CN103820665B - 镁合金熔体多级复合净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁合金熔体多级复合净化方法；集精炼熔剂净化、旋转喷吹气体净化、泡沫陶瓷过滤净化于一体，即在镁合金熔体采用熔剂净化的同时进行旋转喷吹气体处理，然后在熔体浇注时采用泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化。其中，熔剂净化能去除镁合金熔体较大的夹杂物，同时吹气搅拌具有出色的除气能力，并且引入的惰性气体或氮气的气泡能使悬浮于镁合金熔体中的夹杂物快速上浮到熔体表面，有效去除熔体中的夹杂物特别是微小夹杂物。而泡沫陶瓷过滤净化可进一步滤掉合金熔体中的微细夹杂物颗粒和液态熔剂夹杂，大幅度提高了镁合金的品质，而且该方法还促进了镁合金成分的均匀化。同时，本发明的方法简单，操作方便，适合实验和工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属熔体处理技术领域，具体涉及一种镁合金熔体多级复合净化方法。
背景技术
我国是世界上镁矿资源最富有的国家，中国工程院在2005年《我国富有资源镁及镁合金发展战略研究报告书》中指出，金属镁以其本身特有的资源、性能、环境和价格优势成为21世纪我国材料工业持续发展的必然选择。由于镁合金具有密度小、比强度和疲劳强度高、比弹性模量好以及优良的切削加工性能，使镁合金在一系列国防尖端领域及日常制造业中被广泛应用，譬如，汽车减重节能和环保的要求推动镁合金在汽车领域的大规模开发应用。随着对镁合金研究的不断深入，人们发现镁合金较低纯净度已成为制约镁合金应用的关键瓶颈之一，尤其是氧化等夹杂成为破坏力学性能和腐蚀性能的发源地。镁合金内较高的夹杂物含量不仅限制镁合金材料潜力的发挥，而且还大大降低镁合金材料的成型性能及耐蚀性。因此，有必要采取净化措施来提高镁熔体的纯净度，提升镁合金的品质。这对于促进镁合金产业发展，具有重要意义。
镁合金净化方法有很多种，可以简单地分为两类，即精炼熔剂净化和非熔剂净化，其中非熔剂净化又包括升华精炼净化、电解法精炼净化、过滤净化、电磁净化、气体净化等。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利ZL200510110205.6公开了一种含镧镁合金复合净化熔剂及其生产方法，净化熔剂的化学组成除了30～50％氯化镁、15～25％氯化钠、15～25％氯化钾、2～7％氯化钙、3～7％氯化钡外，还加入了5～15％碳酸镧和5-15％四硼酸钾；而中国发明专利ZL200510110204.1公开了一种含铈镁合金复合净化熔剂及其生产方法，净化熔剂的化学组成除了30～50％氯化镁、15～25％氯化钠、15～25％氯化钾、2～7％氯化钙、3～7％氯化钡外，还加入了5～15％碳酸铈和5～15％四硼酸钾。这两种精炼熔剂均对镁合金熔体内的夹杂物有较强的吸附性，能有效去除镁熔体中的夹杂物。但是精炼熔剂净化存在金属损耗增加、熔剂夹杂、不能去气等不足，尤其在熔炼稀土镁合金时，对精炼熔剂成分要求严格。同时，随着汽车对镁合金熔体质量和性能要求的提高，单独采用精炼熔剂净化仍难获得满足要求的镁合金熔体。
泡沫陶瓷过滤净化是一种高效非熔剂净化方法。泡沫陶瓷过滤器是由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构，它的过滤机理比较复杂，泡沫陶瓷过滤片对夹杂物的捕捉有以下作用：过滤作用，在过滤片的各个孔洞口处阻挡夹杂物颗粒；沉淀作用，金属熔体通过过滤片时，一些很细小夹杂物颗粒即沉淀于过滤片内部的一些角落而去除；吸附作用，泡沫陶瓷过滤器内壁对固态微细夹杂或液态夹杂可吸附去除。这些机制的综合作用，可使泡沫陶瓷过滤达到极好的效果。不过，由于镁合金的非熔剂净化工艺针对性强，无法同时达到既高效去杂、又除气的目的。因此，迫切需要开发一种镁合金熔体精炼熔剂净化与非熔剂净化结合的多级复合净化方法，以达到既除气又去夹杂的目的，尽可能提高镁合金的质量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种镁合金熔体多级复合净化方法；本发明的方法集精炼熔剂净化、旋转喷吹气体净化、泡沫陶瓷过滤净化于一体，大幅度提高镁合金熔体的纯净度。