一种稀土镁合金的生产工艺
技术领域
本发明属于金属材料及冶金领域,具体涉及一种稀土镁合金的生产工艺。
背景技术
随着全球能源危机的日益严重,汽车使用量逐年增加,庞大的汽车制造对能源的消耗成为了突显的问题,另一方面人们对生存环境的高度重视,与之相应的环境法规逐渐严格,使的汽车减重节能的呼声高涨,轻量化已成为汽车发展的主要方向。而镁合金作为一种轻质金属结构材料,具有较高的比强度、比刚度、阻尼系数低、减振性能好、易切割和易于回收等优点,使其成为汽车工业选用的减重材料。稀土元素对镁合金耐腐蚀性能的提高极为显著,一方面稀土元素的加入细化了合金相αMg,另一方面生成了新的稀土合金相Mg17Ce2,提高了合金的耐腐蚀性能,同时稀土元素合金相也能提高合金材料的高温耐热性能。在传统生产工艺过程中,采取合金化、稀土化、浇铸在一锅内进行的方式,因添加成分熔点差异,精炼、浇铸温度变化等造成杂质不易分离,成分不均匀,稀土元素利用率低,析出的稀土相不均匀,偏析多,对质量影响较大。因此,开发一种生产工艺用来来提高稀土元素的利用率和合金化成分,降低生产成本,提高合金坯料的品质显得极其的重要。
发明内容
本发明为了解决传统生产工艺过程中,采取合金化、稀土化、浇铸在一锅内进行的方式,合金的杂质不易分离,成分不均匀,稀土元素利用率低,析出的稀土相不均匀,偏析多,对质量影响较大等问题,提供了一种稀土镁合金的生产工艺。
本发明是由以下技术方案实现的:一种稀土镁合金的生产工艺,熔化锅内进行合金元素的添加、精炼、用六氯乙烷脱气剂脱气;静置30min后转注入第二锅内并添加稀土,然后静置、浇铸。
具体步骤为:
1.熔化炉装置的加热清理:加热坩埚,加入2-3kg的2#熔剂;待坩埚加热到暗红色时,将埚底部及周围全部清理,确保坩埚内无合金、无氧化物杂质;
2.称取500kg的镁锭并预热到180-220℃,加入熔化炉中熔化2.5-3.5h;
3.镁锭熔化后,熔化炉温度升高为670-690℃,加入9.5kg温度为180℃的锌锭和4.8kg的氯化锰,然后升高熔化炉温度到720-740℃,安装机械搅拌装置搅拌,搅拌速度为50r/min搅拌20min,然后再调整搅拌速度为60r/min搅拌10min;
4.添加2#熔剂,然后30r/min搅拌进行精炼3-5min,取出搅拌装置;
5.将7kg温度为80-120℃的六氯乙烷脱气剂用预热到80-120℃的钟罩罩住推入锅底进行脱气5-10分钟,然后人工扒渣,操作人员要做好防毒及液体飞溅防护;
6.720℃静置30分钟后取样,用直读式光谱仪检测其化学成份,确定反应结束;
7.压力为0.03-0.04MPa下按照低压转注方式用移液管把熔化炉内80%的液体移入铸造炉内并添加3.3kg温度为180-220℃的镁铈稀土合金,人工搅拌5-10min后静置5min;
8.静置后的液体用半连续铸造法浇注到9英寸的结晶器中结晶特种合金坯料,待浇铸量达到总浇铸锅的85%后停止浇铸。
所述2#熔剂组分及其重量百分含量为:MgCL2:48%,KCl:37%,BaCl2:8%,CaF2:2%,NaCl:5%;所述氯化锰含量为所加原料的0.1-1.2%,即起到了除铁的作用,同时又能增加合金的力学性能;步骤6中所述镁铈稀土合金中稀土含量为30%;步骤7中合金液浇注的速度、时间根据特种合金坯料的直径大小而定;步骤8浇铸过程中冷却用水足量,温度保持在20-50℃,用CO2和或SF6气体保护。
所述低压转注方式以及半连续铸造法为本领域技术人员公知的技术。
采用“两锅法加脱气”工艺,即合金化和稀土化用锅分离,在熔化锅内进行合金元素添加,精炼、脱气;在第二锅内进行稀土添加、静置及浇铸。通过一次精炼后控制杂质含量Fe、Cu和Si<0.01%,Mn:0.05-0.5%,Ce:0.1-0.4%,Zn:1.6-2.4%。使用六氯乙烷脱气剂来除去气体杂质,经二次转注后在浇注前30min加入稀土合金;均匀化和细化合金液。
