CN103331305A

CN103331305A - 复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法

Info

Publication number: CN103331305A
Application number: CN2013102256569A
Authority: CN
Inventors: 石琛; 毛大恒; 毛向辉
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN103331305B

Abstract

本发明提出一种新的镁合金板带的制备方法——复合能场作用下的非对称下沉式铸轧方法。该方法是将在氩气保护下精炼好的镁合金熔体通过下沉式安装的非对称铸嘴引入到具有电磁/超声复合能场的铸轧机辊缝中，在电磁/超声复合能场的搅拌与振动冲击作用、镁熔体在铸轧区的爬坡回流搅拌作用、轧辊强制冷却与轧制变形作用下，强化铸轧区的传热、传质和能量转换，实现晶核增殖，改变凝固行为，连续铸轧出镁合金板带。本发明制备出的镁合金板带板面光洁，边部整齐，组织及力学性能良好，且整个生产流程短、效率高，产品成本低、质量好，适合批量制备镁合金板带。

Description

复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，可以实现工业化生产，该方法可广泛应用于镁合金板带的制备。

背景技术

镁是世界上储量最丰富的常用金属元素之一，我国在镁资源的开发利用方面具有得天独厚的优势，已成为镁的资源大国、生产大国和出口大国。纯镁在添加了Al、Zn、Mn、Zr合金及稀土元素后，可产生固溶强化、细晶强化、时效强化以及过剩强化作用，使得镁合金具有高比强度、比刚度、耐磨性、减振性、电磁屏蔽性以及易切削性和易回收性等优良的综合性能。目前，镁合金已成为汽车、航空、电子传输等行业重要的新型结构材料，消耗量急剧上升。但是，镁合金为密排六方晶体结构，滑移系少，室温塑性差，变形加工困难，限制了镁合金产品的应用与发展。

目前，镁合金板带的主流制备方法是铸锭-热轧-温轧，该工艺路线生产成本高，能耗大，而且容易对环境造成污染。连续铸轧成形方法可以直接把镁合金熔体一次铸轧成具有少量塑性变形、较薄的镁合金板带，具有短流程、低成本的特点。但是，在常规的双辊连续铸轧过程中，镁合金凝固较快，容易造成凝固不均匀，形成成分偏析，薄带产品品质较差，其性能与铸锭-热轧板相比有一定差距，并且由于铸轧速度慢（1.5m/min ~1.8m/min），单机生产量小，制备效率较低。

中南大学毛大恒等通过在镁合金常规铸轧过程中施加电磁/超声复合能场发现，超声波的空化作用和声流扰动作用及电磁场的搅拌扰动作用，使铸轧区的温度场和流场更加均匀，并对生长中的粗大枝晶产生剪切、破碎作用，从而增加了形核率，达到细化晶粒的效果，铸轧镁板带的力学性能有一定提高。由于常规铸轧的铸嘴为对称式结构，铸嘴前端与上、下轧辊贴合在一起，只能通过在铸嘴上板开孔插入工具头才能将超声波能场施加到凝固前沿，这种施加方式使得超声波工具头的倾斜角度小（≤15°），超声波能场对凝固前沿的作用区域小，无法有效传输超声波能量，因此难以获得高品质的镁合金板带，而且这种方法也无法实现大幅提速，其制备效率较低。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于实现双辊连续铸轧中电磁/超声复合能场的高效利用和铸轧速度的显著提升，提出一种电磁/超声复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法。该方法生产流程短、效率高，生产成本低、质量好，适合批量制备镁合金板带。

一种复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，包括以下步骤：

一、按照镁合金的组分比例配制镁合金，置于封闭的电阻熔化炉中，在物料顶部均匀洒上一层覆盖剂，并在氩气保护下加热熔化，获得镁合金熔体；

二、待物料溶化后，在熔体的表面加入精炼剂，进行搅拌除渣和除气，随后静置15～20分钟，得到精炼好的镁合金熔体；

三、将精炼好的镁合金熔体经过预热后的高温流道进入前箱，经超声波预处理，随后通过下沉式安装的非对称铸嘴引入到具有电磁/超声复合能场的铸轧机辊缝中，保持合适的液面高度，连续铸轧出2.0mm～9.0mm厚的镁合金板带（铸轧过程中喷涂润滑剂）。

在所述步骤一中，镁合金熔体温度为710℃～715℃，熔化过程采用覆盖剂和氩气保护，取消传统的SF₆气体，对环境无污染，对设备无腐蚀，熔炼成本低。

在所述步骤一中，覆盖剂的成分为：氯化镁50～60%，氯化钾15～20%，氯化钠15～20%，氯化钙2～10%。在所述步骤二中，精炼剂的成分为：氯化镁50～60%，氯化钾15～20%，氯化钠15～20%，氯化钙2～8%，氟化钙2～5%。

