CN102626779A - 一种镁合金铸锭的制备方法及凝固系统 - Google Patents

Abstract

一种镁合金铸锭的制备方法，其步骤如下：配料，将烘干后的炉料放入坩埚内，将坩埚放入到电阻炉中进行熔炼，通入混合气体对熔体进行保护；采用阶段升温的方法控制升温速度；将坩埚移至已经预热的凝固系统内；凝固系统断电，增大保护气体中SF₆的含量，打开流向凝固系统的冷却水，对坩埚进行降温冷却；冷却水排水管温度至室温后，关闭冷却水和保护气体；待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭。一种凝固系统，在炉壳内设有控温热电偶，在炉壳内底部设置喷水器，在坩埚保温盖上设保护气体导入管。可防止高温镁合金熔体的氧化和燃烧；坩埚侧面无热量散失，温度精确控制，可实现定向凝固，能获得表面及内部质量良好的镁合金铸锭。

Description

一种镁合金铸锭的制备方法及凝固系统

技术领域

本发明涉及一种镁合金铸锭的制备方法及凝固系统。

背景技术

镁合金作为最轻的结构材料，由于低密度、高的比强度、高超的阻尼性等优点在汽车、航空、电子等工业领域表现出超强的吸引力。镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，其中铸造镁合金占镁合金总量的90%以上。

镁合金铸锭的制备方法主要有压力铸造、挤压铸造、重力铸造、半固态铸造、半连续铸造。压力铸造是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。由于压铸件是多工艺流程相配合的产物，因此当铸造不恰当时，会产生表面和内部缺陷。挤压铸造分为直接挤压和间接挤压，直接挤压由于浇注金属液时需要精确定量，因此应用不多。间接挤压能够生产内部无缺陷的铸件，但是铸件中心容易产生宏观偏析，同时组织也不够致密。

重力铸造包括砂型铸造、金属型铸造、壳型铸造和熔模铸造。其中消失模铸造是砂型铸造生产上的技术革命，被誉为“21世纪的铸造新技术”。但是对于应用最广的Mg-Al系镁合金而言，结晶温度较宽不仅使铸件的组织粗大，而且会出现严重的缩松缺陷。

20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemings教授提出了半固态金属加工技术的新概念。与传统的铸造技术相比，半固态成形技术可以实现无湍流充填和近终成形，因而减少了铸件中的气孔、缩松，提高了组织致密性。半固态成形分为流变成形和触变成形，在流变成型中难点是半固态浆料的保存和输送，触变成型由于坯料输送方便，易于实现自动化操作，因此触变成型是目前应用最广的半固态成型方法。半固态成形技术在制备优质半固态坯料、开发工艺简单的成形工艺等方面还有待加强。

半连续铸造是指从熔体浇入结晶器到铸锭冷却到室温，要进行两次冷却，一次在结晶器中的间接冷却，一次是结晶器下缘的直接冷却。采用半连续铸造获得的铸锭组织致密，没有气孔等缺陷，铸锭界面上性能均一，被广泛用于生产各种规格的变形镁合金铸锭。虽然采用这种方法制备的镁合金铸锭质量较好，但是需要控制的工艺参数较多，如熔液温度、冷却水量、拉坯速度等。采用软接触电磁连铸的方法对改善金属加工成型性，提高生产效率等方面起着重要的作用，但是设备比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种镁合金铸锭的制备方法及凝固系统，其操作简单，工艺参数容易控制，设备简单，保温效果好，能实现定向凝固，通过调整熔体温度可以获得没有缩孔、缩松缺陷、组织致密，晶粒细小的镁合金铸锭。

本发明的技术解决方案是：

一种镁合金铸锭的制备方法，其具体步骤如下：

(1)配料，熔炼前将坩埚与Mg-Al基金属炉料进行烘干处理；

(2)将烘干后的炉料放入坩埚内，将坩埚放入到已经预热到340℃～360℃的电阻炉中进行熔炼，当炉膛温度为390℃～410℃时，按照体积比通入由99.5%～99.8%CO₂和0.5%～0.2%SF₆组成的混合气体对熔体进行保护；

(3)采用阶段升温的方法控制升温速度，炉膛温度每次升高40℃～60℃，然后保温，观察熔体温度值，当熔体温度值与炉膛温度相等时，再继续升高炉膛温度，直到熔体温度达到设定温度，所述设定温度为700℃-950℃；

(4) 当熔体温度达到设定温度时，将带有保护气体的坩埚移至已经预热的凝固系统内，所述凝固系统内温度比熔体设定温度低0℃～50℃；

(5)凝固系统断电，将保护气体中SF₆的含量比原来增大1倍～1.5倍，同时打开流向凝固系统的冷却水，对坩埚进行降温冷却；

(6)冷却水排水管温度至室温后，关闭冷却水和保护气体；

(7)待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭。

所述熔体设定温度为750℃-850℃。

通入混合气体前炉膛温度为400℃时；

所述阶段升温时，每次升温50℃。

一种用于制备镁合金铸锭的凝固系统，包括炉壳、保温炉体，设置在保温炉体内的电阻丝 ，其特殊之处是：在炉壳内设有控温热电偶，在炉壳底部设置喷水器，喷水器上面敞口，在保温炉体和喷水器之间设有保温材料，该凝固系统还设有坩埚保温盖，在坩埚保温盖上设保护气体导入管。

