CN102672148B - 一种纯化镁合金的新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯化镁合金材料的新工艺，本工艺是在常规镁合金熔铸工艺基础之上，不额外添加任何除杂熔剂，只通过采用优化的熔体保温静置处理工艺，达到有效纯化合金的目的。纯化的具体步骤为：1）将精炼处理后且化学成分符合要求的镁合金熔体进行保温静置处理，熔体的保温静置温度为730-780℃，保温静置时间为30-100分钟；2）对熔炼炉断电，使熔体降温至710-730℃浇铸到模具并用水冷却或者直接风冷凝固获得镁合金铸锭。本发明纯化效果明显，可显著地降低镁合金中Fe、Si、Ni、Cu等常见杂质元素的含量，且不带入新的杂质或夹杂，明显提高了镁合金材料的品质和整体性能，所用工艺设备为常规通用设备，成本较低，容易操作，工业上易于实现。

Description

一种纯化镁合金的新工艺

技术领域

本发明涉及镁合金的熔铸工艺，具体涉及在熔炼过程中去除Fe、Si、Ni、Cu等杂质元素的纯化工艺。

背景技术

近年来，随着能源供求的紧张，不可再生能源的大量消耗，能源危机逐渐凸显；而且当今世界上环境污染日益严重，减少废气排放十分迫切。为节约能源和保护环境，各国对新材料的需求更加急切，尤其是轻合金材料，如镁及镁合金材料。镁合金是目前工业应用中最轻的工程金属材料，具有密度小、比强度比刚度高、阻尼减振降噪能力强、液态成型性能优越、切削加工性能良好、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用等一系列优点，在汽车、轨道车辆、3C产品、手动工具、航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景。

但是，镁合金存在加工成形困难、抗腐蚀性能差、绝对强度低等问题，很大程度上限制了镁合金产品的实际工程应用。近年来，为解决上述问题，人们在合金化、热处理、晶粒细化等方面做了许多研究工作，并取得了重要进展。除此之外，镁合金的纯度也是影响镁合金性能的最重要因素之一,尤其镁合金中Fe、Si、Ni、Cu等有害杂质元素的含量。杂质主要通过原材料剂熔炼工具带入镁熔体中。研究表明，有害杂质元素的存大大降低镁合金铸锭的品质，会严重影响镁合金材料的组织状态、耐腐蚀性能、机械性能和加工成形性能，而且在镁合金的这些金属杂质中，Fe是危害最大的元素。例如，文献（Kainer K U. Magnesium alloys and technology. Weinheim: WILEY- VCH Verlag GmbH, 2003.）比较了高纯镁合金与普通AZ91合金的盐雾腐蚀速率, 发现杂质含量更高的普通AZ91合金的盐雾腐蚀速率为高纯AZ91合金的19倍。

因此，纯净的镁熔体是获得综合性能良好的优质镁合金材料的基本前提。研究和开发镁合金熔体纯化技术，有效地减少镁合金铸坯中Fe、Si、Ni、Cu等杂质元素的含量刻不容缓。现今，镁合金熔炼中通常采用 B、Ti、Zr、Be、Mn等元素的单质或化合物作为熔剂以达到除杂的目的。但是这些熔剂在除杂的同时会带入新的杂质或夹杂，这会对熔体的纯度和镁合金材料的整体性能有不利影响。有鉴于此，十分有必要开发一种高效的、不使用熔剂的纯化镁合金的新工艺，这对提高镁合金的品质和扩大镁合金材料的工程应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种在常规熔铸工艺基础之上不额外添加任何除杂熔剂的镁合金熔体纯化新工艺，本发明效果好，可以有效去除Fe、Si、Ni、Cu等杂质元素，且不带入新的杂质或夹杂，显著提高了镁合金材料的纯度与性能，所用工艺设备为常规通用设备，成本较低，容易操作，工业上易于实现。

