CN104004936A - 一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料方法，包括：熔化镁、添加合金元素、添加细化剂和低温浇注，本发明通过添加锆细化剂与低温浇注相结合，获得高质量的稀土镁合金半固态浆料，该发明具有熔炼和浇注工艺简单、无需施加搅拌、获得半固态浆料组织优良、利于成形等优点。

Description

一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法

技术领域

本发明涉及一种金属半固态浆料制备方法，尤其是一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料方法，属于金属材料半固态成形技术领域。

背景技术

半固态加工技术是20世纪70年代美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授等提出的一种金属成形新方法，该方法利用金属从液态向固态或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能要求较高的零件，因此被称为“21世纪新一代的金属成形技术”。半固态成形技术在铝、镁合金中的应用，有效地降低了加工温度，减少了气孔、缩孔等缺陷，提高了零件的成品率和产品质量，推动了金属成形方法的发展。

半固态成形的基础是制备优质的半固态合金浆料。传统的半固态合金浆料制备方法包括机械搅拌法和电磁搅拌法，主要是通过剧烈搅拌打碎枝晶来获得半固态浆料。这些方法有的易造成熔体污染，有的设备复杂、投资大，有的可操作性差不易控制，使其应用受到不同程度的限制。低温浇注法是一种新开发的半固态浆料制备方法，该方法无需施加搅拌，仅需将合金液冷却至液相线以下浇注即可，但低温浇注存在浆料质量差、组织不均匀等缺陷，需进一步改进。

作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度、比刚度高的优点。近年来由于汽车和电子工业上逐步采用了镁合金构件，使镁合金的应用得到推广。大量的实验表明，半固态成形是一种极具潜力的镁合金成形技术。之前对镁合金半固态成形的研究，主要集中在Mg-Al系合金中，但Mg-Al系合金存在强度不足、耐热性差等缺陷。添加稀土元素是提高镁合金强度、和热性的有效方法。稀土镁合金半固态成形的研究还处于起步阶段，已有的研究表明，稀土镁合金是一类适合于半固态成形的镁合金，有很好的应用前景。

锆(Zr)是镁合金的优良细化剂，目前工业上主要以Mg–Zr中间合金的方式加入Zr。此外,Zr还可以通过添加Zr复合盐(如K₂ZrF₆混合盐为K₂ZrF₆-NaCl-KCl混合盐或K₂ZrF₆-LiCl-CaF₂混合盐，ZrCl₄混合盐为ZrCl₄-NaCl-KCl混合盐或ZrCl₄-LiCl-CaF₂混合盐)的形式加入。由于Zr具有强烈的晶粒细化作用，向稀土镁合金中加入Zr细化剂，通过化学细化与低温浇注方法复合，有望直接获得高质量的半固态浆料，但目前尚未见到采用Zr细化与低温浇注复合制备稀土镁合金半固态浆料的专利。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法。

本发明通过下列技术方案实现：一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其中，包括以下步骤：

(1)熔化镁：在井式电阻炉不锈钢坩埚中将镁熔化，熔化温度为670～680℃；

(2)添加合金元素：在所述镁全部熔化后，添加稀土元素，加入温度为730℃；

(3)添加细化剂：在添加所述合金元素后，升温至750℃，添加Zr，然后静置保温20～30min；

(4)低温浇注：控制冷却速率为5～20℃/min，将经过所述步骤3后形成的合金熔体直接冷却至液相线下5～10℃，即获得半固态浆料并立即浇注。

优选的，所述稀土元素为Gd、Y、Nd中的一种或两种以上的混合物。

优选的，所述步骤2中，还可以添加所述稀土元素和其它非稀土合金元素。

优选的，所述其它非稀土合金元素为Zn。

优选的，所述步骤3中所述Zr的加入量为熔炼合金总质量的0.5～1.0wt.％。

优选的，所述步骤3中所加含Zr细化剂为Mg-Zr中间合金或Zr复合盐。

优选的，所述Zr复合盐为K₂ZrF₆混合盐或ZrCl₄混合盐。

优选的，所述K₂ZrF₆混合盐为K₂ZrF₆-NaCl-KCl混合盐或K₂ZrF₆-LiCl-CaF₂混合盐。

优选的，所述ZrCl₄混合盐为ZrCl₄-NaCl-KCl混合盐或ZrCl₄-LiCl-CaF₂混合盐。

与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著进步为：

(1)本发明通过向稀土镁合金熔体中加入Zr作为化学细化元素，复合低温浇注方法，在无需施加任何处理的条件下获得高质量的稀土镁合金半固态浆料，避免了传统半固态浆料制备方法中由于搅拌导致的镁合金剧烈氧化；

