CN106825410A - 制备定向镁合金的设备及方法 - Google Patents

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毛萍莉
刘正
王志
王峰
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    • B22D43/004—Retaining slag during pouring molten metal by using filtering means

Abstract

制备定向镁合金的设备，该设备包括铸件模壳、水冷盘、熔炼坩埚、隔热挡板、选晶过滤网和抽拉机构；其很好的解决了以往的问题，满足工业领域对高性能镁合金铸件的要求。

Description

制备定向镁合金的设备及方法
技术领域
本发明涉及一种制备定向镁合金的设备及方法，属于镁合金制备领域，特别属于定向镁合金制备领域。
背景技术
镁合金是工业应用中最轻的结构金属，具有较高的比强度及比刚度、较好的导热性及导电性、以及较好的阻尼减震和电磁屏蔽性能、易加工成形和容易回收等优点，被广泛应用于汽车工业、航空航天以及3C行业。近年来汽车制造商开始大量使用镁合金压铸件来减轻汽车重量。尽管压铸镁合金的应用相当广泛，但铸造产品存在力学性能不够理想。限制镁合金应用的原因之一是镁合金的强度尤其是高温强度较低，抗蠕变性能较差，使其无法用于制备高温下长时间使用的部件，而通过定向凝固技术，能够控制镁合金晶界的取向和晶粒的排列，抑制晶界的滑动，从而提高合金的力学性能，尤其是高温力学性能。定向镁合金成为镁合金提高性能的有效途径。但是，较其它合金系，镁合金在定向凝固方面的研究还处于摸索阶段，主要是由于它与大部分已取得实验成功的合金系不同，镁合金属于密排六方结构，比起面心立方或体心立方结构的金属更难在凝固过程中获得单一的晶粒取向。目前，已有多种工艺方法制备定向镁合金，如水冷法、液态金属冷却法等，但这些工艺方法都存在一定的问题，只能制备形状非常简单的铸件且效率低下，无法制备出满足实际工程应用的铸件，如何制备工程上的定向镁合金铸件是目前镁合金领域面临的一个难题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种制备定向镁合金的设备及方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：发明是通过以下技术方案实现的：
制备定向镁合金的设备，其特征在于：该设备包括铸件模壳、水冷盘、熔炼坩埚、隔热挡板、选晶过滤网和抽拉机构；铸件模壳、水冷盘、熔炼坩埚、隔热挡板、选晶过滤网和抽拉机构均设置在壳体内，壳体内腔通过隔板分为上下两层，熔炼坩埚设置在壳体内腔的上层，水冷盘、选晶过滤网和抽拉机构设置在壳体内腔的下层，熔炼坩埚的底部设置有浇口，浇口对应浇口下方的铸件模壳，铸件模壳穿过隔板与选晶过滤网连接，选晶过滤网连接水冷盘，水冷盘连接抽拉机构；在浇口上层内设置有为熔炼坩埚加热和保温的加热电阻丝。
浇口处设置有过滤网；在熔炼坩埚内设置有用于监测熔炼坩埚的合金的合金测温电偶；在壳体内腔上层内设置有测温电偶。
在壳体内腔上层的侧壁设置有充保护气口。
利用上述的制备定向镁合金的设备所实施的定向镁合金制备方法，其特征在于：本发明工艺方法如下：制备铸件模壳，把铸件模壳安装在水冷盘上, 水冷盘通冷却水，将合金块装入熔炼坩埚，通过充保护气口充入保护性气体，利用电阻丝加热坩埚，开始熔炼合金，合金完全熔化后，合金测温电偶测温，进行保温；同时，模壳需预热到浇注温度，测温电偶测温，然后通过浇口经过滤网浇注到模壳中，通过隔热挡板及水冷盘的冷却作用建立轴向温度梯度，合金液体经氧化镁过滤网定向凝固进行选晶，然后抽拉机构开始向下抽拉，保证合金定向凝固速率稳定，最后制备出定向镁合金铸件。
铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，铸件蜡模采用常规工业注射成型工艺制备，模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为10-20%，氧化镁粉的粒度为100-200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：（3-3.5）。
铸件模壳的厚度为5-7层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第7层为24目砂。
铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为28-35℃，每层的干燥时间控制在2-4小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在160-180℃，压力控制在6-8个大气压，脱蜡时间控制在10-30秒；模壳焙烧温度为1300-1400℃，烧结时间2-5小时，炉冷至室温；熔炼及定向凝固过程中的保护性气体为氩气，氩气的气压为1个大气压。
放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐，隔热挡板的中孔内径需大于铸件模壳最大外径10-20毫米，模壳在浇注前需在加热炉内加热至670-800℃；浇注合金后合金溶化后模壳需在加热炉内保温10-30分钟，保温温度为670-800℃。
