CN103691909A

CN103691909A - 一种铝/镁固液复合铸造成型方法

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Publication number: CN103691909A
Application number: CN201410007459.4A
Authority: CN
Inventors: 张济山; 李宏祥; 刘君城; 胡江; 庄林忠
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN103691909B

Abstract

本发明一种铝/镁固液复合铸造成型方法。步骤如下：将厚度为3~10mm的铝合金管材机加到指定规格，经机械处理和化学清洗去除其内外表面的油污及氧化物后，置于空气炉中预热到150~450℃，采取CO₂+0.5%SF₆气氛保护熔炼，浇铸温度660~760℃；将熔铸模具在井式电阻炉中预热到450~650℃，保持20min；待模具预热完成后将其取出，将熔融的镁合金浇入其中，并将达到预热温度的铝包套置入镁合金液中；迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中完成冷却。本发明通过固液复合铸造的方法将镁合金和铝合金冶金结合，所得到的复合铸件兼具铝合金的耐腐蚀性和镁合金的低密度、优良减震降噪等性能。

Description

一种铝/镁固液复合铸造成型方法

技术领域

本发明涉及一种铝/镁固液复合铸造成型方法，属于材料加工工程技术领域。

背景技术

镁合金具有密度低、比强度高、减震性能好、易于机械加工、电磁屏蔽及抗辐射性能好、铸造性能良好等一系列的优势，却因为其耐腐蚀性和室温变形能力差而限制了其广泛的使用。铝合金相对于镁合金，耐磨性和耐腐蚀性方面都具有一定优势。因此，在镁合金表面包覆一层铝合金，可获得兼具铝合金和镁合金优势的铝/镁合金复层材料。目前铝/镁复层材料的制备主要依靠轧制复合、扩散连接、爆炸复合和搅拌摩擦焊等工艺。王宏等公开了一种铝包镁线材轧制复合制备方法，在镁合金线材的外部包覆有铝合金层（公开号：CN102642344A）。李亚江等公开了一种通过叠合焊接后460~520℃扩散反应，制备镁/铝金属复合板的方法，获得了无裂纹、无脆性化合物得镁/铝扩散复合板（公开号：CN101518848A）。王进华等公开了一种铝合金和镁合金叠层板爆炸复合制备方法（公开号：CN101992345A）。游国强等公开了一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法（公开号：CN102689090A）。但是，这些工艺存在工序复杂，成材率低，界面结合强度低，制件尺寸受限，工艺参数控制困难，无法实现大规模生产等问题。

采用铸造复合法复合铝/镁合金的工艺相对简单，界面结合强度大，成材率较高，因而获得广泛的关注。大连理工大学采用静态复合铸造的工艺制备外层为1060铝合金、内层为AZ91镁合金的铝/镁复层铸锭。[Song X Y, Sun J B, Zhong D S. Study on Al/Mg compound materials by solid-liquid bonding method, Materials Research Innovations, 2012, 16(1): 51-55]。其工艺步骤如下：（1）将浇铸温度为700℃的1060铝金属浇入模具内。（2）凝固35s后，将剩余未凝熔体倒出，获得外层铝合金凝固壳。（3）铝合金凝壳外表面在空气中冷却到400℃后，将浇铸温度为637℃的镁合金熔体浇注至凝固壳。（4）施加电磁搅拌或直接空冷至复层铸锭完全凝固，随后铸锭同一高度获得宏观及微观试样。这种工艺工序复杂，对操作者经验要求较高，且无法控制形成的铝凝壳的表面温度，再者顶部浇铸的方式无法控制镁液的温度均匀，导致界面反应层不均匀。而且采用空冷冷却方式获得的反应层都较厚，超过了2mm，有大量裂纹及孔洞等缺陷产生，界面结合质量差，界面结合强度较低。西南大学李坊平等公开了一种铸造铝包镁复合铸锭的制备方法（公开号：CN102350492A）。其工艺步骤如下：（1）将厚度为1~3mm的铝和铝合金板材经氩弧焊方法连续焊接成一侧开口的预制铝板盒；所述铝板包覆层厚度占包铝镁合金复合铸锭总厚度的10%-20%；（2）预热的铝板盒型腔经机械打磨、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；（3）采用井式电阻炉并通入CO₂+0.5%SF₆保护气氛熔炼镁合金芯材，浇注温度660-720℃；（4）将预热的铝板盒装卡在自制模具中，再将熔融镁合金液浇注于铝盒型腔，冷却后即得包铝镁合金复合铸锭。工艺较为复杂，操作不便，且无法保证铝盒所有部位和模具紧密接触，且顶部浇铸时熔体流动不均匀，无法保证薄且均匀的界面反应层宽度，裂纹和孔洞等缺陷较多，甚至出现铝盒局部熔穿的现象，并且制件尺寸受到限制。