在所述步骤三中，前箱温度保持在680℃～685℃之间，液面高度保持高出轧制中心线3-5mm。

在所述步骤三中，铸嘴上下板不对称，上铸嘴板不与铸轧辊接触，且有一定的空缺，上铸嘴板比下铸嘴板短15mm～20mm。铸嘴采用氧化铝、氧化镁和石棉混合后的压制烧结材料，内表面涂有一层氮化硼。

在所述步骤三中，铸嘴安装时其中心面比轧制中心线低4-6mm，镁熔体与下轧辊先接触，且其接触导热面积比传统对称式铸轧增大50%-60%。

在所述步骤三中，电磁场通过励磁电流产生，并被引导至凝固前沿，励磁电流为三相电流，换相周期为1个完整波形，电流强度为8A～12A，中心频率为13HZ，随机变化频率范围±2 HZ；预处理超声波的工具头竖直安装在前箱靠近熔体出口处，其功率为400W～500W，频率为20kHZ±100HZ；辊缝中凝固前沿的超声波工具头为倾斜安装，倾斜角度可在20°～50°间自由调整，超声功率为300W～400W，频率为20kHZ±200HZ。

在所述步骤三中，轧辊在铸轧前预先进行烘烤处理，在铸轧过程中喷涂纳米WS₂润滑剂。

在所述步骤三中，铸轧镁合金板带时速度为2.5 m/min～6.0m/min，辊缝为1.5 mm～8.0mm。

本发明具有如下特点：

1）上铸嘴板不与铸轧辊接触，且有一定的空缺，超声波发生器前端更接近凝固前沿，且倾斜角度可自由调整，超声波能场可有效作用于凝固前沿，有利于超声波能场的高效利用。此外，铸嘴的非对称式结构能使镁熔体在上轧辊处充分与外界对流释放热量，而且有利于熔体内有害气体（氢气）的排出；

2）铸嘴中心面比轧制中心线比低，镁熔体与下轧辊接触导热面积大于常规的对称式铸轧，能进一步加大镁熔体与下轧辊内冷却水的对流换热，其导热速度明显大于常规对称式铸轧，有利于铸轧速度的提升；而且镁熔体流入铸轧区时会发生爬坡回流现象，在铸轧区内造成搅拌作用，从而起到细化晶粒的作用。

3）镁合金铸轧中引入电磁/超声复合能场，能对铸轧过程的流场产生搅拌与振动冲击作用，提高镁合金熔体与轧辊的接触强度，强化熔体的凝固相变及动态形核过程，获得细小的晶粒组织与优良的力学性能。

4）在铸轧前对轧辊进行烘烤，铸轧过程中喷涂纳米WS₂润滑剂成功解决了粘辊问题，保证整个铸轧过程顺利进行。

5）采用电磁/超声复合能场作用下的非对称下沉式铸轧方法制备镁合金板带，极大地缩短了工艺流程，相比铸锭-热轧方法，可节能60～70%，成材率提高30%-40%，生产成本减少60%以上。

附图说明

图1复合能场作用下非对称下沉式铸轧示意图；

图2 非对称下沉式示意图；

图3为常规铸轧镁合金板的法向面金相；

图4为复合能场作用下非对称下沉式铸轧镁合金板的法向面金相；

图5为常规铸轧镁合金板的横截面金相；

图6为复合能场作用下非对称下沉式铸轧镁合金板的横截面金相；

图7为常规铸轧镁合金板的纵截面金相；

图8为复合能场作用下的非对称下沉式铸轧镁合金板的纵截面金相。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，这将有助于对本发明及其优点的进一步理解，这些实例不作为对本发明的限定，本发明的保护范围由权利要求书来决定。

实施例1：

按照AZ31B合金的组分配比，取镁锭（工业纯镁）90Kg、工业纯铝2750g、纯锌910g，放入熔化炉1中进行熔化，温度为710℃，并加入1.0%的覆盖剂和通氩气3保护，防止与空气接触燃烧，覆盖剂成分质量百分含量为：氯化镁55%，氯化钾15%，氯化钠18%，氯化钙12%。待物料溶化后，在熔体2的表面加入0.6%的精炼剂，进行搅拌除渣和除气，精炼剂成分质量百分含量为：氯化镁55%，氯化钾15%，氯化钠20%，氯化钙5%，氟化钙5%。在镁合金精炼的同时，加热流道4及前箱5至610℃，待镁合金熔炼完成后保温20分钟，使得熔体各部分的温度均匀，倾转熔化炉1，使镁合金熔体进入流道4和前箱5，控制熔体流量，使得前箱中熔体液面保持在高出轧制中心线5mm处，然后从过桥7流入非对称铸嘴8（上铸嘴板比下铸嘴板短15mm，铸嘴中心面比轧制中心线低4mm），并在电磁12/超声波9能场的作用下进入轧辊10辊缝的铸轧区（辊缝为4.0mm），经过冷却水的急速冷却以及轧制力的作用，得到稳定、连续的4.7mm厚的镁合金板带11，铸轧速度为2.6 m/min。电磁发生器12的励磁电流为三相电流，换相周期为1个完整波形，电流强度为10A，中心频率为13HZ，行波磁场占60%，脉振磁场占40%，所用预处理超声波6功率为500W，频率为20kHZ; 辊缝中凝固前沿超声波发生器9倾斜角度为45°，功率为300W，频率为20kHZ。冷却水压力为0.5MPa，流量80L/min。