采用本发明所述的合金化和稀土化用锅分离,使用六氯乙烷脱气剂除去气体杂质且用半连续浇铸法生产的棒材,表面平整,无冷隔,无缩孔,内部结晶致密。经测试:抗拉强度290Mp,屈服强度260Mp,延伸率10%,优于一般合金标准;金相组织均匀稳定,晶界清晰。
使用两锅法和脱气剂组合方式保证了以下几点:1.产品浇铸时实现无熔剂浇注,避免熔剂对产品的腐蚀;2.两次转注,保证产品与锅底沉降物分离,确保了产品纯度;3.采取低压转注方式,保证了棒材产品从头到尾成分及性能的一致性;4.采取六氯乙烷脱气的方式,避免产品在炼制过程中携带水分和气体杂质,保证了浇铸产品无气孔和缩孔现象的发生,并且降低晶粒大小,可使晶粒减小10%左右;5.循环水温的控制和浇铸速度的设定,保证了产品晶粒大小的稳定和产品外观光滑无褶皱,坯料整体过程无不良应力发生,保证物理性能的均衡;6.在通过稀土Ce元素在合金凝固过程中形成稳定的金间化合物,细化了合金的晶粒度,并析出了非常稳定的弥散相,不仅提高了组织的硬度,也提高了耐腐蚀性能。稀土元素的添加对和合金成分及组织性能的改善有较强的作用,但是在添加过程中严格控制避免和熔剂接触。
附图说明
图1:采用传统工艺铸造的AZ80金相图;
图2:采用本发明所述方法铸造的ZE20金相图。
具体实施方式
实施例1
一种稀土镁合金的生产工艺,具体步骤为:
1.熔化炉装置的加热清理:加热坩埚,加入2kg的2#熔剂,待坩埚加热到暗红色时,从埚底部及周围进行全部清理,确保坩埚内无合金、无氧化物等杂质;
2.准确称取500kg的优质镁锭并预热到180℃,加入熔化炉中熔化3h;
3.镁锭熔化后,熔化炉温度升高为680℃,加入9.5kg温度为180℃的锌锭和4.8kg的氯化锰,然后升高熔化炉温度到720℃,安装机械搅拌装置搅拌,搅拌速度为50r/min搅拌20min,然后再调整搅拌速度为60r/min搅拌10min;氯化锰含量必须控制在0.09-0.1%之间,这即起到了除铁的作用,同时又能增加合金的力学性能;
4.添加2#熔剂,然后用30r/min搅拌5min进行精炼处理,取出搅拌装置;
5.将7kg温度为120℃的六氯乙烷脱气剂用预热到120℃的钟罩罩住推入锅底进行脱气5分钟,人工扒渣,操作过程中操作人员要做好防毒及液体飞溅防护;
6.720℃静置30分钟后取样,用直读式光谱仪检测其化学成份,所测结果显示重量百分比含量为:Al:0.0058,Zn:1.8761,Mn:0.4144,Si:0.0055,Fe:0.0043,Ni:0.0004,Cu:0.0010,确定反应结束;
7.压力为0.03MPa下按照低压转注方式用移液管把熔化炉内80%的液体移入铸造炉内并添加3.3kg温度为180℃的镁铈稀土合金,人工搅拌10min后静置5min;
8.合金液以76mm/min的速度用半连续铸造法浇注到9英寸的结晶器中结晶特种合金坯料,浇铸时间为1h,待浇铸量达到总浇铸锅的85%后停止浇铸。
所用2#熔剂组分及其重量百分含量为:MgCL2:48%,KCl:37%,BaCl2:8%,CaF2:2%,NaCl:5%;步骤6中所述镁铈稀土合金为30%;步骤8浇铸过程中冷却用水足量,温度保持在20℃,用CO2和或SF6气体保护。
实施例2
一种稀土镁合金的生产工艺,具体步骤为:
1.熔化炉装置的加热清理:加热坩埚,加入3kg的2#熔剂,待坩埚加热到暗红色时,从埚底部及周围进行全部清理,确保坩埚内无合金、无氧化物等杂质;
2.准确称取500kg的优质镁锭并预热到200℃,加入熔化炉中熔化2.5h;
