CN104001895A - 阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法；所述方法包括：前道常规的熔化、精炼、扒渣工序，后续的半固态浆料制备、半固态流变挤压铸造两个工艺工序；半固态浆料制备通过对阻燃镁合金熔体施加气泡搅拌实现，随后对获得的半固态浆料进行挤压铸造成形。实现了阻燃镁合金的半固态流变挤压铸造成形，不仅可使阻燃镁合金中初生相和第二相分别获得细化，铸件整体组织致密，铸件表面质量高，较大幅度地提升了产品的力学性能和表面质量；同时可使浇注温度从传统工艺的700℃左右大幅降低至600℃左右，能够降低能耗，减少对模具的冲击，而且减少了镁合金材料的氧化损失，提高了材料的利用率。

Description

阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法

技术领域

本发明属于金属材料半固态成形技术领域，具体涉及一种阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法。

背景技术

阻燃镁合金是镁合金领域研究的一个热点，通过向镁合金中加入一定量的阻燃合金元素，能够抑制镁合金的剧烈氧化和燃烧，实现在大气条件下的直接熔炼和加工。目前镁合金研究中常用的阻燃合金元素包括Ca、Be和稀土元素等。Ca是镁合金中常用的合金元素，对Mg-Ca二元合金阻燃效果的研究结果表明，含Ca为1wt％的镁合金起燃点可提高250℃；含Ca为5wt％的镁合金，其氧化膜即使在970℃的大气中暴露1小时后仍很薄并且表面光滑均匀。Ca在地球上储量非常丰富，来源广泛，成本低廉，并且由于Ca的密度很低(1.55g/cm³)，加入镁合金不会引起镁合金密度变大，因此，Ca是镁合金中合适的阻燃合金元素。

含Ca阻燃镁合金的传统生产工艺有：砂型铸造、金属型铸造和压力铸造。这些工艺主要存在两方面的不足：一是高温浇注时，晶粒粗大，在晶界处形成粗大网状第二相，严重影响合金力学性能；二是加入Ca元素后，镁合金熔体粘度增大，充型困难，难以获得形状完整的零件。因此，阻燃镁合金的应用受到了极大的限制。

半固态成形加工技术是在合金的液相线-固相线温度之间，对非枝晶固相与液相共存的两相浆料进行成形的技术。显然，半固态成形加工技术与传统的液态金属成形加工技术相比，具有以下诸多优点：铸件的氧化率低，裹气少，热收缩小，致密性高，可实现近终成形，模具热冲击小，节约能源等。半固态成形技术又分为触变成形和流变成形两条工艺路线。与触变成形相比，流变成形具有流程短、能耗低、成本低等优点。半固态流变挤压铸造是新近开发的一种半固态流变成形技术，即采用挤压铸造技术对获得的半固态浆料进行成形加工，该技术兼具半固态流变成形和挤压铸造的优点，是一种有潜力的半固态流变成形技术。

采用半固态流变挤压铸造技术制备含Ca阻燃镁合金，能够通过半固态浆料制备和挤压铸造分别实现初生相和第二相的细化，显著提高材料的力学性能；同时，半固态浆料在挤压铸造的高压下充型凝固，可以确保浆料充型完整，获得表面质量高的铸件。因此，采用半固态流变挤压铸造制备含Ca阻燃镁合金具有很好的应用前景，但是目前尚未见到适用于阻燃镁合金的半固态流变挤压铸造成形方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术及方法的不足，提供一种阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法。在阻燃镁合金凝固初期，施加气泡搅拌，获得半固态浆料，随后将半固态浆料转移至挤压铸造设备中，施加压力，使半固态浆料在压力下充型凝固。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，包括前道熔化、精炼、扒渣工序，以及后续半固态浆料制备、半固态流变挤压铸造工序，

所述的半固态浆料制备工序具体为：将镁合金熔体温度控制在该合金液相线温度T_L以上10℃～30℃以内，向镁合金熔体中通入惰性气体或氮气进行吹气搅拌处理，制得半固态浆料；

所述的半固态流变挤压铸造工序具体为：将所述半固态浆料浇注入挤压铸造模具中进行挤压铸造，保压，开模取件，获得阻燃镁合金成形件。

采用气泡搅拌制备镁合金半固态浆料，具有设备简单，处理时间短，浆料质量高等优点，能够迅速制备阻燃镁合金半固态浆料。

优选地，所用基础镁合金为Mg-Al系合金铸锭(AZ91、AM60、AM50等，Al含量为5～9wt.％，确保合金具有较好的流变性能)，Mg-Al系合金兼具较好的力学性能和铸造性能，因此选用Mg-Al系合金作为基础合金。添加了Ca作为阻燃元素，所述Ca元素占阻燃镁合金总重的质量百分比为1.5～3.0％。Ca元素含量过低时，阻燃效果不明显，Ca元素含量过高时，对合金铸造性能有较大的负面影响，因此，所选择Ca元素含量为1.5～3.0wt％。

