D镁基复合材料铸坯放入马弗炉中，在415℃下进行固溶处理，固溶时间为24小时。

3.固溶处理结束后，将材料从马弗炉内拿出，放入自来水中淬火。

4.将淬火后的复合材料铸锭切成轧板形状，表面打磨光滑，如图2所示。

5.将制备好的轧板放入马弗炉中在350℃下预热5-15min后，放入二辊轧机进行轧制(轧辊无需加热)。轧制速度为0.25m/s，初始和最终道次下压量不超过5％，中间道次下压量10％，每道次间在350℃下退火5-10min。当总轧制变形量为40％时，停止轧制。

6.将轧制好的轧片放入马弗炉中，在100℃下时效40小时后取出。

切取片状拉伸试样，如图3所示，进行力学性能测试。

实施例2：

1.采用Ф100×130的AlN/AZ91镁基复合材料铸锭为原始坯料，其制备方法参考专利ZL201510882938.5；

2.将AlN/AZ91D镁基复合材料铸坯放入马弗炉中，在420℃下进行固溶处理，固溶时间为17小时。

3.固溶处理结束后，将材料从马弗炉内拿出，放入自来水中淬火。

4.将淬火后的复合材料铸锭切成轧板形状，表面打磨光滑，如图2所示。

5.将制备好的轧板放入马弗炉中在320℃下预热5-15min后，放入二辊轧机进行轧制(轧辊无需加热)。轧制速度为0.15m/s，初始和最终道次下压量不超过5％，中间道次下压量15％，每道次间在320℃下退火5-10min。当总轧制变形量为35％时，停止轧制。

6.将轧制好的轧片放入马弗炉中，在80-110℃下时效35-45小时后取出。

实施例3：

1.采用Ф100×130的AlN/AZ91镁基复合材料铸锭为原始坯料，其制备方法参考专利ZL201510882938.5；

2.将AlN/AZ91D镁基复合材料铸坯放入马弗炉中，在400℃下进行固溶处理，固溶时间为24小时。

3.固溶处理结束后，将材料从马弗炉内拿出，放入自来水中淬火。

4.将淬火后的复合材料铸锭切成轧板形状，表面打磨光滑，如图2所示。

5.将制备好的轧板放入马弗炉中在320℃下预热12min后，放入二辊轧机进行轧制(轧辊无需加热)。轧制速度为0.15m/s，初始和最终道次下压量不超过5％，中间道次下压量15％，每道次间在350℃下退火5min。当总轧制变形量为35％时，停止轧制。

6.将轧制好的轧片放入马弗炉中，在110℃下时效45小时后取出。

表1 轧制及热处理后AlN/AZ91复合材料与基体AZ91D合金铸态组织力学性能对比