CN104946947A - 利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法及铜模 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法及铜模。以Mg、Li、Al为原料，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行，熔炼温度为650～750℃、保温静置时间为20～40min，静置后将熔体浇铸到铜模中，金属液在型腔中的上升速度为30～60mm/s，浇铸时间5～15s，浇铸完成后铸件在铜模中随炉冷却得到铸态合金；所述铜模是由厚为20～25mm的紫铜做成的方形模具，铜模内腔的长：宽＝4～12，金属液的冲型比例为1/2～4/5。本发明以紫铜制备模具，利用金属铜导热系数大，导热快的特点实现合金的快速凝固，从而使得合金的成分及组织分布更加均匀，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能高。该方法工艺过程比较简单，也易于操作，适用性广。

Description

利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法及铜模

技术领域

本发明涉及的是一种镁锂合金的制备方法，特别涉及一种利用紫铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法。本发明还涉及一种利用紫铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法的专用铜模。

背景技术

镁锂合金是迄今为止密度最轻的金属结构材料，由于其具有高比强度，高比刚度，优良的电磁屏蔽能力和吸震能力及可回收利用等优点，镁锂合金在减重及减少能源耗费等方面有着深远的意义。这些优点使得镁锂合金在航空航天，汽车，电子工业等领域有着广泛的应用潜力。近年来，研究人员着力通过各种方法提高镁锂合金强度，比如合金化。常见的添加合金元素如铝，锌，钙等；另外还有通过添加稀土元素来改善合金强度的，比如添加一定含量的镧，铈，钕，镨等，但是稀土元素价格较贵，会增加商业成本。另外也有研究人员通过引入变形来改善镁锂合金的性能，比如挤压，轧制，等径角挤压等。但是往往在提高强度的同时合金的塑性降低了。在常规的金属铸造中，常用的模具主要有石墨模具和金属模具，金属模具比石墨模具具有更好的热传递性，因此金属模具比石墨模具有更高的冷却速率，从而在金属模具中熔体的液固界面前液相中形成了更高的温度梯度，激发更多的非均质形核和更能有效地抑制晶粒的生长，使得冷却时合金具有更好的晶粒细化效果。金属模具中紫铜的导热系数是～401(W/(m·k))，钢的导热系数～50(W/(m·k))，用铜模浇铸能够获得更大的冷却速率。快速凝固是一种新型的金属材料制备技术，在合金的凝固过程中由于冷却速率很大，使得合金的成分及组织分布更加均匀，同时由于冷却速率大，会导致更高的过冷度，增加核胚的数量，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能也就越高。所以，冷却速率直接影响凝固组织中的晶粒的大小，控制冷却速率成为改善合金性能的基本方法之一。本发明通过利用铜的导热系数大，冷却速率大，用紫铜制作模具，利用快速凝固技术制备一种高强度的镁锂铝合金。同时利用传统的轧制技术，经过多道次轧制变形，通过形变强化进一步提高镁锂合金的机械性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，所得合金具有高的强度和良好的塑性的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法。本发明的目的还在于提供一种利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法的专用铜模。

本发明的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法为：

以Mg、Li、Al为原料，按其质量百分比Li为2～11％、Al为，余量为Mg的配比在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼之前先将炉内抽至真空状态，再充入氩气进行保护，熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行，熔炼温度为650～750℃、保温静置时间为20～40min，静置后将熔体浇铸到铜模中，金属液在型腔中的上升速度为30～60mm/s，浇铸时间5～15s，浇铸完成后铸件在铜模中随炉冷却得到铸态合金；所述铜模是由厚为20～25mm的紫铜做成的方形模具，铜模内腔的长：宽＝4～12，金属液的冲型比例为1/2～4/5。

将铸态合金在200℃～350℃保温0.5～1h，经行多道次轧制，道次间变形量10％～15％，道次间保温3～20min，总压下量为60％～80％，轧制完成后进行水冷。

浇铸温度为700℃±5℃。

本发明的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法的专用铜模是由厚为20～25mm的紫铜做成的方形模具，铜模内腔的长：宽＝4～12。

本发明通过利用铜模导热系数大(～401(W/(m·k)))的特点，用紫铜制作模具，利用在浇铸过程中铸件的冷却速率大(～110℃/s)，实现液态金属的快速凝固。由于冷却速率大，会导致更高的过冷度，增加核胚的数量，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能也就越高。同时在二元镁锂合金中加入铝作合金强化元素，利用铝的固溶强化和时效强化作用，制备高强度的单相(α相)，双相(α+β)相镁锂铝合金。其中，铸态单相(α相)镁锂铝合金的强度达到了263MPa左右，断裂延伸率约为7％，双相(α+β)相镁锂铝合金的强度达到了254MPa左右，延伸率约为16％。同时利用多道次轧制形变强化进一步提高镁锂合金的机械性能。轧制后的单相(α相)，双相(α+β)镁锂铝合金的强度达到了约341MPa和280Mpa，断裂延伸率分别约为6％和16％。