优选地，所述熔化、精炼、扒渣工序具体为：在SF₆和CO₂混合气体保护条件下将所述基础镁合金融化，在700℃加入Ca，在730℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至610℃～630℃。

优选地，所述吹气搅拌是通过放置在镁合金熔体中喷吹装置来实现的；所述喷吹装置气体流量为2～8升/分钟；控制半固态浆料的冷却速度为5～15℃/分钟。气体流量高于8升/分钟，熔体易发生飞溅，不利于实验和生产安全；气体流量低于2升/分钟，搅拌强度不足，会导致半固态浆料质量恶化。此外，冷却速度高于15℃/分钟会引起浆料初生相的枝晶生长，低于5℃/分钟会引起初生相的异常粗化，这些都会导致浆料质量恶化。

优选地，所述浇注温度为液相线以下5℃～10℃。浇注温度在这一范围时，半固态浆料中初生固相具有适中的体积分数，保持较高的流动性。所述半固态浆料采用定量舀勺进行浇注；所述定量舀勺由不锈钢焊接而成。

优选地，所述挤压铸造模具预先加热至200℃～250℃，并在其表面喷涂脱模剂；

优选地，所述脱模剂为石墨油酸溶液。该脱模剂能够提供较好的润滑作用，有利于脱模。

优选地，所述挤压铸造工艺参数为：挤压速度为0.3～0.5mm/s，压力为80～120MPa，保压时间为20～50s。挤压速度高于0.5mm/s，易引起模具中的浆料飞溅，而挤压速度低于0.3mm/s，会导致在压力施加前浆料已凝固；压力高于120MPa，会损害设备，降低使用寿命，压力低于80MPa，不利于浆料充型完整和凝固；保压时间长于50s，同样不利于设备长期使用，保压时间少于20s，会发生浆料未完全凝固而压力已卸载的情况。

优选地，采用的挤压铸造设备为普通液压机或挤压铸造机。

本发明利用流变挤压铸造技术兼具半固态流变成形和挤压铸造工艺特点的优势，针对性地解决了阻燃镁合金凝固组织粗大和充型困难等难题，实现了阻燃镁合金的半固态流变挤压铸造成形。本发明的工艺技术可以代替传统铸造工艺，生产各种阻燃镁合金制品，如汽车发动机零件等。通过本发明可使阻燃镁合金中初生相和第二相分别获得细化，铸件整体组织致密，铸件表面质量高，较大幅度地提升了产品的力学性能和表面质量；同时，本发明可使浇注温度从传统工艺的700℃左右降低到600℃左右(取决于所用合金的液相线)，不仅能够降低能耗，减少对模具的冲击，而且减少了镁合金材料的氧化损失，提高了材料的利用率。此外，本发明工艺简单，流程短，设备投资小，成本低，其工艺的实用性较强，具有较好的应用前景。

与现有技术比较，本发明具有的有益效果为：

1、本发明采用半固态流变挤压铸造方法对含Ca阻燃镁合金进行成形，在半固态浆料制备过程中实现初生相的细化，在挤压铸造凝固过程中实现第二相的细化，使最终铸件获得较好的力学性能；

2、本发明中采用气泡搅拌制备阻燃镁合金半固态浆料，该工艺设备要求低，制浆工艺简单，处理时间短，浆料质量高；

3、本发明中阻燃镁合金半固态浆料在压力下充型并凝固，克服含Ca镁合金铸造性能差的缺点，充型过程中半固态浆料以层流形式流动，获得铸件整体组织致密，表面质量高，可进行后续热处理；

4、本发明采用半固态成形，浇注温度显著低于常规铸造，能显著降低熔炼过程中的能耗，延长模具寿命，并抑制镁合金熔体的氧化燃烧。

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为本发明所采用的气泡搅拌制备阻燃镁合金半固态浆料示意图；图中，1为Ar气喷头，2为热电偶，3为定量舀勺，4为合金熔体；

图2为常规铸造和半固态流变挤压铸造AZ91-1.5(wt.％)Ca镁合金显微组织对比示意图；

图3为常规压铸和半固态流变挤压铸造AM50-3.0(wt.％)Ca镁合金显微组织对比示意图。

具体实施方式

下面结合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。

本发明实施例所用基础镁合金为Mg-Al系合金铸锭(AZ91、AM60、AM50等，Al含量为5～9wt.％，确保合金具有较好的流变性能)，添加金属纯Ca作为阻燃元素，其中添加Ca元素的成分质量比(wt.％)为1.5～3.0％。

实施例1

本实施例涉及一种阻燃镁合金，通过向AZ91合金铸锭中添加金属Ca获得，其中Ca的质量分数为1.5％。

该阻燃镁合金的制备方法包括熔炼、半固态浆料制备和随后的挤压铸造成形三个工艺工序。

其中，在前的熔炼工艺工序在SF₆和CO₂混合气体保护条件下进行，其具体步骤为：将烘干后的AZ91合金铸锭放入有SF₆/CO₂气体保护的坩埚电阻炉中熔化，合金熔化后在700℃加入Ca，在730℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至610～630℃。