测温热电偶为镍铬-镍硅或铂铑-铂电偶。
浇注用过滤网孔径尺寸为10-15ppi, 起选晶作用的氧化镁过滤网的孔径尺寸20-50ppi;两种过滤网的材质皆为氧化镁；模壳向下的抽拉速度控制在3-10mm/min范围内。
优点效果：制备定向镁合金的设备及方法，其很好的解决了以往的问题，满足工业领域对高性能镁合金铸件的要求。
附图说明：
图1为制备定向镁合金的设备的示意图。
具体实施方式：
发明提供一种制备定向镁合金的设备，该设备包括铸件模壳1、水冷盘2、熔炼坩埚4、隔热挡板11、选晶过滤网12和抽拉机构13；铸件模壳1、水冷盘2、熔炼坩埚4、隔热挡板11、选晶过滤网12和抽拉机构13均设置在壳体内，壳体内腔通过隔板分为上下两层，熔炼坩埚4设置在壳体内腔的上层，水冷盘2、选晶过滤网12和抽拉机构13设置在壳体内腔的下层，熔炼坩埚4的底部设置有浇口9，浇口9对应浇口9下方的铸件模壳1，铸件模壳1穿过隔板与选晶过滤网12连接，选晶过滤网12连接水冷盘2，水冷盘2连接抽拉机构13；在浇口9上层内设置有为熔炼坩埚4加热和保温的加热电阻丝6。
浇口9处设置有过滤网10；在熔炼坩埚4内设置有用于监测熔炼坩埚4的合金3的合金测温电偶7；在壳体内腔上层内设置有测温电偶8。
在壳体内腔上层的侧壁设置有充保护气口5。
定向镁合金制备方法，本发明工艺方法如下：制备铸件模壳1，把铸件模壳1安装在水冷盘2上, 水冷盘2通冷却水，将合金块3装入熔炼坩埚4，通过充保护气口5充入保护性气体，利用电阻丝6加热坩埚4，开始熔炼合金3，合金完全熔化后，合金测温电偶7测温，进行保温；同时，模壳需预热到浇注温度，测温电偶8测温，然后通过浇口9经过滤网10浇注到模壳中，通过隔热挡板11及水冷盘2的冷却作用建立轴向温度梯度，合金液体经氧化镁过滤网12定向凝固进行选晶，然后抽拉机构13开始向下抽拉，保证合金定向凝固速率稳定，最后制备出定向镁合金铸件。
铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，铸件蜡模采用常规工业注射成型工艺制备，模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为10-20%，氧化镁粉的粒度为100-200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：（3-3.5）。
铸件模壳的厚度为5-7层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第7层为24目砂。
铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为28-35℃，每层的干燥时间控制在2-4小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在160-180℃，压力控制在6-8个大气压，脱蜡时间控制在10-30秒；模壳焙烧温度为1300-1400℃，烧结时间2-5小时，炉冷至室温；熔炼及定向凝固过程中的保护性气体为氩气。
放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐，隔热挡板的中孔内径需大于铸件模壳最大外径10-20毫米，模壳在浇注前需在加热炉内加热至670-800℃；浇注合金后模壳需在加热炉内保温10-30分钟，保温温度为670-800℃。
测温热电偶为镍铬-镍硅或铂铑-铂电偶。
浇注用过滤网孔径尺寸为10-15ppi, 起选晶作用的氧化镁过滤网的孔径尺寸20-50ppi;两种过滤网的材质皆为氧化镁；模壳向下的抽拉速度控制在3-10mm/min范围内。
上述的室温为23±2度左右。
实施例1
铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，其模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为20%，氧化镁粉的粒度为200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：3.5；铸件模壳的厚度为7层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第7层为24目砂；铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为28℃，每层的干燥时间控制在4小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在180℃，压力控制在6个大气压，脱蜡时间控制在10秒；模壳焙烧温度为1400℃，烧结时间5小时，炉冷至室温；把铸件模壳安装在水冷盘上（通冷却水），铸件模壳最底端放置选晶氧化镁过滤网，过滤网孔径为20ppi, 放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐；将合金块装入熔炼坩埚，通过冲保护气口充入保护性气体氩气，电阻丝加热坩埚，开始熔炼合金，合金完全熔化后，保温10分钟，模壳在浇注前需在加热炉内加热至800℃，通过浇口经孔径10ppi滤网浇注到模壳中，浇注合金后模壳在加热炉内保温10分钟，温度为800℃，测温热电偶为镍铬-镍硅电偶；抽拉机构开始向下抽拉，模壳向下的抽拉速度控制在10mm/min；清理模壳，得到定向凝固铸件。
