CN107419127A - 一种镁合金细化剂及其制备方法 - Google Patents

一种镁合金细化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镁合金细化剂及其制备方法，属于镁合金技术领域。本发明将镁铝合金加入熔炼炉中，在保护气氛围下加热保温，得镁铝熔体；将稀土化合物加入镁铝熔体中，保温搅拌，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌，得合金熔体；将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇注完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。本发明制备的镁合金细化剂具有较好的细化能力，使用后，提高了合金的耐腐蚀性能，同时在熔炼时未产生有害气体，不会对环境产生污染。

Description

一种镁合金细化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金细化剂及其制备方法，属于镁合金技术领域。
背景技术
镁合金由于具有高的比强度、比刚度，因此可以广泛地应用于航空航天、汽车、机械、电子、计算机等领域中，达到降低构件重量的目的。应用镁合金细化剂对镁合金熔体进行细化处理是提高镁合金综合性能和改善镁合金成形性的重要手段。晶粒细化作用主要体现在以下几方面：①细小的晶粒则有助于提高合金的力学性能和塑性变形能力；②细小的晶粒则有助于减少热裂和疏松等铸造缺陷，从而使合金的性能得到提高；此外，细小的晶粒还有助于改善镁合金的耐腐蚀性能和加工性能。
Mg-Al合金是最常用的商用镁合金，由于合金中铝元素的存在，因此采用含Zr细化剂无法达到细化的效果。含铝镁合金的细化从原理上目前主要有：（1）过热处理法：就是将合金加热到150～260K，保温一段时间（保温的时间长短与合金类型、熔体纯度及浇铸工艺有关），然后快速冷却到浇铸温度。这种方法保温时间太长、温度超出或者低于过热温度范围都将导致晶粒粗化，达不到细化要求；（2）含碳材料处理法：该法是通过向镁合金熔体中加入碳或含碳的化合物，如固体石蜡、六氯乙烷、碳酸盐或含碳气体等，从而达到细化晶粒的目的，但是这种方法需要在高于液相线150℃～200℃的温度下熔炼，而且会产生Cl2、HCI等有害气体，造成环境污染；（3）氯化铁法：通过向含有铝和锰的镁合金熔体中加入氯化铁，可以获得与过热处理相似的细化效果。但由于杂质元素Fe的存在，降低了镁合金的耐蚀性；（4）Zr元素法：Zr元素是镁合金的一种非常好的细化剂，但是由于Zr容易与合金中的Al元素发生反应形成化合物，从而失去细化的效果。
因此，研究发明一种对镁合金具有较好的细化效果，提高镁合金的耐蚀性能，同时在熔炼过程中不会产生有害气体，而污染环境的镁合金细化剂是现有技术人员研究的重中之重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有的细化剂细化效果不佳，影响合金的耐蚀性，同时对环境造成污染的问题，提供了一种镁合金细化剂及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种镁合金细化剂，其特征在于，所述细化剂为镁—铝—碳—锰—稀土中间合
金，所述中间合金中各组分重量百分比为：50～80%镁，10～30%铝，5.5～11.0%锰，1.2～2.4%碳，0.02～0.05%稀土元素，所述各组分重量百分比之和为100%。
所述镁合金细化剂采用稀土化合物作为反应促进剂，通过熔炼反应浇注而成。
所述稀土化合物为氧化铈或硝酸铈中的任意一种。
所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在120～150℃下干燥2～3h，去除水分。
所述的一种镁合金细化剂的制备方法，具体步骤为：
S1.按重量百分比配料；
S2.将镁铝合金加入熔炼炉中，在保护气氛围下加热至750～900℃，保温40～60min，得镁铝熔体；
S3.将稀土化合物加入镁铝熔体中，保温搅拌10～15min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌30～50min，得合金熔体；
S4.将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇注完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。
所述保护气为按体积比1:99混合的六氟化硫与氮气的混合气。
所述低压脉冲磁场电压为100～300V，脉冲频率为5～20Hz。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明通过在镁合金熔体中形成了大量的A14C3或A1-C-O-Mn化合物，作为有效的双相形核质点，促进α－Mg形核，两个相互接触的相的晶体结构和晶格参数相似，晶核与基底的接触角θ越小，这使得它们之间的表面能也就越小，从而减小形核功，使形核可以在较小的过冷度下进行，增大形核率，对形核起到促进作用，同时碳酸锰分解过程中有二氧化碳气体生成，能起到良好的搅拌作用，气体的搅动促使型壁上的初生晶脱落或已形成的枝晶破碎断裂，为新晶核的生成提供核心，进一步细化合金凝固后的平均晶粒，且无杂质元素Fe的存在，不会降低镁合金的耐蚀性；
（2）本发明利用在金属凝固过程中，由于模壁的催化作用，通常形核在模壁处开始，发生异质形核的特点，在凝固过程中施加外加磁场后，熔体中会产生感生电流，感生电流再和外加磁场相互作用就会产生电磁力，该电磁力会作用于熔体将导致熔体运动将模壁形成的晶核有效地分散到熔体中，提高合金凝固的形核率，从而获得细晶的凝固组织，且不会产生Cl2、HCl等有害气体，造成环境污染，细化效果好。
具体实施方式