即在镁合金熔体采用熔剂净化的同时进行旋转喷吹气体处理，然后在熔体浇注时采用泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化。其中，熔剂净化能去除镁合金熔体较大的夹杂物，同时吹气搅拌具有出色的除气能力，并且引入的惰性气体或氮气的气泡能使悬浮于镁合金熔体中的夹杂物快速上浮到熔体表面，有效去除熔体中的夹杂物特别是微小夹杂物。而泡沫陶瓷过滤净化可进一步滤掉合金熔体中的微细夹杂物颗粒和液态熔剂夹杂。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种镁合金熔体多级复合净化方法，所述方法包括在镁合金熔体的精炼熔剂净化的同时进行旋转喷吹气体处理，而后在熔体浇注时进行泡沫陶瓷过滤净化的步骤。
优选地，所述旋转喷吹气体处理具体为：采用旋转喷头向镁合金熔体通入惰性气体或氮气。
优选地，所述方法包括如下步骤：
A、将镁合金原材料置入有SF6／CO2、SO2／CO2、CO2／Ar、二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护的熔炉中熔化；
B、在炉温升至720℃～750℃时加入精炼熔剂，并把具有旋转叶片的喷吹装置放入镁合金熔体中开始旋转并通入惰性气体或氮气进行所述旋转喷吹气体处理(该旋转喷吹气体形成的涡流把精炼熔剂旋入镁合金熔体中)；
C、在对镁合金熔体进行常规的静置一定时间并扒渣去皮后于设定温度浇注到模具中，并在模具浇道口处放置泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化。
优选地，步骤A中，通SF6／CO2、SO2／CO2、CO2／Ar、二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体的出气口不接触镁合金熔体液面。
优选地，步骤B中，所述精炼剂为RJ2(2号精炼熔剂)、RJ6(6号精炼熔剂)、JDMJ(交大镁合金精炼剂)、美国Dow230、美国Dow220、德国ElrasalB或德国ElrasalC。
优选地，步骤B中，所述惰性气体为氩气。
优选地，步骤B中，所述精炼熔剂添加量为熔体质量的0.5～5％。更优选为1～2％。
优选地，步骤B中，所述喷吹装置的吹头孔径0.05～1mm，旋转喷吹转子转速为0～400转／分钟。更优选吹头孔径0.1～0.2mm，转速50～300转／分钟。转速太低不利于气泡的破碎，影响小气泡在熔体中的弥散程度，夹杂的吸附能力以及除气能力就会大大降低；转速太高则会导致熔体的涡流太大，导致熔体的吸气，降低除气效率。最优选转速为100～200转／分钟。
优选地，步骤B中，所述喷吹装置的喷吹气体流速为0.1～10升／分钟，喷吹气体时间为1～60分钟。更优选喷吹气体流速为1～9升／分钟，喷吹气体时间为15～25分钟。流速太低，不利于熔剂在熔体中的分散，净化不完全；流速太高，熔体表面会出现沸腾翻滚，导致氧化渣再次进入熔体。吹气时间太短，精炼过程不能完全进行，时间太长则会导致熔体表面氧化严重。最优选喷吹气体流速为1～2.5升／分钟，喷吹气体时间为10～30分钟。
优选地，步骤C中，所述镁合金熔体在旋转喷吹气体处理结束后静置保温时间为5～25分钟，并降温至铸造温度，扒渣、去皮，陶瓷过滤后铸造成型。
优选地，步骤C中泡沫陶瓷过滤器的材质为SiC、Al2O3、ZrO2或MgO，或由SiC、Al2O3、ZrO2和MgO混合组成，所述混合组成中SiC、Al2O3、ZrO2和MgO的质量百分比含量依次为5～15％、80～65％、5～15％、10～5％。
优选地，步骤C中泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～30ppi(ppi为每线性英寸孔的数目)。更优选为10～30ppi。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明创新性地集精炼熔剂净化、旋转喷吹气体净化、泡沫陶瓷过滤净化于一体，在高效去除镁熔体中非金属夹杂物颗粒的同时，实现了泡沫陶瓷吸附去除液态熔剂夹杂及微小夹杂的目的，具有镁合金熔体复合净化效果，大幅度提高了镁合金的品质。