实施例2
采用熔模铸造工艺制备铸件模壳，其模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为10%，氧化镁粉的粒度为100目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：3；铸件模壳的厚度为5层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第5层为24目砂；铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为35℃，每层的干燥时间控制在2小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在160℃，压力控制在6个大气压，脱蜡时间控制在10秒；模壳焙烧温度为1300℃，烧结时间2小时，炉冷至室温；把铸件模壳安装在水冷盘上（通冷却水），铸件模壳最底端放置选晶氧化镁过滤网，过滤网孔径为30ppi,放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐；将合金块装入熔炼坩埚，通过冲保护气口通保护性气体氩气，加热坩埚，开始熔炼合金，合金完全熔化后，保温10分钟，模壳在浇注前需在加热炉内加热至670℃，合金液体通过浇口经孔径15ppi滤网浇注到模壳中，浇注合金后模壳需在加热炉内保温10分钟，温度为670℃，测温热电偶为铂铑-铂电偶；抽拉机构开始向下抽拉，模壳向下的抽拉速度控制在3mm/min；抽拉结束后清理模壳，得到定向凝固铸件。
实施例3
铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，其模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为15%，氧化镁粉的粒度为200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：3.2；铸件模壳的厚度为5层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第5层为24目砂；铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为30℃，每层的干燥时间控制在3小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在170℃，压力控制在7个大气压，脱蜡时间控制在15秒；模壳焙烧温度为1350℃，烧结时间3小时，炉冷至室温；把铸件模壳安装在水冷盘上（通冷却水），铸件模壳最底端放置选晶氧化镁过滤网，过滤网孔径为50ppi,放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐；将合金块装入熔炼坩埚，通过充保护气口充入保护性气体氩气，电阻丝加热坩埚，开始熔炼合金，合金完全熔化后，保温30分钟，模壳在浇注前需在加热炉内加热至700℃，合金液通过浇口经孔径10ppi滤网浇注到模壳中，浇注合金后模壳需在加热炉内保温10分钟，温度为700℃，测温热电偶为镍铬-镍硅；抽拉机构开始向下抽拉，模壳向下的抽拉速度控制在6mm/min；定向凝固结束后清理模壳，得到定向凝固铸件。
实施例4：
铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，其模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为15%，氧化镁粉的粒度为200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：3.2；铸件模壳的厚度为5层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第5层为24目砂；铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为30℃，每层的干燥时间控制在3小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在170℃，压力控制在8个大气压，脱蜡时间控制在30秒；模壳焙烧温度为1350℃，烧结时间3小时，炉冷至室温；把铸件模壳安装在水冷盘上（通冷却水），铸件模壳最底端放置选晶氧化镁过滤网，过滤网孔径为50ppi,放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐；将合金块装入熔炼坩埚，通过充保护气口充入保护性气体氩气，电阻丝加热坩埚，开始熔炼合金，合金完全熔化后，保温30分钟，模壳在浇注前需在加热炉内加热至700℃，合金液通过浇口经孔径10ppi滤网浇注到模壳中，浇注合金后模壳需在加热炉内保温10分钟，温度为700℃，测温热电偶为镍铬-镍硅；抽拉机构开始向下抽拉，模壳向下的抽拉速度控制在3mm/min；定向凝固结束后清理模壳，得到定向凝固铸件。

