CN107034403B - Vw64m高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺 - Google Patents

Vw64m高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺，合金成分（wt.%）为：Gd:5.0‑7.0%、Y:2.5‑4.0%、Ag:0.1‑0.3%、Zn:0.15‑1.0%、Zr:0.25‑0.65%、Ca:0.002‑0.050%，其余为Mg。本发明在670‑720℃熔化镁锭、添加Mg‑Ca中间合金和熔剂、750‑800℃添加合金元素、精炼除渣、通气搅拌、调整温度在680‑700℃保温静置1.5‑3.5h、低温慢速电磁浇铸等步骤。通过协调各步骤工艺参数，得到无裂纹、表面光洁、晶粒细小、组织均匀、无溶质偏析的直径Ф300‑630mm、长度≥1000mm的镁合金锭坯。

Description

VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺
技术领域
本发明涉及镁合金铸造领域，特别涉及直径Ф300-630mm的Mg-Gd-Y-Ag-Zn-Zr-Ca系镁合金半连续铸造领域。
背景技术
近年来，镁及镁合金作为重要的结构材料，其优势在于密度低，比强度高和高的阻尼性能，以及切削加工性能良好，在汽车、信息电子和航空航天等对材料要求轻质高强的领域大尺寸镁合金结构件具有广阔的应用前景。在镁中加入稀土，合金强度和耐热性能大大提高，但塑性较低。研究发现Mg-Gd-Y-Ag-Zn-Zr-Ca系镁合金强度高，耐热性好，塑性变形能力强，延展性高。经塑性变形后，室温延伸率δ≥10%，200℃下抗拉强度σb≥330MPa，满足航空航天等领域对材料高强韧、耐高温的要求。
常规半连续铸造制备镁合金大铸锭的过程中，熔液容易烧损，导致铸锭内部存在大量的夹杂、气孔、疏松、中心裂纹等缺陷，降低铸锭质量并直接影响后续变形工艺和结构件的正常使用。稀土镁合金锭坯在铸造过程中由于稀土的大量加入增加了熔液的密度，降低了熔液的流动性，铸锭表面冷隔严重；稀土加入导致金属收缩量大，铸造热应力急剧增大，使得各种铸造缺陷更易出现，特别是贯穿锭坯的穿透性裂纹，成型难度显著提高。尤其是Zn元素的添加增加了边裂和热裂倾向，加大了铸造难度。本发明针对这些实际问题，协调优化各步骤的工艺参数，并利用电磁搅拌合金熔液，使熔液温度场更均匀，溶质偏析得以消除，得到了直径Ф300-630mm、长度≥1000mm，无裂纹、表面光洁、晶粒细小、组织均匀、无溶质偏析的Mg-Gd-Y-Ag-Zn-Zr-Ca系镁合金的半连续铸造工艺。
发明内容
本发明针对工程应用中对镁合金大尺寸结构件的需求，发明了VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺，合金质量百分比成分为：Gd:5.0-7.0%、Y:2.5-4.0%、Ag:0.1-0.3%、Zn:0.15-1.0%、Zr:0.25-0.65%、Ca:0.002-0.050%，其余为Mg，具体工艺步骤为：
1、熔融高纯镁锭，控制熔液温度670-700℃，待镁锭完全熔化后加入Mg-Ca中间合金和6#熔剂；在较低温度熔化镁锭有效降低了镁锭烧损，从而减少氧化物夹渣；Ca元素的加入有助于晶粒的细化，而熔剂有净化熔体的作用，有效提高了铸锭的质量；
2、镁锭全部融化后除去熔液浮渣，防止浮渣在之后加入合金元素时被带入熔液，在和CO2的混合气体保护下将温度升至750-800℃，依次加入高纯锌、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、高纯银，并加入6#熔剂，SF6会与镁液生成一层致密而且稳定的MgF2保护膜，温度继续升高，该膜层不会被破坏，从而起到很好的保护作用，通过SF6做保护气体的工艺生产不会造成熔液污染，而且成本低；在750℃以上加入中间合金，使中间合金中可能存在的高熔点相熔入镁液，同时控制熔体温度低于800℃，以降低熔体的烧损；
3、原料全部融化之后，除掉熔液表面浮渣，防止浮渣在之后搅拌精炼时被带入熔液，通入氩气搅拌10-20min，氩气搅拌熔液，加速熔液的流动，使熔液温度和成分均匀并加速溶质原子的扩散，氩气气泡在上浮过程中将熔液中的夹杂带出熔液表面以便除去；
4、在SF6与CO2的混合气体保护下调整熔液温度至760-780℃保温20-30min，由于本工艺中加入了较多合金元素，在较高温度保温有效加速溶质原子扩散，消除溶质原子偏析；
5、对熔液进行静置，控制熔液温度680-700℃，在较高温度下熔体的粘度低，流动性好，有利于熔体中的夹杂上浮或下沉，静置时间：1.5-3.5h，使熔体中的夹杂有充分的时间与熔液分离；