称取600～950g镁铝合金，115～230g碳、锰原料，0.2～0.5g稀土化合物，将镁铝合金加入熔炼炉中，并持续通入按体积比1：99混合的六氟化硫与氮气的混合气至炉内空气排净，再加热熔炼炉至750～900℃，保温熔炼40～60min，得镁铝熔体，将稀土化合物加入镁铝熔体中，以100～150r/min保温搅拌10～15min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌30～50min，得合金熔体，将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇铸完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，控制电压为100～300V，脉冲频率为5～20Hz，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。所述稀土化合物为氧化铈或硝酸铈中的任意一种。所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在120～150℃下干燥2～3h，去除水分。
实例1
称取950g镁铝合金，230g碳、锰原料，0.5g稀土化合物，将镁铝合金加入熔炼炉中，并持续通入按体积比1：99混合的六氟化硫与氮气的混合气至炉内空气排净，再加热熔炼炉至900℃，保温熔炼60min，得镁铝熔体，将稀土化合物加入镁铝熔体中，以150r/min保温搅拌15min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌50min，得合金熔体，将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇铸完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，控制电压为300V，脉冲频率为20Hz，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。所述稀土化合物为氧化铈。所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在150℃下干燥3h，去除水分。
实例2
称取600g镁铝合金，115g碳、锰原料，0.2g稀土化合物，将镁铝合金加入熔炼炉中，并持续通入按体积比1：99混合的六氟化硫与氮气的混合气至炉内空气排净，再加热熔炼炉至750℃，保温熔炼40min，得镁铝熔体，将稀土化合物加入镁铝熔体中，以100r/min保温搅拌10min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌30min，得合金熔体，将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇铸完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，控制电压为100V，脉冲频率为5Hz，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。所述稀土化合物为氧化铈。所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在120℃下干燥2h，去除水分。
实例3
称取800g镁铝合金，210g碳、锰原料，0.3g稀土化合物，将镁铝合金加入熔炼炉中，并持续通入按体积比1：99混合的六氟化硫与氮气的混合气至炉内空气排净，再加热熔炼炉至800℃，保温熔炼50min，得镁铝熔体，将稀土化合物加入镁铝熔体中，以120r/min保温搅拌12min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌40min，得合金熔体，将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇铸完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，控制电压为200V，脉冲频率为10Hz，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。所述稀土化合物为氧化铈。所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在130℃下干燥3h，去除水分。
对照例：佛山市某冶金材料有限公司生产的镁合金细化剂。
将实例及对照例的细化剂应用镁合金中，具体应用如下：
（1）称取200g的AZ91D合金锭，并用质量分数为35%的乙醇溶液对其进行清洗，待清洗干净后，对合金锭进行干燥并放入不锈钢坩埚里，然后放入井式炉中加热，设定温度为500℃，同时将热电偶伸入到坩埚中测量合金的实际温度；
（2）待合金的实际温度达到500℃，打开井式炉中的保护气体瓶气阀，向其通入干燥的混合气体，控制通入速率为1.5L/min，所述的混合气体为按体积比1:1，将SF6和CO2进行混合而成；
（3）在通入混合气体后，将温度设定到740℃，同时通过伸入到熔体中的热电偶来获得熔体实际温度，当实际温度达到740℃且稳定后，采用钟罩将用铝箔包裹的细化剂粉末压入到距离熔体底部三分之一的位置，使钟罩平稳地左右移动，直至熔体内不再产生气泡为止，再静置10min；
（4）待静置结束后，将熔体浇注至模具中，并进行空冷，即可得到细化后的合金。
将得到的细化后的合金进行检测，具体检测如下：
（1）平均晶粒尺寸测定：将细化后的合金切割成10mm×10mm×10mm的试样，首先利用砂轮机对试样进行去毛刺处理，再分别用180#、400#、800#型号的水磨砂纸对需要观察的面进行打磨后，用酒精将其表面进行清洗干净，再进行抛光处理，在处理结束后，利用腐蚀液对其表面进行腐蚀处理，试样经腐蚀后，用酒精将观察面上的腐蚀液冲洗干净，并用吹风机吹干，在显微镜下观察合金的微观组织并拍下金相照片，在金相照片上，采用国标GB/T6394-2002中的直线截点法测量平均晶粒尺寸；
（2）耐蚀性测试：将细化后的合金切割成10mm×10mm×10mm的试样，采用室温、质量分数为5%的氯化钠盐水浸泡腐蚀3天，并测试其腐蚀率，测试方法参照GB10124-1988《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》。
具体检测结果如表1。
表1
由表1可知，本发明制备的镁合金细化剂具有较好的细化能力，使用后，对合金的腐蚀速率较低，具有较好的耐蚀性能，同时在熔炼时未产生有害气体，不会对环境产生污染。