发明内容

本发明的内容是克服现有技术的不足，用固-液复合法制备铝镁复合铸件，旨在解决现有工艺制备铝镁复合铸件存在的工艺复杂，重复性差，产品形状和尺寸受到限制，界面反应层厚且不均匀，裂纹和孔洞等缺陷较多，界面结合强度不高等问题。

本发明的技术方案是：一种铝/镁固液复合铸造成型方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将厚度为3~10mm的铝合金管材经机加工得到预设尺寸的铝包套，备用；

步骤2：将步骤1预制的铝包套内外表面经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行预热处理，预热温度为150~450℃，备用；

步骤3：将镁合金采用井式电阻炉并通入CO₂+0.5%SF₆保护气氛进行熔炼，得到镁合金熔体，将镁合金熔体冷却到温度为660~760℃，保温备用；

步骤4：将熔铸模具放入温度稳定的井式电阻炉中预热，预热温度为450~650℃，时间为20min；

步骤5：将步骤3得到镁合金熔体浇注到步骤4处理后的熔铸模具中，并迅速将步骤1处理后的铝包套置入熔融的镁合金熔体中；

步骤6：迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中冷却。

进一步，所述步骤1中的铝合金管材为纯铝系列、铝-铜系列、铝-锰系列、铝-锌系列、铝-镁系列或铝硅系列合金。

进一步，所述步骤2中机械处理为1200#号砂纸打磨；所述化学清洗为依次使用浓度为5%的NaOH溶液、去离子水、浓度为5%的盐酸溶液、去离子水和无水乙醇。

进一步，所述步骤3中镁合金铸锭为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金。

进一步，所述步骤4中的熔铸模具为碳钢、铸铁或石墨。

进一步，所述步骤5中采用置入方式为正向压入铝包套；或者，向铝包套中反向压入镁合金熔体。

进一步，所述步骤6中的熔铸模具应迅速放入水中并不断搅拌以获得大的冷却速度，待界面凝固后要放回空气中继续冷却。

本发明的特点是避免了由于铝和镁界面处发生反应后产生大量低熔点的液相，作为铝和镁元素快速扩散的通道长时间存在，导致反应层不均匀且较厚的问题。本发明通过水淬加强冷却强度，从而迅速导出热量，有效控制界面反应层厚度。

采用本发明制备的铸件界面反应层薄且均匀，裂纹及孔洞等缺陷少，结合强度高，其剪切强度超过20MPa。

附图说明

图1是铝镁复合铸件复合界面宏观形貌。

图2是界面剪切强度测试负荷-变形曲线。

图3是铝镁复合界面反应层微观组织形貌。

图4是铝镁复合铸造过程示意图。

图中：

1为镁熔体，2为铝包套，3为模具。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

铝合金牌号及成分：

6061铝合金，其质量分数：Fe≤0.7%，Si 0.4-0.8%，Cu 0.15-0.4%，Mn≤0.15%，Mg 0.8-1.2%，Zn≤0.25%，其余为Al。

镁合金牌号及成分：

AZ31镁合金锭，其质量分数：含Al 3.06%，Zn 1.18%，Mn 0.47%，Si 0.016%，Cu≤0.002%，Fe≤0.002%，Ni≤0.0001%，其余为Mg。