所述喷水器是由水槽、设置在水槽内的喷头、设置在喷头上的进水管、设置在水槽上的排水管和排气孔构成。

所述水槽敞口边缘设有密封垫。

所述炉壳上口边缘设有保温密封垫。

    本发明的有益效果是：

1、采用SF₆和CO₂的混合气体作为保护气体，可防止高温镁合金熔体的氧化和燃烧；

2、采用具有保温及温度控制功能的凝固系统，可确保坩埚侧面无热量散失，且保温温度可控，从而对坩埚壁进行保温，防止热量从坩埚侧面散出；由于热量通过坩埚壁传递给熔体，所以熔体温度与炉膛温度相比有一个滞后过程，而且温度达到设定值后有一个上冲的过程，通过采用阶段升温的方法，实现温度的精确控制。

3、采用底部喷水冷却方式制备镁合金铸锭的凝固系统，确保热量从坩埚底部单向快速传出，从而实现定向凝固的功能，可获得表面及内部质量良好的镁合金铸锭。

4、生产设备简单，工艺参数容易控制，生产效率高，采用该方法制得的镁合金铸锭表面光滑，组织致密，晶粒细小，无缩孔、缩松等缺陷，用于各种镁铝合金。

附图说明

图1是本发明的系统总图；

图2是图1中凝固系统的结构示意图

图3是图2中喷水器结构示意图；

图4是制得的镁合金铸锭形貌图；

图5是制得的镁合金铸锭内部组织SEM图。

图中：保护气体配置系统1，电阻炉2，凝固系统3，坩埚4，保护气体导入管 301，坩埚保温盖302，保温密封垫303，炉壳304，保温炉体305，控温热电偶306，密封垫307，保温材料308，喷水器309，支架310，电阻丝311，水槽309a，排气孔309b，喷头309c，进水管309d，排水管309e。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，该镁合金铸锭的制备方法所用设备包括保护气体配置系统1、熔炼系统以及凝固系统3，保护气体配置系统1将配置好的保护气体送至熔炼系统2以及凝固系统3，对冶炼过程以及凝固过程中的镁合金熔体或高温铸锭进行保护，以防氧化或燃烧；熔炼系统采用电阻炉2，完成镁合金的熔化、精炼、调整温度及成分；凝固系统3完成对铸锭凝固组织的控制。

如图2所示，所述凝固系统3，包括炉壳304、保温炉体305、设置在保温炉体内的电阻丝311，炉壳305底部设有支架310，保温炉体305上口设有保温密封垫303，在炉壳304内底部设置喷水器309，喷水器309上面敞口并在敞口处边缘设有密封垫307，在保温炉体305和喷水器309之间设有保温材料308，在炉壳304上设有与保温炉体305内腔相通的控温热电偶306，该凝固系统还设有坩埚保温盖302，在坩埚保温盖302上设有通入坩埚内的保护气体导入管 301。

如图3所示，所述喷水器309是由水槽309a、设置在水槽中心的喷头309c、设置在喷头309c上的进水管309d、设置在水槽上的排水管309e和排气孔309b构成。

镁合金铸锭的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料，熔炼前将坩埚4与Mg-Al基金属炉料进行烘干处理；

(2)将烘干后的炉料放入坩埚4内，将坩埚4放入已经预热到340℃的电阻炉2中进行熔炼，当炉膛温度为390℃时，按照体积比通入99.5%CO₂+0.5%SF₆的混合气体对熔体进行保护；

(3)采用阶段升温的方法控制升温速度，炉膛温度每次升高40℃，达到设定值后保温，观察熔体温度值，当熔体温度值与炉膛温度相等时，再继续升高炉膛温度，直到熔体温度达到设定值710℃。

(4)当熔体温度达到设定温度时，将带有保护气体的坩埚4移至已经预热到650℃的保温炉体305内，坩埚4搭在保温密封垫303上；

(5)电阻丝311断电，将保护气体中SF₆的含量增大至1%，同时打开冷却水阀门，冷却水由喷头309c喷向坩埚4底面，对坩埚4进行降温冷却；

(6)冷却水排水管309e温度降至室温后，关闭冷却水和保护气体；

(7)待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭。

实施例2

所用设备同实施例1。

 镁合金铸锭的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料，熔炼前将坩埚4与Mg-Al基金属炉料进行烘干处理；

