CN103820662A - 一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法 - Google Patents
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Abstract
一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，包括如下步骤，1）利用摩擦搅拌工艺对镁-锆中间合金进行预变形处理；2）镁合金熔铸，按目标合金的化学成分需求，计算熔炼所需各中间合金包括经预变形处理的镁-锆中间合金的重量配比；采用常规镁合金熔炼方法，将除镁-锆合金之外的其它中间合金按次序熔化，然后将经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金添加到上述熔体中，搅动熔体促进合金成分均匀；目标合金熔体经静置和除渣后浇铸、凝固制成铸锭。本发明通过使用实用高效的预变形工艺来均匀和细化镁-锆中间合金基体中的锆颗粒，以增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织的细化功效，同时提高锆的利用率以降低镁合金的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金熔炼与铸造技术，特别涉及一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法。
背景技术
微量元素锆(Zr)通常被用作晶粒细化剂添加到不含铝的镁合金中以均匀细化合金铸造组织（D.H.StJohn，P.Cao，M.Qian and M.A.Easton，"ANew Analytical Methodology for the Assessment of Grain Refinement inMagnesium Alloys"，Proceedings of the7th International Conference onMagnesium Alloys and Their Applicatins，Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA，Weinheim，2007，p189）。这是由于：
[1]锆和镁具有相同的晶体结构和相近的晶格常数；
[2]溶解入熔体的锆元素具有很高的晶粒生长阻碍因子(GrowthRestriction Factor，GRF)，这对低锆含量（低于包晶成分点）镁合金铸态组织细化非常重要；
[3]当锆含量较高（高于包晶成分点）时，熔体里的锆颗粒与熔体发生包晶反应生成固态镁。此时，锆颗粒起形核促进剂作用。研究表明，锆颗粒对不含铝的镁合金铸态组织均匀细化受颗粒几何形状、尺寸大小和分布密度影响。当锆颗粒尺寸分布介于1～5微米，且几何形状呈多面体状时，其对合金铸态组织的细化尤为有效（P.Saha and S.Viswanathan，"AnAnalysis of the Grain Refinement of Magnesium By Zirconium"，MagnesiumTechnology2011，TMS2011，p175）。
现有工艺中，富含锆的镁-锆中间合金绝大多数情况下直接与其他中间合金及原镁按一定重量配比熔炼制备具有目标成分的镁合金熔体。合金熔体在浇铸冷却后形成铸件或锭坯。一般情况下，在镁-锆中间合金基体中，锆颗粒尺寸粗大（远大于5微米）且多呈聚集态分布，其对合金铸态组织细化作用有限。另外，由于锆的比重大约是镁的四倍，当镁-锆中间合金在熔炼时加入熔体中和在随后的熔体静置除渣阶段，尺寸粗大的锆颗粒会沉入坩埚底部而成为熔渣，从而在很大程度上降低锆的利用率。再者，即使尺寸较大的锆颗粒没有成为熔渣，而是随熔体一道被浇铸后进入铸坯，这些粗大锆颗粒的存在会影响锭坯的可加工性和加工产品的机械性能。