本发明的技术方案是这样实现的：一种纯化镁合金的新工艺，本工艺是在常规镁合金熔铸工艺基础之上，不额外添加任何除杂熔剂，只通过采用优化的熔体保温静置处理工艺，并结合合理的熔体冷却方式，实现合金的有效纯化，具体工艺步骤为：

1） 将精炼处理后且化学成分符合要求的合金熔体进行保温静置处理，熔体的保温温度为730-780℃，保温时间为30-100分钟；

2） 对熔炼炉断电，使合金液降温，并采取不同的冷却方式凝固熔体，获得所需的镁合金铸锭。

进一步，步骤2）熔炼炉断电后，熔体需30-40min降温至710-730℃，然后把熔体浇铸到结晶器中水冷凝固获得镁合金铸锭，浇铸过程中熔体的降温速率为45-60℃/min。

步骤2）熔炼炉断电后，对合金熔体直接采用风冷冷却而获得铸锭，熔体的降温速率为1.2-2.0℃/min。

本发明通过采用优化的熔体保温静置处理工艺参数，并辅以合理的凝固冷却方式而达到去除杂质的目的。在Mg-Zn-Zr系镁合金中，Zr是作为合金元素加入的。从相关相图可知，Zr能够与Fe、Si、Ni等杂质元素形成高熔点金属间化合物（如FeZr₂），这些化合物的密度明显高于镁液，这样在保温静置和冷却凝固过程中它们会逐渐下沉至坩埚底部。因而，在熔铸过程中优化熔体保温静置温度、时间及熔体冷却方式很重要，优化的工艺条件可以使熔体中杂质与Zr充分反应并有效沉降，从而显著提高合金的整体纯度。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1.本发明纯化效果明显：本发明通过优化熔体保温静置处理工艺参数，能够显著降低镁合金中Fe、Si、Ni等杂质含量，另外此纯化方法无需加入常规除杂熔剂，从而不会引入新的熔剂夹杂和杂质，避免了二次污染，可在镁合金中取得很好的整体纯化效果。

2.本发明操作简单、成本较低： 本发明利用常规镁合金熔铸技术，只需在熔体精炼之后增加优化的保温静置处理工艺，控制保温温度和时间，另外再选择适当的熔体冷却方式，即可达到降低杂质含量的目的，所用设备均为常规镁合金熔铸所涉及的通用工艺设备， 生产成本较低，在工业生产中易于实现。

3.本发明适用面广：本发明可适用于多种牌号商用镁合金体系，如 ZK系、AZ系、ZM系、AM系等。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1

采用常规重力铸造方法熔铸Mg-Zn-Zr镁合金。

1）原材料采用镁锭、锌锭及Mg-28%Zr中间合金，合金元素的设计成分为5.8％Zn和0.65％Zr；

2）在石墨坩埚中熔炼，升温将纯镁熔化，温度为740-750℃时，加入锌锭及Mg-Zr中间合金，合金化完成后搅拌合金液使成分均匀；

3）合金液在750-760℃温度下进行精炼，精炼时间为5 min左右，之后除渣；

4）炉前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后继续下一步；

5）在730-740℃温度条件下，对熔体进行保温静置处理30min；

6）保温静置处理完毕后，断开熔炼炉电源，用电风扇对准炉膛吹风冷却熔体，45－60min后，熔体完全凝固获得镁合金铸锭，铸锭为近圆柱体，直径为120mm，高度为140mm。

在距离铸锭顶部10mm处取样，用光电光谱仪试样的化学成分，如表1所示。可以清楚地看出，Fe、Si、Cu、Ni 等杂质元素的含量含量非常低。Fe含量只有0.0005％，杂质元素总含量仅为0.0088％。这是由于Zr能与Fe、Si、Cu、Ni等元素形成高熔点金属间化合物（如FeZr₂），这些化合物的密度明显高于镁，这样在静置和冷却凝固过程中它们会逐渐下沉至熔炼坩埚底部，从而使合金得以显著纯化。