(2)将烘干后的炉料放入坩埚4内，将坩埚4放入已经预热到360℃的电阻炉2中进行熔炼，当炉膛温度为410℃时，通入99.8%CO₂+0.2%SF₆的混合气体对熔体进行保护；

(3)采用阶段升温的方法控制升温速度，炉膛温度每次升高60℃，然后保温，观察熔体温度值，当熔体温度值与炉膛温度相等时，再继续升高炉膛温度，直到熔体温度达到设定值890℃；

(4)当熔体温度达到设定温度时，将带有保护气体的坩埚4移至已经预热到860℃的保温炉306内，坩埚4搭在保温密封垫303上；

(5)电阻丝311断电，将保护气体中SF₆的含量增大至0.5%，同时打开冷却水冷门阀门，使冷却水流经喷水器309，对坩埚4进行降温冷却；

(6)冷却水排水管309c温度降至室温后，关闭冷却水和保护气体；

(7)待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭。

实施例3

所用设备同实施例1。

镁合金铸锭的具体步骤如下：

(1)配料，熔炼前将坩埚4与Mg-Al基金属炉料进行烘干处理；

(2)将烘干后的炉料放入坩埚4内，将坩埚4放入已经预热到350℃的电阻炉2中进行熔炼，当炉膛温度为400℃时，按照体积比通入99.7%CO₂+0.3%SF₆的混合气体对熔体进行保护；

(3)采用阶段升温的方法控制升温速度，炉膛温度每次升高50℃，然后保温，观察熔体温度值，当熔体温度值与炉膛温度相等时，再继续升高炉膛温度，直到熔体温度达到设定温度800℃；

 (4)当熔体温度达到设定温度时，将带有保护气体的坩埚4移至已经预热到800℃的保温炉306内，坩埚4卡沿在保温密封垫303上；

(5)电阻丝311断电，将保护气体中SF₆的含量提高至0.7%，同时打开冷却水阀门，使冷却水流经喷水器309，对坩埚4进行降温冷却；

(6)冷却水排水管温309c温度降至室温后，关闭冷却水和保护气体；

(7)待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭；制得的镁合金铸锭表面形貌及内部组织如图4、图5所示，表面光滑，组织致密，晶粒细小，无缩孔、缩松等缺陷。

实施例4

    上述实施例中，第（4）步中保温炉306预热温度可比第（3）步中熔体设定温度低0～50℃。

Claims (8)

1.一种镁合金铸锭的制备方法，其特征是：

(1)配料，熔炼前将坩埚与Mg-Al基金属炉料进行烘干处理；

(2)将烘干后的炉料放入坩埚内，将坩埚放入到已经预热到340℃～360℃的电阻炉中进行熔炼，当炉膛温度为390℃～410℃时，按照体积比通入由99.5%～99.8%CO₂和0.5%～0.2%SF₆组成的混合气体对熔体进行保护；

(3)采用阶段升温的方法控制升温速度，炉膛温度每次升高40℃～60℃，然后保温，观察熔体温度值，当熔体温度值与炉膛温度相等时，再继续升高炉膛温度，直到熔体温度达到设定温度，所述设定温度为700℃-950℃；

(4) 当熔体温度达到设定温度时，将带有保护气体的坩埚移至已经预热的凝固系统内，所述凝固系统内温度比熔体设定温度低0℃～50℃；

(5)凝固系统断电，将保护气体中SF₆的含量比原来增大1倍～1.5倍，同时打开流向凝固系统的冷却水，对坩埚进行降温冷却；

(6)冷却水排水管温度至室温后，关闭冷却水和保护气体；

(7)待铸锭自然冷却到室温后，取出铸锭。

2.根据权利要求1所述的镁合金铸锭的制备方法，其特征是：所述熔体设定温度为750℃～850℃。

3.根据权利要求1所述的镁合金铸锭的制备方法，其特征是：通入混合气体前炉膛温度为400℃。

4.根据权利要求1所述的镁合金铸锭的制备方法，其特征是：所述阶段升温时，每次升温50℃。

5.一种用于制备镁合金铸锭的凝固系统，包括炉壳、保温炉体，设置在保温炉体内的电阻丝 ，其特征处是：在炉壳内设有控温热电偶，在炉壳底部设置喷水器，喷水器上面敞口，在保温炉体和喷水器之间设有保温材料，该凝固系统还设有坩埚保温盖，在坩埚保温盖上设保护气体导入管。

6.根据权利要求5所述的用于制备镁合金铸锭的凝固系统，其特征是：所述喷水器是由水槽、设置在水槽内的喷头、设置在喷头上的进水管、设置在水槽上的排水管和排气孔构成。

7.根据权利要求5所述的用于制备镁合金铸锭的凝固系统，其特征是：所述水槽敞口边缘设有密封垫。

8.根据权利要求5所述的用于制备镁合金铸锭的凝固系统，其特征是：所述炉壳上口边缘设有保温密封垫。

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