CN107034402B - 超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，合金质量百分比为Gd：8.0‑9.6%，Y：1.8‑3.2%，Gd与Y的含量之比为：3≤Gd/Y≤5，Zr：0.3‑0.7%，Er：0.02‑0.3%，Ag：0.02‑0.5%。先在700‑780℃熔化原料、780‑800℃通氩气精炼20‑30min、扒渣、680‑700℃静置1‑2h以及在电磁场下半连续铸造。本发明引入电磁场显著降低铸锭结晶时的横向温度梯度，促进结晶器内熔体的流动，减小液穴深度，提高铸锭组织的均匀性和质量的稳定性，制备出直径Φ340‑630mm、长度1500‑4500mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭。

Description

超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺
技术领域
本发明涉及镁合金半连续铸造领域，特别涉及Mg-RE系超高强耐高温镁合金的电磁半连续铸造。
背景技术
一代装备，一代材料。武器装备的发展推动着材料本身及其加工制备技术的进步。在诸多影响材料实际应用价值的因素中，材料的密度越来越受到人们的关注。例如，在武器装备中，减重意味着导弹有效射程的提高；在航空航天中，减重意味着飞行器有效载荷的提高。因此，设计者们在选择材料时，密度成为主要考虑因素之一。
镁合金作为目前最轻的金属结构材料，其密度只有1.75~1.95g∙cm-3；此外，镁合金还具有高比强度、高比刚度。由于这些优异的特性，镁合金受到越来越多的关注，尤其是在航空航天等迫切需要通过减重来提高燃油效率增加有效载荷的行业。然而常规镁合金的绝对强度偏低，尤其是高温性能较差，例如常见的Mg-Al合金的工作温度一般不能超过120℃，而诸如汽车动力部件之类的高温部件工作温度都高于150℃，超过了常规镁合金的服役温度范围，这大大限制了镁合金的广泛应用。研究发现，稀土元素（如Gd、Y等）的加入可大幅提高镁合金的强度和耐热性能。然而，稀土元素的添加同时也使得大规格稀土镁合金铸锭浇铸过程中更容易热裂，因此大规格稀土镁合金铸锭的制备成为限制稀土镁合金推广应用的技术瓶颈。目前鲜有大尺寸高稀土镁合金铸锭的报道。
本发明针对航空航天领域对大尺寸高强耐热镁合金构件的实际需求，首次提出采用电磁半连续铸造的工艺浇铸大规格高稀土镁合金铸锭，并成功制备出直径Φ340-630mm、长度1500-4500mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭。
发明内容
为克服工程实际中大规格高强耐热镁合金铸锭在浇铸时易开裂、组织不均匀及表面质量不佳等问题，本发明提供了一种制备超高强耐高温镁合金大铸锭的电磁半连续铸造工艺，合金元素质量百分比为：Gd：8.0-9.6%，Y：1.8-3.2%，Gd与Y的含量之比为：3≤Gd/Y≤5，Zr：0.3-0.7%，Er：0.02-0.3%，Ag：0.02-0.5%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。本发明的具体工艺步骤如下：
1、在熔炼炉中依次熔化高纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Er中间合金和纯Ag，炉内温度控制在700-780℃。
2、待原料完全熔化后进行初次扒渣，去除浮于液面的熔渣。
3、熔体升温至780-800℃，通氩气精炼15-30min。精炼完毕后进行二次扒渣，去除浮于液面的熔渣。选择780-800℃原因在于，在该温度区间合金熔体的粘度较小，有利用熔体内的气泡及夹杂随氩气浮出表面，从而起到净化熔体的作用；同时还可以提高合金元素在熔体内分布的均匀性。
4、降温至680-700℃，静置1-2h。
5、采用装配有励磁线圈的结晶器在电磁场下进行半连续浇铸，控制电磁场频率为15-30HZ，低频电流为80-100mA，炉内熔体温度680-700℃，结晶器内熔体温度630-650℃，拉锭速度20-50mm/min，冷却水强度为25-35m3/h，最终制备出直径Φ340-630mm、长度1500-4500mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的超高强镁合金铸锭。
所述第1步中熔化原料时，炉内温度控制在750-780℃。
所述第3步精炼温度为780-790℃，时间为15-20min；静置温度为680-690℃，时间为1.5-2h。
所述第4步电磁场频率为15-20HZ，低频电流为80-90mA。
所述第4步控制浇铸时炉内熔体温度为680-690℃，结晶器内温度640-650℃。
所述第4步当铸锭直径为Φ600-630mm时，拉锭速度控制为20-25mm/min。
电磁场频率和低频电流值是本发明中至关重要的工艺参数，二者的合理搭配直接决定了铸锭的质量。频率过低或电流过低，搅拌强度不够，不利于降低结晶器内的温度梯度，造成铸锭组织和成分分布不均匀；频率过高或电流值过高，则搅拌强度过大，容易造成结晶器内液面不稳和破裂，从而将夹杂带至铸锭内，致使铸锭质量下降。
合理的频率和电流搭配产生的搅拌强度加上本发明所针对的合金中Ag元素的添加所产生的高流动性，使得结晶器内熔体均匀对流，降低温度梯度，减小液穴深度，从而制备出组织均匀、表面光滑、无裂纹的大规格超高强镁合金铸锭。
附图说明
图1为本发明制备的直径Φ340mm的超高强耐高温镁合金铸锭图；
图2为本发明制备的直径Φ460mm的超高强耐高温镁合金铸锭图；
图3为本发明制备的直径Φ630mm的超高强耐高温镁合金铸锭图。
具体实施方式
实施例1
于容量为1.1吨的熔炼炉中，按Mg-8.5Gd-2.5Y-0.5Zr-0.1Er-0.1Ag的配比依次投入高纯镁、Mg-Gd和Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Er中间合金和纯Ag，熔料时温度控制为750-780℃，投入中间合金的过程中伴随氩气搅拌。待原料完全熔化后，进行初次扒渣，去除熔体表面的废渣。升温至800℃通氩气精炼25min，随后进行二次扒渣。扒渣结束，清扫炉边，封盖降温静置，待温度达到680℃时保温1.5h。静置完毕，采用装配有励磁线圈的结晶器在电磁场下进行半连续浇铸，控制电磁场频率为15HZ，电流为80mA，炉内熔体温度680-685℃，结晶器内熔体温度630-635℃，拉锭速度45mm/min，冷却水强度为25m3/h最终制备出直径Φ340mm、长度约3200mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭，如图1所示。
实施例2
于容量为1.1吨的熔炼炉中，按Mg-8.5Gd-2.5Y-0.5Zr-0.1Er-0.1Ag的配比依次投入高纯镁、Mg-Gd和Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Er中间合金和纯Ag，熔料时温度控制为750-780℃，投入中间合金的过程中伴随氩气搅拌。待原料完全熔化后，进行初次扒渣，去除熔体表面的废渣。升温至800℃通氩气精炼20min，随后进行二次扒渣。扒渣结束，清扫炉边，封盖降温静置，待温度达到685℃时保温1.5h。静置完毕，采用装配有励磁线圈的结晶器在电磁场下进行半连续浇铸，控制电磁场频率为18HZ，电流为90mA，炉内熔体温度685-690℃，结晶器内熔体温度635-640℃，拉锭速度35mm/min，冷却水强度为30m3/h最终制备出直径Φ460mm、长度约2800mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭，如图2所示。
实施例3
于容量为1.1吨的熔炼炉中，按Mg-8.5Gd-2.5Y-0.5Zr-0.1Er-0.1Ag的配比依次投入高纯镁、Mg-Gd和Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Er中间合金和纯Ag，熔料时温度控制为750-780℃，投入中间合金的过程中伴随氩气搅拌。待原料完全熔化后，进行初次扒渣，去除熔体表面的废渣。升温至790℃通氩气精炼20min，随后进行二次扒渣。扒渣结束，清扫炉边，封盖降温静置，待温度达到690℃时保温2h。静置完毕，采用装配有励磁线圈的结晶器在电磁场下进行半连续浇铸，控制电磁场频率为20HZ，电流为100mA，炉内熔体温度690-695℃，结晶器内熔体温度640-645℃，拉锭速度20mm/min，冷却水强度为35m3/h最终制备出直径Φ630mm、长度约1700mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭，如图3所示。