2、在本发明的方法中，通入熔体的气体和旋转喷吹转子本身造成局部过冷促进熔体形核，气体在熔体中运动打碎最初形成的枝晶，带动晶核在熔体中分布均匀，气流仅有轻微搅拌作用，不容易造成氧化夹杂和熔体污染。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为仅进行精炼熔剂单独净化处理AZ91金的T6态金相组织照片；
图2为经本发明多级复合净化方法处理AZ91镁合金的T6态金相组织照片；
图3为仅进行精炼熔剂单独净化处理Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金的T6态金相组织照片；
图4为经本发明多级复合净化方法处理Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金的T6态金相组织照片；
图5为仅进行精炼熔剂单独净化处理ZK60镁合金的T6态金相组织照片；
图6为经本发明多级复合净化方法处理ZK60镁合金的T6态金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种镁合金AZ91的精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法；具体包括如下步骤：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将AZ91镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为1％精炼熔剂RJ2(2号精炼熔剂)。同时把具有旋转叶片的喷吹装置放入镁合金熔体中开始旋转并通入氩气或氮气，吹头孔径0.1mm，旋转喷吹转子转速为100转／分钟，吹气流量2升／分钟，喷吹气体时间为20分钟。喷吹结束后静置保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里，砂型模具浇道口处放置泡沫陶瓷过滤器，泡沫陶瓷过滤器的材质由5％SiC+80％Al2O3+5％ZrO2+10％MgO组成，泡沫陶瓷过滤器的孔径为10ppi。
传统方法：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将AZ91镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为1％精炼熔剂RJ2(2号精炼熔剂)进行净化处理，净化结束后保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里。
从不同熔体处理方法处理后T6态合金的微观组织图1和2并结合表1可以看出，相对传统的单独精炼熔剂净化方法，经本发明精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法处理的合金夹杂物更少，组织更均匀，同时由拉伸力学性能测试结果可知，采用本发明净化熔体后其抗拉强度和延伸率均比传统净化方法有所提高，分别提高了28MPa和1.3％。
实施例2
本实施例涉及一种高强耐热稀土镁合金Mg-10Gd-3Y-0.5Zr的精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法；具体包括如下步骤：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为1.5％精炼熔剂JDMJ(交大镁合金精炼剂)。同时把具有旋转叶片的常规喷吹装置放入镁合金熔体中开始旋转并通入氩气或氮气，吹头孔径0.2mm，旋转喷吹转子转速为200转／分钟，吹气流量1升／分钟，喷吹气体时间为30分钟。喷吹结束后静置保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里，砂型模具浇道口处放置泡沫陶瓷过滤器，泡沫陶瓷过滤器的材质为Al2O3，泡沫陶瓷过滤器的孔径为20ppi。
传统方法：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为1.5％精炼熔剂JDMJ(交大镁合金精炼剂)进行净化处理，净化结束后保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里。