本发明所具有的实质性特点和显著的进步为：

(1)本发明以紫铜制备模具，利用金属铜导热系数大，导热快的特点实现合金的快速凝固，从而使得合金的成分及组织分布更加均匀，同时由于冷却速率大，会导致高的过冷度，增加核胚的数量，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能也就越高。该方法工艺过程比较简单，也易于操作，适用性广。

(2)本发明以常规铝元素作为超轻镁锂合金的合金强化元素，原料易得，相比添加其他元素，特别是稀土元素，更为经济实惠，利于商业化应用。

(3)本发明以多道次轧制变形进行形变强化，多道次变形能够确保合金的塑性，特别是相对于塑性较差的单相镁锂合金(hcp结构)，多道次变形更有优势。

(4)本发明操作简单，容易进行，所得合金具有高的强度和良好的塑性。室温下铸态试样的抗拉强度为240～270MPa，延伸率为6％～20％。室温下轧制变形态试样的抗拉强度为270～350MPa，延伸率为6％～20％。

附图说明

图1为实例1，2中的铸态镁锂铝合金的力学性能测试曲线。

图2为实例3，4中的轧制态镁锂铝合金的力学性能测试曲线。

具体实施方式

利用快速凝固技术制备高强度镁锂铝合金材料，以紫铜制备浇注模具，金属模具壁厚设计根据壁厚对热阻与蓄热能力的关系综合考量最后选择铜板厚度为20～25mm，紫铜模具的内腔尺寸按长:宽＝4～12。金属液的充型比例为1/2～4/5，金属液在型腔中的上升速度为30～60mm/s，浇铸时间5～15s。其中浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。实现熔融金属液在浇铸过程中的快速凝固，使得合金的成分及组织分布更加均匀，同时由于冷却速率大(～110℃/s)，会导致高的过冷度，增加核胚的数量，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能也就越高。该合金材料的组成成分及其质量百分含量为：Li：2～11％(wt％)，Al:3～6％(wt％)，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si等杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

该高强度镁锂铝合金材料的制备方法：

本发明利用铜模快速凝固技术制备的高强度镁锂合金是以商业纯Mg,商业纯Li，商业纯Al为原料，按其质量百分比Li：2～11％(wt％)，Al:3～6％(wt％)，余量为Mg的配比在真空感应熔炼炉中进行熔炼。熔炼之前先将炉内抽至真空状态(真空表读数为0.01MPa时)，再充入氩气进行保护。熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行。熔炼温度为650～750℃。保温静置时间为20～40min，静置后将熔体(浇铸温度约为700℃)浇铸到厚为20～25mm的紫铜做的方形模具中，其中紫铜模具的内腔尺寸为长：宽＝4～12。金属液的冲型比例为1/2～4/5，金属液在型腔中的上升速度为30～60mm/s，浇铸时间5～15s，浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。得到铸态合金。

主要的轧制工艺参数为：将铸态试样在200℃～350℃保温0.5～1h，经行多道次轧制。道次间变形量10％～15％，道次间保温3～20min，总压下量为60％～80％。轧制完成后对试样进行水冷。

下面举例对本发明做更详细的描述。

实施例1：

合金的化学成分(质量百分比)为：Li：3％，Al：6％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si等杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

制备合金的熔铸和加工工艺为：

首先按配比称料，将配好的Mg、Li、Al合金加入到真空感应熔炼炉的钢坩埚中，抽真空至0.01MPa，然后充入氩气。熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行。熔炼温度约为720℃。待金属完全熔化后保温静置30min，然后将熔体(浇铸温度约为700℃)浇铸到制备好的用厚为20mm的紫铜做的长宽高为150mm*55mm*200mm(内腔尺寸为120mm*15mm*200mm)的方形模具中，金属液的冲型比例为3/4，金属液在型腔中的上升速度为45mm/s，浇铸时间10s。其中浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。即得到长宽高为120mm*15mm*150mm的单相(α相)镁锂铝铸态合金。本实例得到的高强度铸态镁锂铝合金，其力学性能为:抗拉强度达到了263MPa，断裂延伸率为7％(图1中的Mg-3Li-6Al铸态曲线)。

实施例2：

合金的化学成分(质量百分比)为：Li：8％，Al：6％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si等杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

