CN102615273A - 连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具，以液态镁合金为原料，用外部安装有激冷水套的水冷挤压模具为结晶器，模具，模具内的金属液在水冷结晶器亚快速冷却凝固后，呈固态或半固态并承受连续挤压和剪切的外力，制备出镁合金棒材（型材）。本发明，消除镁合金铸造组织中的缩孔、疏松等缺陷,还可以改善零件的微观组织和力学性能,得到细化的表面细晶组织，可以降低生产成本和成形设备吨位；具有亚快速凝固和在挤压三向压力及连续剪切作用下塑性变形的特点，可生产难变形合金棒材（型材），并提高力学性能。该工艺也可以用来回收镁铝合金，从而复用镁铝合金材料。

Description

连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具
技术领域
本发明涉及一种有色金属塑性成型技术，高强韧性镁合金或其它合金细晶材料的制备和型材的生产；尤其涉及连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具。
 
背景技术
镁合金是一种最轻的工程结构金属材料，具有密度小、比强度高、良好的导电能力和电磁屏蔽性能、减振和阻尼性能好且容易回收利用等特点；镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。镁合金可应用于汽车、航空航天以及3C产品(家用电器、计算机、通信电子器件)等领域。例如：手机，笔记本电脑上的液晶屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。镁合金的比重虽然比塑料重，但单位重量的强度和弹性率比塑料高。所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。
但是，由于镁合金的密排六方结构使得它的塑性成型能力差，并且镁合金的强度低，抗腐蚀性能差，在一定的程度上限制了镁合金的广泛应用。目前，通过细化晶粒来改善其微观组织是一种有效的提高镁合金材料成型能力的方法。
近年来在镁合金晶粒细化方面开展了一些研究，主要是通过大变形处理方法如等径角挤压，搅拌摩擦焊，交叉轧制，异步轧制，往复挤压，多向锻造，累积叠轧工艺和道次变形量很大的热轧来使晶粒得到细化。但很多这样的方法由于其自身工艺的限制，细化晶粒的作用有待提高，细化镁合金材料微观组织、提高镁合金组织均匀性的作用还不明显。
  
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明的主要目的在于细化镁合金材料微观组织、提高镁合金组织均匀性，提供一种通过激冷铸造-挤压-剪切复合变形的连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具。 
本发明的技术方案如下：连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将高温或半固态镁合金熔体和镁合金复合变质剂从浇口杯中注入铸挤模具内腔；
（2）在铸挤模具上设置有起激冷作用的冷却水套，高温熔体和镁合金复合变质剂注入后，铸挤模具连同冷却水套一起，以速度V1移动；柱塞以速度V2在铸挤模具内腔内运动，挤压高温镁合金熔体，柱塞挤压时的运动方向与铸挤模具的运动方向相反，速度V1的数值小于速度V2的数值；
（3）当铸挤模具内的高温镁合金熔体冷却到半固态或固态时，柱塞以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧，继续从浇口杯中注入高温熔体和变质剂；
（4）柱塞以速度V2挤压再次注入的高温镁合金熔体，如此循环运动；在整个过程中，铸挤剪模具始终以速度V1沿着与V2相反的方向移动，柱塞始终以速度V2挤压从浇口杯中不断进入的高温镁合金熔体，在挤压后以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧。
进一步的特征是：所述的镁合金复合变质剂，包括C2Cl6、Zr、CaCO3三种组分，三种组分的质量配比范围为1.5—2.5：0.8—1.8：0.7—1.6，变质剂加入的质量是高温镁合金熔体质量的0.1-0.12%。
前述三种组分的质量配比为2：1：1。
所述的速度V1的数值为速度V2数值的1/3。
相对于现有技术，本发明的工艺方法，具有以下有益效果：
1、本专利将亚快速凝固细化镁合金晶粒（模具外部为水套，冷却方式为快速水冷）与复合塑性变形（挤压和两次连续剪切）细化晶粒有机结合在一个工艺中,该工艺中，柱塞正方向挤压和模具反方向运动相结合对镁合金熔体（或半固态）坯料施加复合挤压力，柱塞和模具相互配合，连续从浇口注入金属液，可以不间断激冷铸造及挤压剪切成型高性能镁合金棒材（型材）。
2、镁合金材料的生产制备提供一种简单、效率高、连续生产、使用方便、应用广泛、适用的材料广泛、模具样式灵活的方法。
3、在同一台设备上同时完成了激冷铸造和挤压、剪切三道工序，相比热挤压工艺省去了铸锭加热、开坯及热挤等多道工序，减少了废料，节约了能源。设备简单集中，投资少，污染少，占地面积小，建造速度快，生产成本低。设备结构与工艺很容易在工业上应用，可连续稳定进行生产，简化生产工艺，缩短生产周期，使生产效率大大提高，便于自动控制实现自动化。
4、省去了铸锭铣面，减少了热挤后的切头切尾，挤压余料可连续使用，成材率提高约15％ ～20％。
5、连续激冷铸挤剪技术是一种柔性加工技术，通过改变模具结构就可以开发新产品，扩大范围，可实现小批量多品种的生产，可应用与镁铝合金的回收。具有亚快速凝固和在挤压三向压力及连续剪切作用下塑性变形的特点，可生产难变形合金棒材（型材），并提高力学性能。
6、连续激冷铸挤剪技术是镁合金连续激冷铸造技术与连续挤压技术的进一步 发展，将液态金属与挤压变形技术合为一体。国际上尚未见到采用该技术进行连续铸挤的报道，也未检索到相关发明专利。
7、本装置生产的镁合金材料强塑性好，提供的制备工艺简单，显著降低产品成本的同时具有环境友好特征，应用前景广阔。 　
附图说明
图1是本发明铸挤模具结构示意图。
  