实施例2：

按照AZ31B合金的组分配比，取镁锭（工业纯镁）90Kg、工业纯铝2800g、纯锌920g，放入熔化炉1中进行熔化，温度为715℃，并加入0.8%的覆盖剂和通氩气3保护，防止与空气接触燃烧，覆盖剂成分质量百分含量为：氯化镁60%，氯化钾18%，氯化钠15%，氯化钙7%。待物料溶化后，在熔体2的表面加入0.5%的精炼剂，进行搅拌除渣和除气，精炼剂成分质量百分含量为：氯化镁58%，氯化钾15%，氯化钠17%，氯化钙5%，氟化钙5%。在镁合金熔炼的同时，加热流道4及前箱5至615℃，待镁合金熔炼完成后保温15分钟，使得熔体各部分的温度均匀，倾转熔化炉1，使镁合金熔体进入流道4和前箱5，控制熔体流量，使得前箱中熔体液面保持在高出轧制中心线4mm处，然后从过桥7流入非对称铸嘴8（上铸嘴板比下铸嘴板短20mm，铸嘴中心面比轧制中心线低5mm），并在电磁12/超声波9能场的作用下进入轧辊10辊缝的铸轧区（辊缝为3.5mm），，经过冷却水的急速冷却以及轧制力的作用，得到稳定、连续的4.0mm厚的镁合金板带11，铸轧速度为3.0 m/min。电磁发生器12的励磁电流为三相电流，换相周期为1个完整波形，电流强度为12A，中心频率为13HZ，行波磁场占70%，脉振磁场占30%；预处理超声波6功率为400W，频率为20kHZ; 辊缝中凝固前沿超声波发生器9倾斜角度为50°，功率为400W，频率为20kHZ。冷却水压力为0.6MPa，流量95L/min。

金相组织观察表明（图3-图8）：

（1）常规铸轧板带枝晶网胞发达，二次枝晶间距为15~20μm，平均晶粒尺寸（直径）约为120μm左右。

（2）复合能场作用下的非对称下沉式铸轧板带枝晶网胞明显退化，部分脱落的初生枝晶演变成块条状或颗粒状细晶，而部分未被碎断的枝晶，产生一定的塑性变形，使晶体演变成弯曲变形的菊花状或垂柳树枝状。平均晶粒尺寸（直径）约为15μm左右。

力学性能测试结果表明（表1-表2）：

（1）复合能场作用下的非对称下沉式铸轧板带的抗拉强度比常规铸轧板带提高18.5％，比热轧板提高11.7 %；屈服强度比常规铸轧板带提高27.8％，比热轧板提高4.7%；延伸率比常规铸轧板带提高28.9% ，只略低于热轧板。

（2）复合能场作用下的非对称下沉式铸轧板带的硬度值比常规铸轧板带的硬度值提高72.4％，比热轧板的硬度值提高45.1 %。

表1 AZ31B镁合金铸轧板带拉伸试验结果：

表2 AZ31B镁合金铸轧板带硬度测试结果（试验条件：HV-1000；载荷：0.245N）

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定

。

Claims

1.一种复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，其特征在于包括以下步骤：

A．按照镁合金的组分比例配制镁合金，置于封闭的电阻熔化炉中，在物料顶部均匀洒上一层覆盖剂，并在氩气保护下加热熔化，获得镁合金熔体；

B、待物料溶化后，在熔体的表面加入精炼剂，进行搅拌除渣和除气，随后静置15～20分钟，得到精炼好的镁合金熔体；

C、将精炼好的镁合金熔体经过预热后的高温流道进入前箱，经超声波预处理，随后通过下沉式安装的非对称铸嘴引入到具有电磁/超声复合能场的铸轧机辊缝中，保持合适的液面高度，连续铸轧出2.0mm～9.0mm厚的镁合金板带。

2.根据权利要求1所述的复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，其特征在于：所述的非对称铸嘴，铸嘴上下板不对称，上铸嘴板不与铸轧辊接触，且有一定的空缺，上铸嘴板比下铸嘴板短15mm～20mm，超声波发生器可在20°～50°间的倾斜角度范围内对凝固前沿施加超声波能场。

3.根据权利要求1所述的复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，其特征在于：铸嘴安装时其中心面比铸轧板出口中心面低4-6mm，镁熔体与下轧辊先接触，接触面积比传统对称式铸轧增大50%-60%。

4.根据权利要求1所述的复合能场作用下非对称下沉式铸轧制备镁合金板带的方法，其特征在于：铸轧镁合金板带的速度为2.5～6.0m/min ，辊缝为1.5 mm～8.0mm。