制备合金的熔铸和加工工艺为：

首先按配比称料，将配好的Mg、Li、Al合金加入到真空感应熔炼炉的钢坩埚中，抽真空至0.01MPa，然后充入氩气。熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行。熔炼温度约为720℃。待金属完全熔化后保温静置30min，然后将熔体(浇铸温度约为700℃)，浇铸到制备好的用厚为20mm的紫铜做的长宽高为150mm*55mm*200mm(内腔尺寸为120mm*15mm*200mm)的方形模具中，金属液的冲型比例为3/4，金属液在型腔中的上升速度为45mm/s，浇铸时间10s。其中浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。即得到长宽高为120mm*15mm*150mm的双相(α+β相)镁锂铝铸态合金。本实例得到的高强度铸态镁锂铝合金，其力学性能为:抗拉强度达到了254MPa，断裂延伸率为16％(图1中的Mg-8Li-6Al铸态曲线)。

实施例3：

合金的化学成分(质量百分比)为：Li：3％，Al：6％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si等杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

制备合金的熔铸和加工工艺为：

首先按配比称料，将配好的Mg、Li、Al合金加入到真空感应熔炼炉的钢坩埚中，抽真空至0.01MPa，然后充入氩气。熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行。熔炼温度约为720℃。待金属完全熔化后保温静置30min，然后将熔体(浇铸温度约为700℃)，浇铸到制备好的用厚为20mm的紫铜做的长宽高为150mm*55mm*200mm(内腔尺寸为120mm*15mm*200mm)的方形模具中，金属液的冲型比例为3/4，金属液在型腔中的上升速度为45mm/s，浇铸时间10s。其中浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。即得到长宽高为120mm*15mm*150mm的单相(α相)镁锂铝铸态合金。将铸态试样在300℃保温0.5h，经行多道次轧制。道次间变形量10％，道次间保温5min，总压下量为65％。轧制完成后对试样进行水冷。本实例得到的高强度轧制态镁锂铝合金，其力学性能为:抗拉强度达到了341MPa，断裂延伸率为6％(图2中的Mg-3Li-6Al轧制态曲线)。

实施例4：

合金的化学成分(质量百分比)为：Li：8％，Al：6％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si等杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

制备合金的熔铸和加工工艺为：

首先按配比称料，将配好的Mg、Li、Al合金加入到真空感应熔炼炉的钢坩埚中，抽真空至0.01MPa，然后充入氩气。熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行。熔炼温度约为720℃。待金属完全熔化后保温静置30min，然后将熔体(浇铸温度约为700℃)，浇铸到制备好的用厚为20mm的紫铜做的长宽高为150mm*55mm*200mm(内腔尺寸为120mm*15mm*200mm)的方形模具中，金属液的冲型比例为3/4，金属液在型腔中的上升速度为45mm/s，浇铸时间10s。其中浇铸完成后铸件在模具中随炉冷却(冷却介质为氩气)。即得到长宽高为120mm*15mm*150mm的双相(α+β相)镁锂铝铸态合金。将铸态试样在300℃保温0.5h，经行多道次轧制。道次间变形量15％，道次间保温5min，总压下量为75％。轧制完成后对试样进行水冷。本实例得到的高强度轧制态镁锂铝合金，其力学性能为:抗拉强度达到了280MPa，断裂延伸率为16％(图2中的Mg-8Li-6Al轧制态曲线)。

Claims (4)

1.一种利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法，其特征是：以Mg、Li、Al为原料，按其质量百分比Li为2～11％、Al为，余量为Mg的配比在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程一直在氩气气氛的保护下进行，熔炼温度为650～750℃、保温静置时间为20～40min，静置后将熔体浇铸到铜模中，金属液在型腔中的上升速度为30～60mm/s，浇铸时间5～15s，浇铸完成后铸件在铜模中随炉冷却得到铸态合金；所述铜模是由厚为20～25mm的紫铜做成的方形模具，铜模内腔的长：宽＝4～12，金属液的冲型比例为1/2～4/5。

2.根据权利要求1所述的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法，其特征是：将铸态合金在200℃～350℃保温0.5～1h，经行多道次轧制，道次间变形量10％～15％，道次间保温3～20min，总压下量为60％～80％，轧制完成后进行水冷。

3.根据权利要求1或2所述的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法，其特征是：浇铸温度为700℃±5℃。

4.一种权利要求1所述的利用铜模快速凝固制备高强度镁锂合金的方法的专用铜模，其特征是由厚为20～25mm的紫铜做成的方形模具，铜模内腔的长：宽＝4～12。