6、浇铸，通过氩气压力导出熔液，导入电磁铸造结晶器，同时向结晶器中通入SF6与CO2的混合气体，其中，电磁铸造工艺参数：电流80-120mA，频率10-20Hz，冷却水流量20-35m3/h，控制炉内熔液温度680-700℃、结晶器内熔液温度620-660℃、拉锭速度15-35mm/min，最终浇铸出直径Ф300-630mm、长度≥1000mm的镁合金锭坯。
所述步骤6中电磁铸造工艺参数：电流90-100mA，频率18-20Hz，冷却水流量30-35m3/h。
所述步骤6中电磁铸造结晶器中熔液高度为30-40mm。
本发明中加入了Zn元素，熔体在非平衡凝固时，Zn与Mg、Y形成的Mg12YZn是一种长程有序结构，其弹性模量大于α-Mg基体。采用传统铸造工艺Zn元素宏观偏析严重，Mg12YZn在铸锭心部的体积分数远大于铸锭边部，导致铸锭冷隔严重并且容易开裂，铸锭尺寸越大冷隔和开裂越严重。本发明采用电磁铸造，具体工艺为：电流80-120mA，低频率10-20Hz，有效搅拌了结晶器内熔体，使熔体温度均匀，消除了Zn的宏观偏析，Mg12YZn在铸锭中分布均匀，同时保证了在搅拌结晶器内熔体的同时不会破坏熔体表面的MgF2保护膜，有效降低了氧化物等杂质 ，提高了铸锭质量，最终浇铸出直径达Ф630mm、长度≥1000mm、无裂纹、表面光洁、晶粒细小、组织均匀、无溶质偏析的Mg-Gd-Y-Ag-Zn-Zr-Ca系镁合金锭坯。
具体实施方式
实施例1
在容量为1吨的熔炼炉中，熔融高纯镁锭，熔融时控制熔液温度690-700℃，在镁锭完全融化后加入Mg-Ca中间合金和6#熔剂，其中Ca元素占合金质量百分比的0.01%。去除熔液表面浮渣，在SF6与CO2的混合气体的保护下将温度升至750-780℃，依次加入Mg-Gd中间合金、高纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、高纯银，加入6#熔剂。在原料全部融化之后，除掉熔液表面浮渣，通入氩气搅拌除气10min。对熔液加盖密封后在SF6与CO2的保护下将熔液温度调整到760-770℃，保温20min。将电阻炉断电，使熔液温度保持在680-690℃，静置1.5h。之后进行浇铸，电流120mA，频率15Hz，冷却水流量20m3/h，保持炉内熔液温度690-700℃，结晶器内熔液温度630-640℃，拉锭速度30-35mm/min。锭子在结晶器中一次水冷，在结晶器以下450mm处二次水冷，再以下，空冷。最后成功浇铸出Ф340mm的Mg-6Gd-3Y-0.2Ag-0.7Zn-0.3Zr-0.01Ca镁合金铸锭。
实施例2
在容量为1吨的熔炼炉中，熔融高纯镁锭，熔融时控制熔液温度680-690℃，在镁锭融化后加入Mg-Ca中间合金和6#熔剂，其中Ca元素占合金质量百分比的0.02%。去除熔液表面浮渣，在SF6与CO2的混合气体保护下将温度升至760-790℃，依次加入Mg-Gd中间合金、高纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、高纯银，加入6#熔剂。在原料全部融化之后，除掉熔液表面浮渣，通入氩气搅拌除气15min。对熔液加盖密封后在SF6与CO2的保护下将熔液温度调整到760-770℃，保温25min。将电阻炉断电，使熔液温度保持在680-690℃，静置2.5h。之后进行浇铸，电流100mA，频率20Hz，冷却水流量30m3/h，保持炉内熔液温度680-690℃，结晶器内熔液温度620-630℃，拉锭速度20-25mm/min，锭子在结晶器中一次水冷，在结晶器以下500mm处二次水冷，再以下空冷。最后成功浇铸出Ф450mm的Mg-6Gd-3Y-0.3Ag-0.7Zn-0.3Zr-0.02Ca镁合金铸锭。
实施例3
在容量为1吨的熔炼炉中，熔融高纯镁锭，熔融时控制熔液温度670-680℃，在镁锭融化后加入Mg-Ca中间合金和6#熔剂，其中Ca元素占合金质量百分比的0.05%。去除熔液表面浮渣，通入SF6与CO2的混合气体保护熔液并将温度升至760-790℃，依次加入Mg-Gd中间合金、高纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、高纯银，加入6#熔剂。在原料全部融化之后，除掉熔液表面浮渣，通入氩气搅拌除气20min。对熔液加盖密封后在SF6与CO2的保护下将熔液温度调整到770-780℃，保温30min。将电阻炉断电，使熔液温度保持在680-690℃，静置3h。之后进行浇铸，电流80mA，频率18Hz，冷却水流量35m3/h，保持炉内熔液温度680-690℃，结晶器内熔液温度620-630℃，拉锭速度15-20mm/min。锭子在结晶器中一次水冷，在结晶器以下550mm处二次水冷，再以下，空冷。最后成功浇铸出Ф630mm的Mg-6Gd-3Y-0.2Ag-0.2Zn-0.4Zr-0.05Ca镁合金铸锭。