近年来，轧制和等径道转角挤压（Equal Channel Angular Extrusion，ECAE）工艺被用来探索预变形镁-锆中间合金对镁合金铸造组织细化的增强作用（S.Viswanathan，P.Saha，D.Foley and K.T.Hartwig，"Engineeringa More Efficient Zirconium Grain Refinement for Magnesium"，MagnesiumTechnology2011，TMS2011，p559）。通常情况下镁-锆中间合金基体中锆含量较高，合金可轧制变形性能低。因此，轧制预变形工艺对中间合金中锆颗粒均匀和细化作用有限，进而使得轧制预变形后的锆颗粒对合金铸造组织细化作用也有限。等径道转角挤压工艺存在的主要缺点是变形材料（即镁-锆中间合金）与模具之间存在剧烈摩擦作用，目前很难被应用于大规模的工业生产中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，通过使用实用高效的预变形工艺来均匀和细化镁-锆中间合金基体中的锆颗粒，以增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织的细化功效，同时提高锆的利用率以降低镁合金的生产成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，包括步骤：
1)利用摩擦搅拌加工工艺对镁-锆中间合金进行预变形处理；
使用搅拌头，该搅拌头上设搅拌针和轴肩，搅拌头上搅拌针以不低于400转/分钟转速首先从镁-锆中间合金块的一个表面的一端插入，直至搅拌头轴肩紧紧压在镁-锆中间合金块的该表面上；然后，旋转的搅拌头12以不高于2米/分钟的线速度向材料的另一端匀速行进，并且在行进过程中搅拌头的轴肩和镁-锆中间合金块的该表面始终保持紧密接触；由于搅拌头对中间合金材料的摩擦剪切和挤压作用，行进的搅拌头身后形成条带状变形区；在一个变形加工道次结束之后，将搅拌头沿侧向移动一定距离，重复上述摩擦搅拌加工过程；为保证相邻道次的变形区重叠，搅拌头的侧向移动距离应为搅拌针的回转直径；依次侧向移动搅拌头，重复摩擦搅拌变形加工过程，直至整块镁-锆中间合金被完全变形加工；
2)镁合金熔铸
按目标合金的化学成分需求，计算熔炼所需的各中间合金包括经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金的重量配比；采用常规的镁合金熔炼方法，在气体保护或熔剂保护以及合金熔化温度条件下，首先将除镁-锆合金之外的其它中间合金按次序熔化，然后将经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金添加到上述熔体中，搅动熔体促进合金成分均匀；目标合金熔体经过一定时间静置和除渣后，浇铸凝固制成铸锭。
进一步，步骤1）中，镁-锆中间合金从一个表面完全变形加工后，对镁-锆中间合金从另一个表面同样做摩擦搅拌加工。
利用摩擦搅拌加工工艺对镁-锆中间合金施加预变形，均匀和细化中间合金基体中锆颗粒至锆颗粒尺寸小于5μm。
又，所述的搅拌头包括轴肩和搅拌针，轴肩呈凸形、凹形或平面形状；搅拌针为带有螺纹的圆柱体、倒圆台或三棱柱体。
另外，所述的搅拌头轴肩与搅拌针的回转直径比不小于2.0，搅拌头上搅拌针的长度为镁-锆合金块厚度的0.5～1倍。
又，所述的保护熔剂为MgCl2、或KCl或BaCl2中的一种以上与CaF2的混合物。
另外，所述的保护气体为CO2、或SO2或SF6；或者，SF6与CO2混合气体、或SF6与N2混合气体；混合气体中SF6的体积百分数不超过1%。
本发明可以应用于镁合金的模铸、半连续铸造和薄带连铸工艺中。
本发明的有益效果：
镁-锌和镁-稀土系列合金（即不含铝的镁合金）越来越广泛地应用于汽车、航空航天和军工工业中，其产品形态包括板材产品、型材产品和铸态产品。上述系列合金通常具有以下一种或多种特性：良好的变形加工性能、较高的强度和拉压强度对称性、良好的抗蠕变性能。一般地，在熔铸上述系列合金时，通过添加镁-锆中间合金来细化目标合金铸造组织、减小热裂和提高合金机械性能。
现有工艺中，富含锆的镁-锆中间合金直接与其他中间合金按一定重量配比熔铸制成具有目标成分的镁合金铸锭。在镁-锆中间合金基体里，锆颗粒尺寸粗大且多呈聚集状分布，锆对合金铸态组织细化作用有限，并且锆的利用率较低。
本发明利用了有效且易于工业实现的摩擦搅拌加工预变形工艺，在合金熔炼前均匀和细化镁-锆中间合金基体中的锆颗粒，以增强锆元素对镁合金铸造组织细化功效。具体地说，所产生的有益效果包括：
