CN102350492B - 一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法，属于材料加工工程领域。所述方法包括（1）将厚度为1~3mm的铝或铝合金板材经氩弧焊方法连续焊接成一侧开口的预制铝板盒；所述铝板包覆层厚度占包铝镁合金复合铸锭总厚度的10%~20%；（2）预制铝板盒型腔经机械打磨、化学清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；（3）镁合金芯材采用气体保护熔炼，浇注温度660~720℃。（4）将预热的铝板盒装卡在自制模具中，再将熔融镁合金液浇注于铝盒型腔，冷却后即得。所制备的包铝镁合金复合铸锭可形成多重复杂的冶金结合界面结构，为后续热轧包铝镁合金复合板带提供了高质量的锭坯。

Description

一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程技术领域，涉及一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法。

背景技术

镁合金具有高比强度、比刚度，良好的阻尼减震性、易切屑加工性和可回收性等特点，在汽车工业、电子工业及航空航天等领域具有广阔的应用前景，被誉为21世纪最轻的绿色结构材料。然而，由于镁的化学活泼性很高，并且形成的氧化膜疏松多孔，对基体没有足够的保护能力，不适用于大多数腐蚀性环境，镁合金的腐蚀已成为限制镁合金应用的关键问题之一，此外，镁合金的加工变形能力差也限制了变形镁合金的发展。镁合金轧制板材具有广阔的开发应用潜力，为解决腐蚀和加工问题，采用耐蚀和加工性能好的铝合金包覆在镁合金表面进行轧制，获得的包铝镁板层状复合材料既具有良好的耐腐蚀能力，又可大大改善镁合金的加工成型性能，为此许多研究者进行了大量的尝试。例如西安建筑科技大学应用累积复合轧制工艺制备了Al/Mg/Al多层结构复合板[CN 1850383A]；太原理工大学应用扩散连接工艺通过在铝合金与镁合金板材间添加低熔点的锌锡连接材料，制备了具有连接层的镁合金与铝合金复合板材[CN 1709688A];西南大学应用热轧退火工艺制备了Al/Mg/Al三层包铝镁板带[CN101804710A]。然而，目前Mg/Al层状复合材料的制备主要依靠轧制和扩散连接等工艺，尚存在成材率低，工艺参数控制困难，界面结合强度低等问题。

应用铸造复合法制备锭坯再加后续热轧方法制备复合板材，由于成材率高，复合板结合强度大等优点而受到广泛关注。如解国良等采用包覆铸造加热轧工艺制备了Q235/CrWMn刀具材料[解国良，刘靖，韩静涛等. 包覆铸造和热轧工艺制备Q235/CrWMn刀具材料，北京科技大学学报，2010,32（3）]，其工艺步骤如下：(1)将CrWMn钢棒材在真空感应炉中加热到1500℃左右重熔，随后将其浇注成锭，再经机械加工制成50mm×70mm×80mm的心部材料，并用丙酮进行超声清洗；(2)将方形铸铁模具预热500℃左右，放入芯材和支架，将Q235钢棒材在真空感应炉中加热到1500℃左右重熔，然后将Q235钢液浇注到模具中，制备了CrWMn钢外包覆Q235钢复合铸锭；（3）将复合铸锭在箱式电阻炉中加热至1150℃，保温1h后进行热轧，热轧温度为900~1150℃，单道次变形量为10%，累积变形量约90%。轧制后，缓冷至600℃左右再冷至室温。由于采用固定芯材再通过浇注包覆层金属来制备复合锭坯的方法，要求包覆层金属的厚度大于某一临界值，否则易导致铸件充型困难，铸件界面易产生裂纹、孔隙等缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法。通过铸造复合法制备包铝镁合金锭坯，旨在解决传统工艺制备镁基包铝复合板带存在的成材率低、界面结合能力差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将厚度为1~3 mm的铝合金板材经氩弧焊方法连续焊接成一侧开口的预制铝板盒，作为铝板包覆层；所述铝板包覆层厚度占包铝镁合金复合铸锭总厚度的10%~20%；所述的铝合金板材为纯铝系列、铝-锰系列合金或铝-镁系列合金。

（2）对预制铝板盒的型腔进行机械打磨、化学清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理。机械打磨为用砂轮片打磨焊接接口的浮凸部位，使预制铝板盒各个侧面平整光滑；所述化学清洗为依次使用浓度5%NaOH溶液、5%盐酸溶液和无水乙醇清洗铝板盒型腔，去除表面油污及氧化物。