具体步骤：

（1）将尺寸为Φ50×7.5mm（外径为50mm，壁厚为7.5mm）的6061铝合金管经机加工得到尺寸为Φ49×7×60mm的包套。

（2）对预制的铝包套内外表面经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行450℃预热处理。机械处理为将铝包套依次用400#，600#，800#，100#，1200#号砂纸进行打磨，使预制铝包套表面平整光滑；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗铝包套表面，去除表面油污及氧化物。

（3）采用井式电阻加热炉，低碳钢坩埚熔炼镁合金，在熔炼过程中通入CO₂+0.5%SF₆保护气氛。将计量好的AZ31镁合金加热至720℃熔化后搅拌1~2min，静置保温30min后出炉并除渣。待温度冷却至680℃进行浇铸。

（4）将模具放入温度为500℃的井式电阻炉中，预热20min。

（5）待模具预热完成后将其取出，然后往其中先浇入熔融镁合金，并迅速将达到预设预热温度的铝包套置入熔融的镁合金液中。采用往镁液中置入铝包套的工艺，相当于将镁液从底部浇铸到铝包套周围，使得镁熔体均匀地流动在铝包套周围。

（6）迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中冷却。

得到的铝镁复合铸件复合界面宏观形貌如图1所示，整个界面反应层薄且均匀，裂纹和孔洞等缺陷少。对铸件进行剪切强度测试，图2为剪切强度测试负荷-变形曲线，显示其剪切强度为20.4MPa。

实施例2：

铝合金牌号及成分：

3003铝合金，其质量分数：Fe≤0.7%，Si≤0.6%，Cu 0.05-0.2%，Mn 1.0-1.5%， Zn≤0.15%，其余为Al。

镁合金牌号及成分：

具体步骤：

（1）将尺寸为Φ50×7.5mm（外径为50mm，壁厚为7.5mm）的3003铝合金管经机加工得到尺寸为Φ49×7×60mm的包套。

（2）对预制的铝包套内外表面经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行450℃预热处理。机械处理为将铝包套依次用400#，600#，800#，1000#，1200#号砂纸进行打磨，使预制铝包套表面平整光滑；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗铝包套表面，去除表面油污及氧化物。

（3）采用井式电阻加热炉，低碳钢坩埚熔炼镁合金，在熔炼过程中通入CO₂+0.5%SF₆保护气氛。将计量好的AZ31镁合金加热至770℃熔化后搅拌1~2min，静置保温30min后出炉并除渣。待温度冷却至760℃进行浇铸。

（4）将模具放入温度为500℃的井式电阻炉中，预热20min。

得到的铝镁复合铸件复合界面反应层比实施例1稍厚，如图3所示，且未见裂纹和孔洞等缺陷。

以上各实施例所采用的铝镁复合铸造过程如图4所示。

Claims

1. 一种铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤3：将镁合金采用井式电阻炉并通入CO₂+0.5%SF₆保护气氛进行熔炼，得到镁合金熔体，将镁合金熔体冷却到温度660~760℃，保温备用；

步骤5：，将步骤3得到镁合金熔体浇注到步骤4处理后的熔铸模具中，并迅速将步骤1处理后的铝包套置入熔融的镁合金熔体中；

2.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤1中的铝合金管材为纯铝系列、铝-铜系列、铝-锰系列、铝-锌系列、铝-镁系列或铝硅系列合金。

3.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤2中机械处理为1200#号砂纸打磨；所述化学清洗为依次使用浓度为5%的NaOH溶液、去离子水、浓度为5%的盐酸溶液、去离子水和无水乙醇。

4.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤3中镁合金铸锭为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金。

5.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤4中的熔铸模具为碳钢、铸铁或石墨。

6.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤5中采用置入方式为正向压入铝包套；或者，向铝包套中反向压入镁合金熔体。

7.如权利要求1所述的铝/镁固液复合铸造成型方法，其特征在于：所述步骤6中的熔铸模具应迅速放入水中并不断搅拌以获得大的冷却速度，待界面凝固后要放回空气中继续冷却。