实施例2

采用半连续铸造技术制备Mg-Zn-Zr镁合金。

1）原材料为镁锭、锌锭和Mg-28%Zr中间合金，合金元素的设计成分为5.5％Zn和0.6％Zr；

2）在钢制坩埚中熔炼，升温将纯镁熔化，温度为760-770℃时，加入锌锭及Mg-Zr中间合金，合金化完成后搅拌合金液使成分均匀；

3）合金液在750-760℃温度下进行精炼，精炼时间为3-5min左右，之后除渣；

4）炉前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后继续下一步；

5）在750-760℃温度条件下，对熔体进行保温静置处理30min；

6）保温静置处理完毕后，断开熔炼炉电源，熔体降温至720-730 ℃，在结晶器中浇注，采用水冷方式凝固获得镁合金铸棒，铸棒直径90mm，长度1.5m。

采用光电光谱仪测量合金的化学成分，结果如表1所示。可以看到制备的合金纯度高，Fe、Si、Ni、Cu等杂质含量少，杂质元素总含量低小于0.00631%，纯化的内在机理与实施1相同。

实施例3

采用半连续铸造技术制备Mg-Zn-Zr镁合金。

与实施例2不同之处只在于制备工艺步骤5）中的熔体静置时间，此合金熔体的保温静置时间为45min。

获得的镁合金铸锭化学成分分析结果如表1所示。可见此合金的纯度高，常见杂质元素量很少，Fe杂质含量为0.0013%，合金的杂质元素总含量小于0.00425%，比实施例2更低，适当延长保温静置时间更有利于杂质元素沉降，从而纯化效果更明显。

实施例4

采用半连续铸造技术制备Mg-Zn-Zr镁合金。

与实施例2不同之处只在于制备工艺步骤5）中的熔体静置时间，此合金熔体的保温静置时间为60min。

化学成分分析结果如表1所示。可以看到此合金的纯度高，合金的杂质元素总含量小于0.0049%。

实施例5

采用半连续铸造技术制备Mg-Zn-Zr镁合金。

与实施例2不同之处只在于制备工艺步骤5）中的熔体静置时间，此合金熔体的保温静置时间为75min。

化学成分分析结果如表1所示。可以看到此合金的纯度高，合金的杂质元素总含量小于0.00632%。

比较例1

重庆大学王敬丰等人公开了“一种提高强度变形镁合金阻尼性能的塑性加工工艺”（专利号为CN200810070092.5）,所涉及的镁合金为采用半连续铸造技术制备的Mg-Zn-Zr合金，该合金的杂质含量为0.020%。

比较例2

上海交通大学杜林等人公开了一种“Mg-Zn-Zr变形镁合金制备方法”（专利号为CN200710046148.9），制备的Mg-Zn-Zr镁合金纯度较低，总杂质含量高达0.022%。

表1 不同保温静置工艺制备的ZK60镁合金杂质成分(wt%)

合金	静置温度	静置时间	冷却方式	Si	Fe	Cu	Ni	总杂质含量
									实施例1	730-740℃	30 min	风冷	0.007	0.0005	0.0008	0.0005	0.0088
实施例2	750-760℃	30 min	水冷	0.0032	0.0020	0.00061	<0.0005	0.00631
									实施例3	750-760℃	45 min	水冷	0.0020	0.0013	0.00045	<0.0005	0.00425
实施例4	750-760℃	60 min	水冷	0.0023	0.0016	0.00050	<0.0005	0.0049
									实施例5	750-760℃	75 min	水冷	0.0032	0.0020	0.00062	<0.0005	0.00632
比较例1	---	---	---	---	0.005	0.015	0.002	0.022
									比较例2	---	---	---	---	---	---	---	0.020