(2)不同于传统半固态浆料制备方法中半固态初生相由枝晶破碎形成，本发明中的半固态初生相直接由晶粒形核生长而成，由于Zr显著的形核和抑制生长作用，与破碎枝晶相比，本发明具有初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范围小、初生相圆整度高等优点，同时，浆料各部分组织均匀性好，差异很小；

(3)本发明通过向合金熔体中添加化学细化剂，获得良好的半固态组织，浆料质量与直接通过低温浇注法获得的浆料相比有显著提高；

(4)制浆工艺和设备简单，制浆过程可完全依靠现有熔炼设备完成，无需现有半固态浆料制备过程中的机械搅拌或电磁搅拌装置，同时节省搅拌所需的能耗，显著降低半固态浆料制备成本；

(5)初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范围小、圆整度高等优点，有利于在流变成形过程中表现出较高的流变性能，同时有利于半固态坯料在二次加热后获得良好的半固态组织；

(6)本发明采用低温浇注，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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中Mg-8.0Gd-6.0Y-0.5Zr(wt.％)镁合金组织对比图。

其中：a为传统铸造组织，

b为半固态浆料凝固组织，

c为二次加热组织。

图2为本发明实施例2中Mg-5.0Y-4.0RE-0.8Zr(wt.％)镁合金组织对比图。

其中：a为传统铸造组织，

b为半固态浆料凝固组织，

c为二次加热组织。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

首先，熔化镁。在井式电阻炉不锈钢坩埚中将镁进行融化，熔化温度为670～680℃。

然后，添加合金元素。待镁全部熔化后，向镁液中添加合金元素，合金元素的加入温度为730℃，Gd的加入量为熔炼合金总质量的8.0wt.％，Gd以Mg-Gd中间合金形式加入，其中Gd占90wt.％，Y的加入量为熔炼合金总质量的6.0wt.％，Y以Mg-Y中间合金形式加入，其中Y占25wt.％。

接下来，添加细化剂。在添加合金元素后，升温至750℃，继续向混合液中添加Zr，Zr的加入量为熔炼合金总质量的0.5wt.％，Zr以Mg-Zr中间合金形式加入，其中Zr占30wt.％，加Zr结束后静置保温20～30min。

最后，低温浇注。控制冷却速率为5℃/min，将上面形成的合金熔体直接冷却至液相线下5～10℃，即获得半固态浆料并立即浇注，该浆料可直接用于半固态流变成形，也可铸造成半固态坯料用于二次加热成形。

图1所示为Mg-8.0Gd-6.0Y-0.5Zr(wt.％)镁合金传统铸造组织与半固态浆料激冷组织和二次加热后激冷组织的对比。可见，锆细化复合低温浇注获得半固态浆料中初生相非枝晶特征明显，经二次加热后固相颗粒圆整均匀，半固态浆料和二次加热后坯料均完全可以满足半固态成形要求。

实施例2

首先，熔化镁。在井式电阻炉不锈钢坩埚中将镁融化，熔化温度为670～680℃。

然后，添加合金元素。待镁全部熔化后，添加合金元素，加入温度为730℃，Y加入量为熔炼合金总质量的5.0wt.％，Y以Mg-Y中间合金形式加入，其中Y占25wt.％，混合稀土加入量为熔炼合金总质量的4.0wt.％，混合稀土以Mg-稀土中间合金形式加入，其中混合稀土占30wt.％

接下来，添加细化剂。在添加合金元素后，升温至750℃，继续向混合液中再添加Zr，Zr的加入量为熔炼合金总质量的0.8wt.％，Zr以K₂ZrF₆-NaCl-KCl混合盐形式加入，加Zr结束后静置保温20～30min，形成合金熔体。

最后，低温浇注。控制冷却速率为20℃/min，将上面形成的合金熔体直接冷却至液相线下5～10℃，即获得半固态浆料并立即浇注，该浆料可直接用于半固态流变成形，也可铸造成半固态坯料用于二次加热成形。