Claims (3)

1.VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺，合金质量百分比成分为：Gd:5.0-7.0%、Y:2.5-4.0%、Ag:0.1-0.3%、Zn:0.15-1.0%、Zr:0.25-0.65%、Ca:0.002-0.050%，其余为Mg，具体工艺包括以下步骤：
A、熔融高纯镁锭，控制熔液温度670-700℃，并加入Mg-Ca中间合金和6#熔剂；
B、镁锭全部融化后除去熔液浮渣，防止浮渣在之后加入合金元素时被带入熔液，在SF6和CO2的混合气体保护下将温度升至750-800℃，依次加入高纯锌、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、高纯银，并加入6#熔剂；
C、原料全部融化之后，除掉熔液表面浮渣，防止浮渣在之后搅拌精炼时被带入熔液，通入氩气搅拌10-20min，使熔液温度和成分均匀，氩气气泡能将熔液中的夹杂带出到熔液表面以便除去；
D、在SF6与CO2保护下调整熔液温度到760-780℃，保温20-30min，保温过程溶质原子充分扩散，消除溶质原子偏析；
E、对熔液进行静置，控制熔液温度680-700℃，静置时间：1.5-3.5h，使熔液中的夹杂上浮或下沉，与熔液分离；
F、浇铸，通过氩气压力导出熔液，导入电磁铸造结晶器，同时向结晶器中通入SF6与CO2的混合气体，其中，电磁铸造工艺参数：电流80-120mA，频率10-20Hz，冷却水流量20-35m3/h，控制炉内熔液温度680-700℃、结晶器内熔液温度620-660℃、拉锭速度15-35mm/min，最终浇铸出直径Ф300-630mm、长度≥1000mm的镁合金锭坯；
2.根据权利要求1所述的VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺，其特征在于：所述F步骤中电磁铸造工艺参数：电流90-100mA，频率18-20Hz，冷却水流量30-35m3/h。
3.根据权利要求1所述的VW64M高强耐热镁合金大锭坯半连续铸造工艺，其特征在于：所述F步骤中电磁铸造结晶器中熔液高度为30-40mm。
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