从表1可以看出，本发明所述的实施例1-5制备的Mg-Zn-Zr镁合金纯度高，其杂质含量仅为0.00425-0.0088%，明显低于比较例1和2获得的镁合金杂质含量，这说明本发明提出的熔体处理方法有效地去除了合金中存在的Fe、Si、Ni、Cu等杂质，而采用常规镁合金熔铸工艺并不能取得等同的效果。

通过上述实施例可知，普通商用镁合金通过本发明所述的纯化处理工艺，可显著地提高合金熔体的纯度，成功获得了高品质的镁合金铸锭。经本发明所述的熔体纯化处理工艺处理后的高纯度镁合金应用范围广泛，可满足轨道车辆、汽车、航空航天和国防军工等领域对高品质轻量化材料的实际需求。而且，本发明操作简单，所用工艺设备为常规通用设备，成本较低，易于操作。

由于篇幅的原因，本发明仅以典型的高强度变形镁合金Mg-Zn-Zr合金为实施对象，但并不排除本发明方法对其他类型的镁合金具有等同的效果。例如对于AZ系、ZM系或AM系镁合金，Mn是作为合金元素加入，根据相关相图可知，Mn能够与Fe、Si、Ni等杂质元素形成高熔点金属间化合物（如 MnFe、(Fe,Mn)Al₃），这些化合物密度也明显高于镁，通过优化的保温静置处理工艺，它们同样会沉降至熔体坩埚底部，从而使合金得以纯化。因而，本发明所述工艺的适用面广，能适用与ZK系、AZ系、ZM系或AM系等多种牌号的商用镁合金体系。

Claims (2)

1.一种纯化镁合金的新工艺，其特征在于：针对Mg-Zn-Zr镁合金，在常规镁合金熔铸工艺基础之上，不额外添加任何除杂熔剂，只通过采用优化的熔体保温静置处理工艺，实现合金的有效纯化，具体工艺步骤为：

采用常规重力铸造方法熔铸Mg-Zn-Zr镁合金；

1）原材料采用镁锭、锌锭及Mg-28%Zr中间合金，合金元素的设计成分为5.8％Zn和0.65％Zr；

2）在石墨坩埚中熔炼，升温将纯镁熔化，温度为740-750℃时，加入锌锭及Mg-Zr中间合金，合金化完成后搅拌合金液使成分均匀；

3）合金液在750-760℃温度下进行精炼，精炼时间为5 min左右，之后除渣；

4）炉前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后继续下一步；

5）在730-740℃温度条件下，对熔体进行保温静置处理30min；

6）保温静置处理完毕后，断开熔炼炉电源，用电风扇对准炉膛吹风冷却熔体，45－60min后，熔体完全凝固获得镁合金铸锭，铸锭为近圆柱体，直径为120mm，高度为140mm。

2.一种纯化镁合金的新工艺，其特征在于：针对Mg-Zn-Zr镁合金，在常规镁合金熔铸工艺基础之上，不额外添加任何除杂熔剂，只通过采用优化的熔体保温静置处理工艺，实现合金的有效纯化，具体工艺步骤为：

采用半连续铸造技术制备Mg-Zn-Zr镁合金；

1）原材料为镁锭、锌锭和Mg-28%Zr中间合金，合金元素的设计成分为5.5％Zn和0.6％Zr；

2）在钢制坩埚中熔炼，升温将纯镁熔化，温度为760-770℃时，加入锌锭及Mg-Zr中间合金，合金化完成后搅拌合金液使成分均匀；

3）合金液在750-760℃温度下进行精炼，精炼时间为3-5min左右，之后除渣；

4）炉前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后继续下一步；

5）在750-760℃温度条件下，对熔体进行保温静置处理30－75min；

6）保温静置处理完毕后，断开熔炼炉电源，熔体降温至720-730 ℃，在结晶器中浇注，采用水冷方式凝固获得镁合金铸棒，铸棒直径90mm，长度1.5m。