（3）镁合金芯材采用井式电阻炉并通入CO₂+0.2%SF₆保护气氛熔炼，或者采用真空熔炼炉在氩气保护下熔炼；所述镁合金芯材为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金。

（4）取出经预热的铝板盒将其装卡在模具中，将熔融镁合金液浇注于铝盒型腔内，浇注温度660~720℃，冷却后即得包铝镁合金复合铸锭。所述的模具为具有侧面夹紧机构的碳钢模具，保证复合铸锭底面和四周侧面与模具的紧密贴合，控制铸锭冷却速度，有效防止铝板盒烧穿。

由于铝合金与镁合金的熔点十分接近，膨胀系数相差不大并且都属于低熔点金属。本发明通过往预制铝板盒型腔浇注熔融的镁合金芯材的方法，利用装卡模具良好的散热作用，可以制备充型能力好、铝合金包覆层厚度小的包铝镁合金复合铸锭。此外所制备的包铝镁合金复合铸锭可形成多重复杂的冶金结合界面结构，为后续热轧包铝镁合金复合板带提供了高质量的锭坯。

附图说明

图1是本发明的铸造1060/AZ31包铝镁合金界面的显微组织图。

图2是本发明的铸造1060/Mg-2.0Mn-0.6Ca包铝镁合金界面的显微组织图。

图3是后续热轧1060/AZ31包铝镁合金板材界面的显微组织图。

图4为铸造包铝镁合金复合铸锭的金属模具的立体结构图。

具体实施方式

实施例1：

包覆层铝合金牌号及成分：

1060纯铝板，其质量分数：含Fe 0.21%，Si 0.09%， Cu 0.01%，Mn 0.01%，Mg 0.01%，Zn 0.02%，Ti 0.17%，其余为Al。

芯材镁合金牌号及成分：

AZ31镁合金锭，其质量分数：含Al 3.06%，Zn 1.18%， Mn 0.47%，Si 0.016%，Cu ≤0.002%，Fe≤0.002%，Ni≤0.0001%，其余为Mg。

具体步骤：

（1）将厚度为1.6 mm的1060纯铝板用氩弧焊连续焊接成尺寸为300 mm×150 mm×20 mm且一侧开口的预制铝板盒；

（2）用砂轮片打磨焊接接口的浮凸部位，使铝板盒各个侧面平整光滑；依次使用5%NaOH溶液、5%盐酸溶液和无水乙醇清洗铝板盒的型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；

（3）采用井式电阻加热炉，不锈钢坩埚熔炼AZ31镁合金。将计量好的AZ31合金加热至720℃熔化后搅拌5~8 min，静置保温30 min后出炉并除渣。待温度冷却至680℃时，取出经预热处理的铝盒并将其装夹在金属模具中，再将熔融的镁合金液浇注到铝盒型腔中并随模具冷却后即可。整个熔炼和浇注过程中用CO₂+0.2％SF₆(体积分数)混合气体进行保护。

以上铸造所得的1060/AZ31包铝镁合金界面的显微组织如图1所示。后续热轧1060/AZ31包铝镁合金板材界面的显微组织如图3所示。由图1看以看出，铸造1060/AZ31包铝镁合金界面依次由α-Mg固溶体层，共晶层，β-Mg₁₇Al₁₂化合物层及AlMg化合物层组成，形成多层过渡的冶金结合界面结构。而由图3可以看出，轧制后的1060/AZ31包铝镁合金界面呈波纹状，界面处未发现显微裂纹和孔隙，脆性的金属间化合物层在轧制作用下发生破碎，消除了其对界面的有害影响。

实施例2：

包覆层铝合金牌号及成分：

1060纯铝板，其质量分数：含Fe 0.21%，Si 0.09%， Cu 0.01%，Mn 0.01%，Mg 0.01%，Zn 0.02%，Ti 0.17%，其余为Al。

芯材镁合金成分：

Mg-2.0Mn-0.6Ca合金，其质量分数：含Mn 2.0%，Ca 0.6%，其余为Mg。

具体步骤：

（1）将厚度为1.6 mm的1060纯铝板用氩弧焊连续焊接成尺寸为300 mm×150 mm×20 mm且一侧开口的预制铝板盒；

（2）用砂轮片打磨焊接接口的浮凸部位，使铝板盒各个侧面平整光滑；依次使用5%NaOH溶液、5%盐酸溶液和无水乙醇清洗铝板盒型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；