Claims (6)

1.超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，合金元素质量百分比为：Gd：8.0-9.6%，Y：1.8-3.2%，Gd与Y的含量之比为：3≤Gd/Y≤5，Zr：0.3-0.7%，Er：0.02-0.3%，Ag：0.02-0.5%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，其特征在于包含以下步骤：
A. 在熔炼炉中依次熔化高纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Er中间合金和纯Ag，炉内温度控制在700-780℃；
B.待原料完全熔化后进行初次扒渣，去除浮于液面的熔渣；
C. 升温至780-800℃通氩气精炼15-30min，精炼完毕进行二次扒渣；然后降温至680-700℃，静置1-2h；
D. 采用装配有励磁线圈的结晶器在电磁场环境下进行半连续浇铸，控制电磁场频率为15-30HZ，低频电流为80-100mA，炉内熔体温度680-700℃，结晶器内熔体温度630-650℃，拉锭速度20-50mm/min，冷却水强度为25-35m3/h，最终制备出直径Φ340-630mm、长度1500-4500mm、组织均匀、表面光滑、无裂纹的高强镁合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，其特征在于：A步骤中熔化原料时，炉内温度控制在750-780℃。
3.根据权利要求1所述的超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，其特征在于：C步骤精炼温度为780-790℃，时间为15-20min；静置温度为680-690℃，时间为1.5-2h。
4.根据权利要求1所述的超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，其特征在于：D步骤电磁场频率为15-20HZ，低频电流为80-90mA。
5.根据权利要求1所述的超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，其特征在于：D步骤控制浇铸时炉内熔体温度为680-690℃，结晶器内温度640-650℃。
6.根据权利要求1所述的超高强耐高温镁合金大锭坯电磁半连续铸造工艺，其特征在于：D步骤中当铸锭直径为Φ600-630mm时，拉锭速度控制为20-25mm/min。
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