Claims (7)

1.一种镁合金细化剂，其特征在于，所述细化剂为镁—铝—碳—锰—稀土中间合
金，所述中间合金中各组分重量百分比为：50～80%镁，10～30%铝，5.5～11.0%锰，1.2～2.4%碳，0.02～0.05%稀土元素，所述各组分重量百分比之和为100%。
2.如权利要求1所述的一种镁合金细化剂，其特征在于，所述镁合金细化剂采用稀土化合物作为反应促进剂，通过熔炼反应浇注而成。
3.如权利要求2所述的一种镁合金细化剂，其特征在于，所述稀土化合物为氧化铈或硝酸铈中的任意一种。
4.如权利要求1所述的一种镁合金细化剂，其特征在于，所述镁合金细化剂采用的碳、锰原料为预处理的碳酸锰，所述预处理过程为在120～150℃下干燥2～3h，去除水分。
5.如权利要求1～4任意一项所述的一种镁合金细化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.按重量百分比配料；
S2.将镁铝合金加入熔炼炉中，在保护气氛围下加热至750～900℃，保温40～60min，得镁铝熔体；
S3.将稀土化合物加入镁铝熔体中，保温搅拌10～15min，再加入碳、锰原料，继续保温搅拌30～50min，得合金熔体；
S4.将合金熔体浇注成型，并在外部增加低压脉冲磁场，浇注完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，熔体凝固完毕后关闭脉冲磁场，即得镁合金细化剂。
6.如权利要求5所述的一种镁合金细化剂的制备方法，其特征在于，所述保护气为按体积比1:99混合的六氟化硫与氮气的混合气。
7.如权利要求5所述的一种镁合金细化剂的制备方法，其特征在于，所述低压脉冲磁场电压为100～300V，脉冲频率为5～20Hz。
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