Claims (10)

1.制备定向镁合金的设备，其特征在于：该设备包括铸件模壳（1）、水冷盘（2）、熔炼坩埚（4）、隔热挡板（11）、选晶过滤网（12）和抽拉机构（13）；铸件模壳（1）、水冷盘（2）、熔炼坩埚（4）、隔热挡板（11）、选晶过滤网（12）和抽拉机构（13）均设置在壳体内，壳体内腔通过隔板分为上下两层，熔炼坩埚（4）设置在壳体内腔的上层，水冷盘（2）、选晶过滤网（12）和抽拉机构（13）设置在壳体内腔的下层，熔炼坩埚（4）的底部设置有浇口（9），浇口（9）对应浇口（9）下方的铸件模壳（1），铸件模壳（1）穿过隔板与选晶过滤网（12）连接，选晶过滤网（12）连接水冷盘（2），水冷盘（2）连接抽拉机构（13）；在浇口（9）上层内设置有为熔炼坩埚（4）加热和保温的加热电阻丝（6）。
2.根据权利要求1所述的制备定向镁合金的设备，其特征在于：浇口（9）处设置有过滤网（10）；在熔炼坩埚（4）内设置有用于监测熔炼坩埚（4）的合金（3）的合金测温电偶（7）；在壳体内腔上层内设置有测温电偶（8）。
3.根据权利要求2所述的制备定向镁合金的设备，其特征在于：在壳体内腔上层的侧壁设置有充保护气口（5）。
4.利用权利要求1所述的制备定向镁合金的设备所实施的定向镁合金制备方法，其特征在于：本发明工艺方法如下：制备铸件模壳（1），把铸件模壳（1）安装在水冷盘(2)上, 水冷盘(2)通冷却水，将合金块(3)装入熔炼坩埚(4)，通过充保护气口(5)充入保护性气体，利用电阻丝（6）加热坩埚（4），开始熔炼合金（3），合金完全熔化后，合金测温电偶（7）测温，进行保温；同时，模壳需预热到浇注温度，测温电偶（8）测温，然后通过浇口（9）经过滤网（10）浇注到模壳中，通过隔热挡板（11）及水冷盘（2）的冷却作用建立轴向温度梯度，合金液体经氧化镁过滤网（12）定向凝固进行选晶，然后抽拉机构（13）开始向下抽拉，保证合金定向凝固速率稳定，最后制备出定向镁合金铸件。
5.根据权利要求4所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：铸件模壳采用熔模铸造工艺制备，铸件蜡模采用常规工业注射成型工艺制备，模壳采用氧化镁材料，粘接剂由氯化镁与活性氧化镁粉配比形成的水化物制备；氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液浓度为10-20%，氧化镁粉的粒度为100-200目，氯化镁（MgCl26H2O）的水溶液与活性氧化镁粉质量配比为1：（3-3.5）。
6.根据权利要求5所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：铸件模壳的厚度为5-7层；第一层为80目氧化镁粉，第二层为60目氧化镁砂，第三层为36目氧化镁砂、第四-第7层为24目砂。
7.根据权利要求5所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：铸件模壳在空气中干燥，空气湿度＞60%，干燥温度为28-35℃，每层的干燥时间控制在2-4小时；铸件模壳脱蜡采用蒸汽脱蜡，水蒸汽温度控制在160-180℃，压力控制在6-8个大气压，脱蜡时间控制在10-30秒；模壳焙烧温度为1300-1400℃，烧结时间2-5小时，炉冷至室温；熔炼及定向凝固过程中的保护性气体为氩气，氩气的气压为1个大气压。
8.根据权利要求4所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：放置模壳后水冷盘的最高端需与隔热挡板的最低端平齐，隔热挡板的中孔内径需大于铸件模壳最大外径10-20毫米，模壳在浇注前需在加热炉内加热至670-800℃；浇注合金后合金溶化后模壳需在加热炉内保温10-30分钟，保温温度为670-800℃。
9.根据权利要求4所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：测温热电偶为镍铬-镍硅或铂铑-铂电偶。
10.根据权利要求4所述的定向镁合金制备方法，其特征在于：浇注用过滤网孔径尺寸为10-15ppi, 起选晶作用的氧化镁过滤网的孔径尺寸20-50ppi;两种过滤网的材质皆为氧化镁；模壳向下的抽拉速度控制在3-10mm/min范围内。
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