随后的半固态浆料制备工序为：用定量舀勺提取610～630℃的镁合金液，然后把喷吹装置放入镁合金液中进行吹气搅拌处理，将其制备成半固态浆料，其中，控制气泡流量2～5L/min，浆料冷却速度5～10℃/min。气泡搅拌制备阻燃镁合金半固态浆料示意图如图1所示，由图1可知，Ar气通过Ar气喷头1引入定量舀勺3内的合金熔体4，引起熔体剧烈搅拌并冷却，热电偶2用于监测熔体温度。

随后的挤压铸造成形工序为：将吹气搅拌制备的半固态浆料浇入挤压铸造模具中进行挤压铸造，然后保压一定时间后，开模取件，其中浇注温度为585～590℃，即液相线以下5～10℃，预热挤压铸造模具到200～250℃，挤压速度为0.3mm/s，压力为80MPa，保压20s。

图2为常规铸造和半固态流变挤压铸造AZ91-1.5(wt.％)Ca镁合金显微组织对比示意图；由图2可知：常规铸造AZ91-1.5(wt.％)Ca镁合金显微组织为粗大树枝晶，而半固态流变挤压铸造AZ91-1.5(wt.％)Ca镁合金显微组织由非枝晶初生相和细小树枝晶组成，使合金铸态组织得到显著细化。

实施例2

本实施例涉及一种阻燃镁合金，通过向AM50合金铸锭中添加金属Ca获得，其中Ca的质量分数为3.0％。

该阻燃镁合金的制备方法包括熔炼、半固态浆料制备和随后的挤压铸造成形三个工艺工序。

其中，在前的熔炼工艺工序在SF₆和CO₂混合气体保护条件下进行，其具体步骤为：将烘干后的AM50合金铸锭放入有SF₆/CO₂气体保护的坩埚电阻炉中熔化，合金熔化后在700℃加入Ca，在730℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至610～630℃。随后的半固态浆料制备工序为：用定量舀勺提取610～630℃的镁合金液，然后把喷吹装置放入镁合金液中进行吹气搅拌处理，将其制备成半固态浆料，其中，控制气泡流量5～8L/min，浆料冷却速度10～15℃/min。

随后的挤压铸造成形工序为：将吹气搅拌制备的半固态浆料浇入挤压铸造模具中进行挤压铸造，然后保压一定时间后，开模取件，其中浇注温度为585～590℃，预热挤压铸造模具到200～250℃，挤压速度为0.5mm/s，压力为120MPa，保压50s。

图3为常规铸造和半固态流变挤压铸造AM50-3.0(wt.％)Ca镁合金显微组织对比示意图；由图3可知：常规铸造AM50-3.0(wt.％)Ca镁合金显微组织为典型树枝晶组织，而半固态流变挤压铸造AM50-3.0(wt.％)Ca镁合金显微组织几乎全部由非枝晶初生相组成，实现了AM50-3.0(wt.％)Ca镁合金显微组织的有效细化。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，包括前道熔化、精炼、扒渣工序，以及后续半固态浆料制备、半固态流变挤压铸造工序，其特征在于，

所述的半固态浆料制备工序具体为：将镁合金熔体温度控制在该合金液相线温度T_L以上10℃～30℃以内，向镁合金熔体中通入惰性气体或氮气进行吹气搅拌处理，制得半固态浆料；

所述的半固态流变挤压铸造工序具体为：将所述半固态浆料浇注入挤压铸造模具中进行挤压铸造，保压，开模取件，获得阻燃镁合金成形件。

2.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所用基础镁合金为Al含量为5～9wt.％的Mg-Al系合金铸锭，添加了Ca作为阻燃元素，所述Ca元素占阻燃镁合金总重的质量百分比为1.5～3.0％。

3.根据权利要求2所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述熔化、精炼、扒渣工序具体为：在SF₆和CO₂混合气体保护条件下将所述基础镁合金融化，在700℃加入Ca，在730℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至610℃～630℃。

4.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述吹气搅拌是通过放置在镁合金熔体中喷吹装置来实现的；所述喷吹装置气体流量为2～8升/分钟；控制半固态浆料的冷却速度为5～15℃/分钟。

5.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述浇注温度为液相线以下5℃～10℃。

6.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述挤压铸造模具预先加热至200℃～250℃，并在其表面喷涂脱模剂。

7.根据权利要求6所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述脱模剂为石墨油酸溶液。

8.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述挤压铸造工艺参数为：挤压速度为0.3～0.5mm/s，压力为80～120MPa，保压时间为20～50s。

9.根据权利要求1所述的阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法，其特征在于，所述挤压铸造采用的挤压铸造设备为普通液压机或挤压铸造机。