从不同熔体处理方法处理后T6态合金的微观组织图3和4并结合表1可以看出，相对传统的单独精炼熔剂净化方法，经本发明精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法处理的合金夹杂物更少，组织更均匀，同时由拉伸力学性能测试结果可知，采用本发明净化熔体后其抗拉强度和延伸率均比传统净化方法有所提高，分别提高了20MPa和0.8％。
实施例3
本实施例涉及一种传统商业镁合金ZK60的精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法；具体包括如下步骤：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将ZK60镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为2％精炼熔剂RJ6(6号精炼熔剂)。同时把具有旋转叶片的常规喷吹装置放入镁合金熔体中开始旋转并通入氩气或氮气，吹头孔径0.2mm，旋转喷吹转子转速为200转／分钟，吹气流量2.5升／分钟，喷吹气体时间为10分钟。喷吹结束后静置保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里，砂型模具浇道口处放置泡沫陶瓷过滤器，泡沫陶瓷过滤器的材质为MgO，泡沫陶瓷过滤器的孔径为30ppi。
传统方法：在SF6／CO2或SO2／CO2或CO2／Ar或二氟甲烷HFC-32或HFC134a(即C2H2F4)气体保护下将ZK60镁合金熔化后升温到720℃加入与熔体质量比为2％精炼熔剂RJ6(6号精炼熔剂)进行净化处理，净化结束后保温20分钟，之后降温至720℃，捞去合金液表面浮渣，然后浇注到砂型模具里。
从不同熔体处理方法处理后T6态合金的微观组织图5和6并结合表1可以看出，相对传统的单独精炼熔剂净化方法，经本发明精炼熔剂结合旋转喷吹气体和泡沫陶瓷过滤多级复合净化方法处理的合金夹杂物更少，组织更均匀，同时由拉伸力学性能测试结果可知，采用本发明净化熔体后其抗拉强度和延伸率均比传统净化方法有所提高，分别提高了27MPa和1.3％。
表1
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种镁合金熔体多级复合净化方法，其特征在于，所述方法包括在镁合金熔体的精炼熔剂净化的同时进行旋转喷吹气体处理，而后在熔体浇注时进行泡沫陶瓷过滤净化的步骤；
所述旋转喷吹气体处理具体为：采用旋转喷头向镁合金熔体通入惰性气体或氮气；
所述方法包括如下步骤：
A、将镁合金原材料置入有SF6/CO2、SO2/CO2、CO2/Ar、二氟甲烷或HFC134a气体保护的熔炉中熔化；
B、在炉温升至720℃～750℃时加入精炼熔剂，并把具有旋转叶片的喷吹装置放入镁合金熔体中开始旋转并通入惰性气体或氮气进行所述旋转喷吹气体处理；
C、在对镁合金熔体进行静置、扒渣去皮后于设定温度浇注到模具中，在模具浇道口处放置泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化；
步骤B中，所述精炼熔剂添加量为熔体质量的1％；
步骤B中，所述喷吹装置的吹头孔径为0.1mm，旋转喷吹转子转速为100转/分钟；
步骤B中，所述喷吹装置的喷吹气体流速为2升/分钟，喷吹气体时间为20分钟；
步骤C中，所述静置保温时间为5～25分钟，并降温至铸造温度，扒渣去皮，过滤净化后铸造成型；
步骤C中泡沫陶瓷过滤器的孔径为10ppi；
所述泡沫陶瓷过滤器的材质由SiC、Al2O3、ZrO2和MgO混合组成，所述混合具体为5％SiC+80％Al2O3+5％ZrO2+10％MgO；
所述镁合金的种类具体为AZ91镁合金。
2.如权利要求1所述的镁合金熔体多级复合净化方法，其特征在于，步骤A中，通SF6/CO2、SO2/CO2、CO2/Ar、二氟甲烷或HFC134a气体的出气口不接触镁合金熔体液面。
3.如权利要求1所述的镁合金熔体多级复合净化方法，其特征在于，步骤B中，所述精炼剂为RJ2、RJ6、JDMJ、Dow230、Dow220、ElrasalB或ElrasalC。
4.如权利要求1所述的镁合金熔体多级复合净化方法，其特征在于，步骤B中，所述惰性气体为氩气。
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