CN108251728A - 适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Ca:0.5‑1.2wt.%,Ge:2.4‑3.5wt.%；Mn:1.0‑2.5wt.%,Ni：2.4‑3.8wt.%，Y:0.5‑1.2wt.%,Nb:0.2‑0.6wt.%,余量为镁。该镁钙合金具有优异的压铸性能，并具有优异的导热性能。预期对提升我国自主研发精品新材料，占领国际精品新材料市场具有促进作用。

Description

适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁钙合金。

背景技术

镁合金是以镁为基础加入其它元素组成的合金,是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的重量比铝轻，强度也较低，主要用于制造低承力的零件。镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。民用机和军用飞机、尤其是轰炸机广泛使用镁合金制品。镁合金也用于导弹和卫星上的一些部件，如地空导弹的仪表舱、尾舱和发动机支架等都使用了镁合金。

镁合金按制造加工工艺可分为铸造镁合金和变形镁合金两种类型。铸造镁合金的优点很多，首先，熔点低，熔炼时不易氧化，保温较方便，压室和压铸模壁受热少，延长了铸型的使用寿命;其次，铸造性能好，熔融状态下流动性好，不吸铁，不易粘模;另外，可以制成形状复杂的零件,不需要庞大的附加设备,具有节约金属、降低成本、减少工时等优点。故镁合金广泛应用于薄壁产品以及对表面光洁度要求高、需电镀的压铸产品。在机械性能方面，镁合金具有较高的强度和耐磨损能力，以及抗冲击塑性变形能力和易加工的性质，都是其它材料无法替代的。

压力铸造是指熔融的金属液在高压作用下，高速完成模具型腔的充填，并在压力下凝固，实现短时间内大量生产精度高且铸面优良之铸件的铸造工艺。压铸方法按压铸机种类可以分为热室压铸法与冷室压铸法。冷室压铸机与热室压铸机结构上的主要差异存在于压射端。压铸生产中，影响压铸件质量的因素有很多，其中压铸型本身的设计品质是最直接的影响因素，此外，压铸工艺参数的控制也是得到优质压铸件的关键。但由于压铸件本身结构的复杂性以及压铸成形过程的复杂性，使得传统的压铸型设计周期长，试模修模反复率高，这与现代工业对铸件生产高质量、短周期的要求极不相称。

虽然我国镁合金压铸工业具有很大的资源优势，但目前绝大多数的镁合金压铸企业，均采用传统的压铸用镁合金。这类传统材料的压铸工艺很大程度上通过大量的、长周期的反复试验修改才能最终实现工艺目标。故在铸型开发周期、铸型设计质量及其所实现的工艺质量等方面较难保证，使得企业亦无法在竞争激烈的市场中获得更大的突破。此外，铸造工业的迅猛发展也使得在成本控制方面的竞争日益激烈。因此,对传统铸造用镁合金进行底层性质的创新和优化，对镁合金压铸工艺甚至整个压铸行业及其技术的发展与提升具有积极的意义。满足市场对产品多样化的需求，抢占市场先机，提升企业竞争力。

开发高品质压铸用镁合金对于提升我国自主研发精品新材料，占领国际精品新材料市场具有促进作用。国外己经开发的压铸用新型镁合金铸造性能和传热性能还不能令人满意。开发具备适合压铸材料用镁合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成镁基复合材料。Ca和Ge作为合金化元素加入镁合金中可以大大提高镁合金的铸造性能和传热性能。随着我国工业的快速发展，开发压铸用新型镁合金已成为必然。

镁钙合金在熔炼和成型过程中极易发生氧化、燃烧甚至爆炸，不仅给零件的成型与性能造成危害，还很容易伤及人体和污染环境。镁钙合金产业化的一个重要方向就是如何阻止其高温下的氧化燃烧。目前冶炼工业中常采用氯化盐熔剂保护法与惰性气体保护法。但是，这两种方法都有其难以避免的缺陷，如易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。此外，熔炼、浇注设备和工艺复杂，加大了成本。解决镁钙合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向镁钙合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。合金化阻燃法其机理是在镁钙合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且镁钙合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高镁钙合金的加工安全性。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在700-800度大气条件下进行熔炼的适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品不仅具备优异的压铸性能,其传热性能也远远高于现有的镁合金。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca: 0.5-1.2wt.%,Ge:2.4-3.5wt.%；Mn:1.0-2.5wt.%,Ni：2.4-3.8wt.%，Y:0.5-1.2wt.%, Nb:0.2-0.6wt.%,余量为镁。该镁钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钙合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理280度，2.4小时；真空时效处理180度，1.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前用于压铸用镁合金的冷室压铸性能和传热性能不好的状态提供了一种新颖的材料学解决方案。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在700-800温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。且该镁钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（2）传统铸造用镁合金材料对加工工艺要求很难严格。模具温度过高，容易导致粘模、开膜时间延长等，影响生产效率;模具温度过低，金属液散热太快，有可能导致提前凝固而影响充型效果;而充型速度过高易引起紊流、卷气等现象，还会加速压铸模具的磨损。本专利设计的新型压铸用镁合金具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。