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法，其特征在于包括如下步骤：
1、将高温或半固态镁合金熔体和镁合金复合变质剂从浇口杯中注入铸挤模具内腔；镁合金复合变质剂可以选用现有技术的合适配方；本发明提供的一种具体的镁合金复合变质剂，其包括C2Cl6、Zr、CaCO3三种组分，三种组分的质量配比范围为1.5—2.5：0.8—1.8：0.7—1.6，变质剂加入的质量是高温镁合金熔体质量的0.1-0.12%；三种组分的质量配比最佳范围为2：1：1；
2、在铸挤模具上设置有起激冷作用的冷却水套，高温熔体和镁合金复合变质剂注入后，铸挤模具连同冷却水套一起，以速度V1移动；柱塞以速度V2在铸挤模具内腔内运动，挤压高温镁合金熔体，柱塞挤压时的运动方向与铸挤模具的运动方向相反；速度V1的数值小于速度V2数值，约为速度V2的1/3；
3、当铸挤模具内的高温镁合金熔体冷却到半固态或固态时，柱塞以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧，继续从浇口杯中注入高温熔体和变质剂；
4、柱塞以速度V2挤压再次注入的高温镁合金熔体，如此循环运动；在整个过程中，铸挤剪模具始终以速度V1沿着V2相反的方向移动，柱塞始终以速度V2挤压从浇口杯进入的高温镁合金熔体，在挤压后以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧；从而达到连续铸挤、连续进给高温熔体的目的。
起冷却作用的冷却水套，通常是通入一定流速的冷却水，利用冷却水与高温镁合金熔体的温度差，产生激冷效果。
每次从浇口杯中注入铸挤剪模具内腔的高温镁合金熔体的体积（数量），不超过铸挤模具出料口的最低面（如图中所示的虚线），即需要控制高温镁合金熔体从铸挤剪模具出料口以液态或半固态流出，只有在柱塞的推动（挤压）下，才使固态镁合金通过出料口被挤出。
本发明主要镁合金晶粒细化的原理是：1）加变质剂细化；2）柱塞和铸挤模具周期性运动，有效地发挥模壁的激冷效果，温度起伏和对流的冲刷作用，增加游离晶数目；3）冷却水激冷细化晶粒；4）后期的挤压剪切大塑性变形细化晶粒。
如图1中，本发明的铸挤剪模具，包括带有内腔的模具本体1，在模具本体1的一侧设置有浇口杯2，浇口杯2与模具本体1的内腔连通，在模具本体1上设置有冷却水套3，冷却水套3与冷却水管4连接，水管4内的冷却水以一定的速度流过，与模具本体1、冷却水套3的壁产生热交换作用而起到冷却效果。在模具本体1的内腔内设置有柱塞5，柱塞5与挤压设备相连接，柱塞5以一定的速度在内腔内往返运动。模具本体1的另一侧，设置有出料口6。模具本体1连同冷却水套3以一定的速度V1运动，柱塞5以速度V2挤压高温镁合金熔体；速度V2大于速度V1，为V1的3倍。
当模具本体1内的高温镁合金熔体冷却到半固态或固态时，柱塞5以V2的速度大小反向运动到浇口杯2左侧，继续从浇口杯2中注入高温熔体和变质剂；在整个过程中，模具本体1与冷却水套3始终以速度V1移动，柱塞5始终以速度V2挤压从浇口杯2进入的高温镁合金熔体；从而达到连续铸挤、连续进给高温熔体的目的。
每次从浇口杯2中注入模具本体1内腔的高温镁合金熔体的体积，不超过出料口6的最低面，使高温镁合金熔体不能自动从出料口6流出，只有经柱塞5挤压后，固态的镁合金块体才能从出料口6中推出。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具，其特征在于包括如下步骤：
（1）将高温或半固态镁合金熔体和镁合金复合变质剂从浇口杯中注入铸挤模具内腔；
（2）在铸挤模具上设置有起激冷作用的冷却水套，高温熔体和镁合金复合变质剂注入后，铸挤模具连同冷却水套一起，以速度V1移动；柱塞以速度V2在铸挤模具内腔内运动，挤压高温镁合金熔体，柱塞挤压时的运动方向与铸挤模具的运动方向相反，速度V1的数值小于速度V2的数值；
（3）当铸挤模具内的高温镁合金熔体冷却到半固态或固态时，柱塞以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧，继续从浇口杯中注入高温熔体和变质剂；
（4）柱塞以速度V2挤压再次注入的高温镁合金熔体，如此循环运动；在整个过程中，铸挤剪模具始终以速度V1沿着与V2相反的方向移动，柱塞始终以速度V2挤压从浇口杯中不断进入的高温镁合金熔体，在挤压后以V2的速度大小反向运动到浇口杯左侧。
2.根据权利要求1所述连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具，其特征在于：所述的镁合金复合变质剂，包括C2Cl6、Zr、CaCO3三种组分，三种组分的质量配比范围为1.5—2.5：0.8—1.8：0.7—1.6，变质剂加入的质量是高温镁合金熔体质量的0.1-0.12%。
3.根据权利要求2所述连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具，其特征在于：三种组分的质量配比为2：1：1。
4.根据权利要求1—3任一所述连续激冷铸挤剪细化镁合金材料微观组织的方法及模具，其特征在于：所述的速度V1的数值为速度V2数值的1/3。
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