3.镁锭熔化后,熔化炉温度升高为670℃,加入9.5kg温度为180℃的锌锭和4.8kg的氯化锰,然后升高熔化炉温度到740℃,安装机械搅拌装置搅拌,搅拌速度为50r/min搅拌20min,然后再调整搅拌速度为60r/min搅拌10min;氯化锰含量必须控制在0.09-0.1%之间,这即起到了除铁的作用,同时又能增加合金的力学性能;
4.添加2#熔剂,然后用30r/min搅拌3min进行精炼处理,取出搅拌装置;
5.将7kg温度为100℃的六氯乙烷脱气剂用预热到100℃的钟罩罩住推入锅底进行脱气10分钟,人工扒渣,操作过程中操作人员要做好防毒及液体飞溅防护;
6.720℃静置30分钟后取样,用直读式光谱仪检测其化学成份,所测结果显示重量百分比含量为:Al:0.0057,Zn:1.8760,Mn:0.4145,Si:0.0054,Fe:0.0044,Ni:0.0003,Cu:0.0011,确定反应结束;
7.压力为0.04MPa下按照低压转注方式用移液管把熔化炉内80%的液体移入铸造炉内并添加3.3kg温度为200℃的镁铈稀土合金,人工搅拌7min后静置5min;
8.合金液以76mm/min的速度用半连续铸造法浇注到9英寸的结晶器中结晶特种合金坯料,浇铸时间为1h,待浇铸量达到总浇铸锅的85%后停止浇铸。
所用2#熔剂组分及其重量百分含量为:MgCL2:48%,KCl:37%,BaCl2:8%,CaF2:2%,NaCl:5%;步骤6中所述镁铈稀土合金为30%;步骤8浇铸过程中冷却用水足量,温度保持在40℃,用CO2和或SF6气体保护。
实施例3
一种稀土镁合金的生产工艺,具体步骤为:
1.熔化炉装置的加热清理:加热坩埚,加入2.5kg的2#熔剂,待坩埚加热到暗红色时,从埚底部及周围进行全部清理,确保坩埚内无合金、无氧化物等杂质;
2.准确称取500kg的优质镁锭并预热到220℃,加入熔化炉中熔化3.5h;
3.镁锭熔化后,熔化炉温度升高为690℃,加入9.5kg温度为180℃的锌锭和4.8kg的氯化锰,然后升高熔化炉温度到730℃,安装机械搅拌装置搅拌,搅拌速度为50r/min搅拌20min,然后再调整搅拌速度为60r/min搅拌10min;氯化锰含量必须控制在0.09-0.1%之间,这即起到了除铁的作用,同时又能增加合金的力学性能;
4.添加2#熔剂,然后用30r/min搅拌4min进行精炼处理,取出搅拌装置;
5.将7kg温度为80℃的六氯乙烷脱气剂用预热到80℃的钟罩罩住推入锅底进行脱气7分钟,人工扒渣,操作过程中操作人员要做好防毒及液体飞溅防护;
6.720℃静置30分钟后取样,用直读式光谱仪检测其化学成份,所测结果显示重量百分比含量为:Al:0.0059,Zn:1.8762,Mn:0.4143,Si:0.0056,Fe:0.0042,Ni:0.0005,Cu:0.0010,确定反应结束;
7.压力为0.036MPa下按照低压转注方式用移液管把熔化炉内80%的液体移入铸造炉内并添加3.3kg温度为220℃的镁铈稀土合金,人工搅拌5min后静置5min;
8.合金液以76mm/min的速度用半连续铸造法浇注到9英寸的结晶器中结晶特种合金坯料,浇铸时间为1h,待浇铸量达到总浇铸锅的85%后停止浇铸。
所用2#熔剂组分及其重量百分含量为:MgCL2:48%,KCl:37%,BaCl2:8%,CaF2:2%,NaCl:5%;步骤6中所述镁铈稀土合金为30%;步骤8浇铸过程中冷却用水足量,温度保持在50℃,用CO2和或SF6气体保护。
所制备的含铈稀土镁合金棒材金相图如附图2所示。经检测,其抗拉强度为290Mp,屈服强度为260Mp,延伸率为10%,优于一般合金标准;通过稀土元素Ce在合金凝固过程中形成稳定的金间化合物,细化了合金的晶粒度,并析出了非常稳定的弥散相,不仅提高了组织的硬度,也提高了耐腐蚀性能;其表面光滑平整,无冷隔,无气孔和缩孔,内部结晶致密,金相组织均匀稳定,金界清晰。