（3）现有的压铸用镁合金虽然易于压铸，但对于厚度小于1mm的薄壁壳来说，铸造流动性不足。普遍存在的问题是良品率低、表面的外观质量欠佳，表面容易出现流线痕迹、斑点、疏松等铸造缺陷，很难保证产品表面光洁平整的质量要求，而且带来很大的表面整修工作负担，加大了生产成本。本发明提供的压铸镁合金，不仅显著提高了镁制品的压铸成品率，而且能成功地压铸厚度小于0.05mm的超薄型镁制品。该产品还具有优异的力学性能，抗拉强度可以达到400-480Mpa，而普通铸造用镁合金的抗拉强度维持在320Mpa以下。在室温下，该材料具有极高的传热系数，可以达到120-140W/m·K。而普通铸造用镁合金的传热系数一般维持在80 W/m·K以下。此外，该材料比传统镁基合金的密度降低4-5%左右。

具体实施方式

实施例1

一种在750度熔炼适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 0.8wt.%,Ge:2.6wt.%；Mn:1.5wt.%,Ni：2.9wt.%，Y:0.8wt.%, Nb:0.4wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到750度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在750度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钙合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理280度，2.4小时；真空时效处理180度，1.5小时。

本专利设计的新型压铸用镁合金具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。现有的压铸用镁合金虽然易于压铸，但对于厚度小于1mm的薄壁壳来说，铸造流动性不足。普遍存在的问题是良品率低、表面的外观质量欠佳，表面容易出现流线痕迹、斑点、疏松等铸造缺陷，很难保证产品表面光洁平整的质量要求，而且带来很大的表面整修工作负担，加大了生产成本。本发明提供的压铸镁合金，不仅显著提高了镁制品的压铸成品率，而且能成功地压铸厚度小于0.05mm的超薄型镁制品。该产品还具有优异的力学性能，抗拉强度可以达到425Mpa，而普通铸造用镁合金的抗拉强度维持在320Mpa以下。在室温下，该材料具有极高的传热系数，可以达到125W/m·K。而普通铸造用镁合金的传热系数一般维持在80 W/m·K以下。此外，该材料比传统镁基合金的密度降低4.2%左右。且该镁钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于1.6wt.%左右。

实施例2

一种在770度熔炼适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 0.9wt.%,Ge:3.1wt.%；Mn:1.8wt.%,Ni：2.6wt.%，Y:0.8wt.%, Nb:0.4wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到770度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在770度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钙合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理280度，2.4小时；真空时效处理180度，1.5小时。

本专利设计的新型压铸用镁合金具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。现有的压铸用镁合金虽然易于压铸，但对于厚度小于1mm的薄壁壳来说，铸造流动性不足。普遍存在的问题是良品率低、表面的外观质量欠佳，表面容易出现流线痕迹、斑点、疏松等铸造缺陷，很难保证产品表面光洁平整的质量要求，而且带来很大的表面整修工作负担，加大了生产成本。本发明提供的压铸镁合金，不仅显著提高了镁制品的压铸成品率，而且能成功地压铸厚度小于0.05mm的超薄型镁制品。该产品还具有优异的力学性能，抗拉强度可以达到458Mpa，而普通铸造用镁合金的抗拉强度维持在320Mpa以下。在室温下，该材料具有极高的传热系数，可以达到135W/m·K。而普通铸造用镁合金的传热系数一般维持在80 W/m·K以下。此外，该材料比传统镁基合金的密度降低4.6%左右。且该镁钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于1.2wt.%左右。

实施例3

一种在790度熔炼适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 1.0wt.%,Ge:3.2wt.%；Mn:1.8wt.%,Ni：2.6wt.%，Y:0.9wt.%, Nb:0.5wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到790度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在790度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为14m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钙合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理280度，2.4小时；真空时效处理180度，1.5小时。

本专利设计的新型压铸用镁合金具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。现有的压铸用镁合金虽然易于压铸，但对于厚度小于1mm的薄壁壳来说，铸造流动性不足。普遍存在的问题是良品率低、表面的外观质量欠佳，表面容易出现流线痕迹、斑点、疏松等铸造缺陷，很难保证产品表面光洁平整的质量要求，而且带来很大的表面整修工作负担，加大了生产成本。本发明提供的压铸镁合金，不仅显著提高了镁制品的压铸成品率，而且能成功地压铸厚度小于0.05mm的超薄型镁制品。该产品还具有优异的力学性能，抗拉强度可以达到452Mpa，而普通铸造用镁合金的抗拉强度维持在320Mpa以下。在室温下，该材料具有极高的传热系数，可以达到132W/m·K。而普通铸造用镁合金的传热系数一般维持在80 W/m·K以下。此外，该材料比传统镁基合金的密度降低4.3%左右。且该镁钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于1.6wt.%左右。

Claims (3)

1.一种适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Ca:0.5-1.2wt.%,Ge:2.4-3.5wt.%；Mn:1.0-2.5wt.%,Ni：2.4-3.8wt.%，Y:0.5-1.2wt.%, Nb:0.2-0.6wt.%,余量为镁。

2.根据权利要求1所述适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到450-500度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在450-500度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。

3.根据权利要求1所述适合冷室压铸用的高导热含Ge镁合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钙合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理280度，2.4小时；真空时效处理180度，1.5小时。