图2所示为Mg-5.0Y-4.0RE-0.8Zr(wt.％)镁合金传统铸造组织与半固态浆料激冷组织和二次加热后激冷组织的对比。可见，化学细化复合低温浇注获得半固态浆料中初生相非枝晶特征明显，经二次加热后固相颗粒圆整均匀，半固态浆料和二次加热后坯料均完全可以满足半固态成形要求。

实施例3

首先，熔化镁。在井式电阻炉不锈钢坩埚中将镁融化，熔化温度为670～680℃；

然后，添加合金元素。待镁全部熔化后，向镁液中添加合金元素，合金元素的加入温度为730℃，Nd的加入量为熔炼合金总质量的3.0wt.％，Nd以Mg-Nd中间合金形式加入，其中Nd占90wt.％，Zn的加入量为熔炼合金总质量的0.2wt.％，Zn以纯Zn形式加入。

接下来，添加细化剂。在添加合金元素后，升温至750℃，添加Zr，Zr的加入量为熔炼合金总质量的1.0wt.％，Zr以ZrCl₄-NaCl-KCl混合盐形式加入，加Zr结束后静置保温20～30min。

最后，低温浇注。控制冷却速率为10℃/min，将上面形成的合金熔体直接冷却至液相线下5～10℃，即获得半固态浆料并立即浇注，该浆料可直接用于半固态流变成形，也可铸造成半固态坯料用于二次加热成形。

与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著进步为：

(1)本发明通过向稀土镁合金熔体中加入Zr作为化学细化元素，复合低温浇注方法，在无需施加任何处理的条件下获得高质量的稀土镁合金半固态浆料，避免了传统半固态浆料制备方法中由于搅拌导致的镁合金剧烈氧化；

(2)不同于传统半固态浆料制备方法中半固态初生相由枝晶破碎形成，本发明中的半固态初生相直接由晶粒形核生长而成，由于Zr显著的形核和抑制生长作用，与破碎枝晶相比，本发明具有初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范围小、初生相圆整度高等优点，同时，浆料各部分组织均匀性好，差异很小；

(3)本发明通过向合金熔体中添加化学细化剂，获得良好的半固态组织，浆料质量与直接通过低温浇注法获得的浆料相比有显著提高；

(4)制浆工艺和设备简单，制浆过程可完全依靠现有熔炼设备完成，无需现有半固态浆料制备过程中的机械搅拌或电磁搅拌装置，同时节省搅拌所需的能耗，显著降低半固态浆料制备成本；

(5)初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范围小、圆整度高等优点，有利于在流变成形过程中表现出较高的流变性能，同时有利于半固态坯料在二次加热后获得良好的半固态组织；

(6)本发明采用低温浇注，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。

Claims (9)

1.一种锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)熔化镁：在井式电阻炉不锈钢坩埚中将镁熔化，熔化温度为670～680℃；

(2)添加合金元素：在所述镁全部熔化后，添加稀土元素，加入温度为730℃；

(3)添加细化剂：在添加所述合金元素后，升温至750℃，添加Zr，然后静置保温20～30min；

(4)低温浇注：控制冷却速率为5～20℃/min，将经过所述步骤3后形成的合金熔体直接冷却至液相线下5～10℃，即获得半固态浆料并立即浇注。

2.如权利要求1所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述稀土元素为Gd、Y、Nd中的一种或两种以上的混合物。

3.如权利要求1所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述步骤2中，还可以添加所述稀土元素和其它非稀土合金元素。

4.如权利要求3所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述其它非稀土合金元素为Zn。

5.如权利要求1所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述步骤3中所述Zr的加入量为熔炼合金总质量的0.5～1.0wt.％。

6.如权利要求1至5任一项所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述步骤3中所加含Zr细化剂为Mg-Zr中间合金或Zr复合盐。

7.如权利要求6所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述Zr复合盐为K₂ZrF₆混合盐或ZrCl₄混合盐。

8.如权利要求7所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述K₂ZrF₆混合盐为K₂ZrF₆-NaCl-KCl混合盐或K₂ZrF₆-LiCl-CaF₂混合盐。

9.如权利要求7所述的锆细化复合低温浇注制备稀土镁合金半固态浆料的方法，其特征在于，所述ZrCl₄混合盐为ZrCl₄-NaCl-KCl混合盐或ZrCl₄-LiCl-CaF₂混合盐。