（3）采用工业纯Mg锭(纯度≥99.8%)、Mg-Mn中间合金(含3.44%Mn)和Mg-Ca中间合金(含17.34%Ca)，在井式坩埚电阻炉中进行熔炼合金。将计量好的Mg锭和Mg-Mn中间合金加热至720℃熔化，然后加入Mg-Ca中间合金，全部溶化后搅拌5~8 min，静置保温30 min后出炉并除渣。待温度冷却至680℃时，取出经预热处理的铝盒并将其装夹在金属模具中，再将熔融的镁合金液浇注到铝盒型腔中并随模具冷却后即可。整个熔炼和浇注过程中用CO2+0.2％SF6(体积分数)混合气体进行保护。以上制得的铸造1060/Mg-2.0Mn-0.6Ca包铝镁合金界面的显微组织如图2所示。

实施例3：

包覆层铝合金牌号及成分：

1060纯铝板，其质量分数：含Fe 0.21%，Si 0.09%， Cu 0.01%，Mn 0.01%，Mg 0.01%，Zn 0.02%，Ti 0.17%，其余为Al。

芯材镁合金成分：

Mg-12Li合金，其质量分数：含Li 12%，其余为Mg。

具体步骤：

（1）将厚度为1.6 mm的1060纯铝板用氩弧焊连续焊接成尺寸为300 mm×150 mm×20 mm且一侧开口的预制铝板盒；

（2）用砂轮片打磨焊接接口的浮凸部位，使铝板盒各个侧面平整光滑；依次使用5%NaOH溶液、5%盐酸溶液和无水乙醇清洗铝板盒型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；

（3）试验所用材料为工业纯Mg（纯度≥99.8%），99.99%Li。将计量好的合金在真空熔炼炉中氩气保护条件下熔炼，熔炼温度为680~720℃。待温度冷却至660℃时，取出经预热处理的铝盒并将其装夹在金属模具中，再将熔融的镁合金液浇注到铝盒型腔中，并随模具冷却后即可。整个浇注过程通氩气保护。

以上各例中采用的金属模具的结构参见图4：该模具包括模具座1、活动插板2和侧面夹紧机构3。模具座1由底板7和三面侧板4、5和6经紧固螺栓连接形成一个顶面开口和一侧面开口的方形结构。其中相对的两面侧板4和5上对应加工有竖向凹槽，活动插板2插于其中，封闭侧面开口。其中两面相连的侧板4和6上加工有螺纹孔，分别安装有一个侧面夹紧机构3。侧面夹紧机构3由夹紧板8（或9）和螺纹推杆11连接组成，夹紧板8（或9）位于模具座1中，分别与各自一侧的侧板4或6平行，螺纹推杆装在各自一侧的侧板4或6上的螺纹孔中，夹紧板上还连接有导向杆10，对应在侧板4和6上有导向孔，导向杆10穿过导向孔，对夹紧板8（或9）进行导向。

在装夹经预热处理的铝盒时，要先取出模具的活动插板2，再将铝盒置于模具型腔中，安装活动插板2并调节侧面夹紧机构3，使铝盒的底面及四周侧面均与模具贴合。再往铝盒型腔内匀速浇注熔融的镁合金液，待合金锭冷却后调节侧面夹紧机构3，取出活动插板2，才卸下包铝镁合金复合铸锭。

模具座、活动插板和侧面夹紧机构采用导热性好的铁基或铜基合金，模具的尺寸由包铝镁合金复合铸锭的外形尺寸确定。

Claims (3)

1.一种铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将厚度为1~3 mm的铝合金板材经氩弧焊方法连续焊接成一侧开口的预制铝板盒，作为铝板包覆层；所述铝板包覆层厚度占包铝镁合金复合铸锭总厚度的10%~20%；所述的铝合金板材为铝-锰系列合金或铝-镁系列合金；

（2）对预制铝板盒的型腔进行机械打磨、化学清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；

（3）将镁合金芯材采用井式电阻炉并通入CO₂+0.2%SF₆保护气氛熔炼，或者采用真空熔炼炉在氩气保护下熔炼；所述镁合金芯材为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金；

（4）取出经预热的铝板盒将其装卡在模具中，将熔融镁合金液浇注于铝盒型腔内，浇注温度660~720℃，冷却后即得包铝镁合金复合铸锭。

2.根据权利要求1所述的铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述机械打磨为用砂轮片打磨预制铝板盒的焊接接口的浮凸部位，使预制铝板盒各个侧面平整光滑；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、5%盐酸溶液和无水乙醇清洗铝板盒型腔，去除表面油污及氧化物。

3.根据权利要求1所述的铸造包铝镁合金复合铸锭的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的模具为具有侧面夹紧机构的碳钢模具。

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