1.摩擦搅拌加工预变形工艺过程和所用装备简单。工艺装备（即搅拌头）对镁-锆中间合金施加剧烈剪切变形，受变形的中间合金材料不会阻碍搅拌头的行进，因而预变形工艺可以连续进行下去。
2.预变形工艺有效均匀和细化镁-锆中间合金基体中的锆颗粒，增加了锆在合金熔体里的溶解和锆颗粒做为形核剂的功效，促进均匀细小铸造组织的形成。另外，摩擦搅拌加工预变形工艺还适用于预先细化处理除锆之外可作为形核促进剂的其它颗粒。
3.细化锆颗粒可以有效减少其在合金熔体静置除渣阶段从熔体中直接沉淀析出变成熔渣，从而增加锆利用率和降低合金成本。
4.目标合金中均匀细化的铸造组织和锆颗粒有助于提高目标合金的塑性变形深加工能力和加工产品的机械性能。
5.本发明方法可以应用于镁合金的模铸、半连续铸造和薄带连铸工艺中。
附图说明
图1为本发明用于增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的工艺流程图。
图2为本发明摩擦搅拌加工预变形工艺过程的示意图。
图3为本发明预变形前中间合金基体中锆颗粒尺寸分布示意图。
图4为本发明预变形后中间合金基体中锆颗粒尺寸分布示意图。
图5为本发明Mg-Zr中间合金未经预处理的示意图。
图6为本发明Mg-Zr中间合金经摩擦搅拌加工预处理的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1、图2，本发明增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，包括，1）利用摩擦搅拌加工工艺对镁-锆中间合金进行预变形处理；使用搅拌头12，该搅拌头12上设搅拌针122和轴肩121，搅拌头12上搅拌针122以不低于400转/分钟转速首先从镁-锆中间合金块10的一端插入，直至搅拌头12轴肩121紧紧压在镁-锆中间合金块10的上表面14上；然后，旋转的搅拌头12以不高于2米/分钟的线速度向材料的另一端匀速行进，并且在行进过程中搅拌头12的轴肩121和镁-锆中间合金块10的上表面14始终保持紧密接触；由于搅拌头12对中间合金材料的摩擦剪切和挤压作用，行进的搅拌头12身后形成条带状变形区16；在一个变形加工道次结束之后，将搅拌头12沿侧向移动一定距离，重复上述摩擦搅拌加工过程；为保证相邻道次的变形区重叠，搅拌头12的侧向移动距离应为搅拌针12的回转直径；依次侧向移动搅拌头12，重复摩擦搅拌变形加工过程，直至整块镁-锆中间合金10上表面14被完全变形加工；2）镁合金熔铸，按目标合金的化学成分需求，计算熔炼所需的各中间合金包括经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金的重量配比；采用常规的镁合金熔炼方法，在溶剂保护或气体保护和合金熔化温度条件下，首先将除镁-锆合金之外的其它中间合金按次序熔化，然后将经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金添加到上述熔体中，搅动熔体促进合金成分均匀；目标合金熔体经过一定时间静置和除渣后，浇铸凝固制成铸锭。
实施例
经摩擦搅拌加工预处理的Zr颗粒对NZ30镁合金（Mg-3.0wt%Nd-0.2wt%Zn）铸造组织的细化功效。制备上述Mg-Nd-Zn-Zr合金需要用到的单质金属和中间合金有：工业纯镁、金属锌、镁-锆中间合金(Mg-25wt%Zr)和镁-钕中间合金。
1、镁-锆中间合金的预处理
如图2所示，利用摩擦搅拌加工工艺对富含锆的块状镁-锆合金做预变形处理。所用搅拌头12上搅拌针121的长度略小于镁-锆合金块的厚度，以保证镁-锆中间合金块沿厚度方向被充分变形加工。实施例中搅拌头12的旋转速度和行进线速度分别为800转/分钟和120毫米/分钟。
图3、图4所示为摩擦搅拌加工预变形工艺前、后镁-锆中间合金基体中锆颗粒尺寸分布变化示意图。由于受剧烈的摩擦搅拌剪切作用，镁-锆中间合金基体中原先含有的粗大（远大于5微米）且多呈聚集状分布的锆颗粒被显著细化，并且均匀分布在中间合金基体里。
2、Mg-Nd-Zn-Zr合金的熔铸
在保护气氛和合金熔化温度条件下，将工业纯镁、金属锌、镁-钕中间合金和镁-锆中间合金按一定重量配比和先后添加次序冶炼浇铸制成Mg-Nd-Zn-Zr合金锭。其中，Nd和Zn的成分分别约为3.0wt%和0.2wt%。
图5、图6所示为Zr的添加量为1.0wt%时NZ30合金的铸态组织。
当Mg-Zr中间合金在熔铸前未经任何预处理，NZ30铸态合金的晶粒尺寸按截距法测量为80μm，如图5所示。
当Mg-Zr中间合金在熔铸前经上述摩擦搅拌变形加工工艺预处理，NZ30铸态合金的晶粒尺寸按截距法测量为59μm，如图6所示。
两者相比较，摩擦搅拌加工预处理增强Zr对NZ30镁合金铸造组织的细化功效达26%。可以预见，为获得相同的细化功效，摩擦搅拌加工预处理可以显著减少Mg-Zr中间合金的添加量，从而降低合金的制造成本。
本发明提出了一种简单有效的工艺路线，用于增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织的细化功效和提高镁-锆中间合金的利用率。工艺路线中包含的摩擦搅拌加工预变形工艺所使用的装备简单，变形过程易于实现。另外，该方法可以应用于不含铝的镁合金的模铸、半连续铸造和薄带连铸工艺中。因此，本发明具有广泛的应用前景和很高的经济性。
Claims (8)
1.一种增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，包括，
1)利用摩擦搅拌加工工艺对镁-锆中间合金进行预变形处理；
使用搅拌头，该搅拌头上设搅拌针和轴肩，搅拌头上搅拌针以不低于400转/分钟转速首先从镁-锆中间合金块的一个表面的一端插入，直至搅拌头轴肩紧紧压在镁-锆中间合金块的该表面上；然后，旋转的搅拌头12以不高于2米/分钟的线速度向材料的另一端匀速行进，并且在行进过程中搅拌头的轴肩和镁-锆中间合金块的该表面始终保持紧密接触；由于搅拌头对中间合金材料的摩擦剪切和挤压作用，行进的搅拌头身后形成条带状变形区；在一个变形加工道次结束之后，将搅拌头沿侧向移动一定距离，重复上述摩擦搅拌加工过程；为保证相邻道次的变形区重叠，搅拌头的侧向移动距离应为搅拌针的回转直径；依次侧向移动搅拌头，重复摩擦搅拌变形加工过程，直至整块镁-锆中间合金被完全变形加工；
2)镁合金熔铸
按目标合金的化学成分需求，计算熔炼所需的各中间合金包括经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金的重量配比；采用常规的镁合金熔炼方法，在气体保护或熔剂保护以及合金熔化温度条件下，首先将除镁-锆合金之外的其它中间合金按次序熔化，然后将经摩擦搅拌加工预变形处理的镁-锆中间合金添加到上述熔体中，搅动熔体促进合金成分均匀；目标合金熔体经过一定时间静置和除渣后，浇铸凝固制成铸锭。
2.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，步骤1）中，镁-锆中间合金从一个表面被完全变形加工后，对镁-锆中间合金从另一个表面同样做摩擦搅拌加工。
3.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，利用摩擦搅拌加工工艺对镁-锆中间合金施加预变形，均匀和细化中间合金基体中锆颗粒至锆颗粒尺寸小于5μm。
4.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，所述的搅拌头包括轴肩和搅拌针，轴肩呈凸形、凹形或平面形状；搅拌针为带有螺纹的圆柱体、倒圆台或三棱柱体。
5.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，所述的搅拌头轴肩与搅拌针的回转直径比不小于2.0，搅拌头上搅拌针的长度为镁-锆合金块厚度的0.5～1倍。
6.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，所述的保护熔剂为MgCl2、或KCl或BaCl2中的一种以上与CaF2的混合物。
7.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，所述的保护气体为CO2、或SO2、或SF6；或者，SF6与CO2混合气体、或SF6与N2混合气体；混合气体中SF6的体积百分数不超过1%。
8.如权利要求1所述的增强锆元素对不含铝的镁合金铸造组织细化功效的方法，其特征是，可以应用于镁合金的模铸、半连续铸造和薄带连铸工艺中。
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