CN108262448A - 一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具 - Google Patents

一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具 Download PDF

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Abstract

本发明属于镁合金加工用铸造模具的技术领域，具体涉及一种提高Mg‑Zn‑Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，解决了现有的模具难以制备高纯度准晶的镁合金的问题。其采用铬锆铜加工而成，包括闭合后形成型腔的第一半模具和第二半模具，型腔包括试棒型腔、浇注系统以及内置补缩冒口，浇注系统包括浇口和浇道，浇口形状为上部呈漏斗形下部呈圆柱体的空腔；浇道包括竖浇道和横浇道，竖浇道为蛇形，所述横浇道位于试棒型腔底部形成底注式浇注系统。采用本发明可大幅提高合金试棒的结晶冷却速度，从而达到获得大量自生准晶，显著提高镁合金试棒综合性能的目的，同时采用底注式浇注系统可以避免浇注过程中产生大量氧化渣等杂质，减少合金组织疏松。

Description

一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具
技术领域
本发明属于镁合金加工用铸造模具的技术领域，具体涉及一种提高Mg-Zn-Al合金（高锌镁合金）自生准晶含量的铸造铜模具。
背景技术
镁合金具有优异的工艺性能、较好的耐腐蚀性能、良好的导热、减振及电磁屏蔽性和可回收性，但镁合金的高温性能较差，这使得其在高温零件中不能得到广泛应用。准晶具有高强度、硬度、弹性模量、低摩擦系数、表面能以及良好的热稳定性等性能，因此可以考虑将准晶作为强化相用来增强镁合金的高温性能。传统铸造法工艺简单，对设备要求低，但是很难制备出纯度很高的准晶，其中冷却速度是很重要的影响因素。除了最常用的H13钢模具，传统的模具还有简单的紫铜模具或者水冷金属铜模具。传统紫铜模具结构简单，但冷却能力有限，铸造得到的试样显微组织粗大，性能较差，而且硬度低易磨损，使用寿命不长；水冷金属铜模具虽然冷却能力强，但是容易渗水、漏水，对镁合金的熔炼有一定的危险性，而且水冷模具造成整体结构复杂，大大增加设备成本。
经查阅文献，昆明市宜良化工设备铸造厂李家元、胡少波公布了一种带加强筋的Q235低碳钢金属模具，（中国，发明专利，公告号202539474U），该模具通过在模具周围增加加强筋散热冷却，细化合金棒材的晶粒。钢的传热系数比铜小很多，而且加强筋散热效果有限，
钢模具散热激冷效果比铜模具差很多。中北大学王一帆等用常规铸造法制备了AlCuFe准晶，发现冷却速度越大准晶合金的微观组织晶粒越细小，形貌更平整，准晶相更均匀单一化。（王一帆,侯华,田晋忠,张峰浩,赵宇宏,李会军. 冷却速度对制备AlCuFe准晶的影响[J]. 材料热处理学报,2016,37(10):8-13. [2017-08-25]. DOI：10.13289/j.issn.1009-6264.2016.10.002）。
综上所述，采用传统的铸造金属模具，冷却速度小，难以制备含有高纯度准晶的合金；普通的紫铜模具散热效果一般，使用寿命短；水冷铜模具对镁合金浇注的危险性太大，而且造成结构复杂，增加设备成本。
发明内容
本发明为了解决现有的模具难以制备高纯度准晶的镁合金的问题，提供了一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，能大幅提高浇注合金液的冷却速度，制备出具有高纯度准晶的高锌镁合金，从而得到在高温环境下有较好性能的镁合金。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于采用铬锆铜加工而成，包括长方体外形的第一半模具和第二半模具，所述的第一半模具和第二半模具闭合后形成型腔，所述的型腔包括试棒型腔、浇注系统以及内置补缩冒口，所述的浇注系统包括浇口和浇道，所述的浇口形状为上部呈漏斗形下部呈圆柱体的空腔；浇口截面为圆形，所述的浇道包括竖浇道和横浇道，所述的竖浇道为蛇形，竖浇道底端和横浇道圆弧连接，所述横浇道位于试棒型腔底部形成底注式浇注系统。
进一步的，所述第一半模具和第二半模具的背面在四个角的位置均配置有安装T字型把手的螺纹孔，螺纹孔分别连接有T字型把手。
进一步的，所述的第一半模具和第二半模具的侧面中间位置配置用于固定的铁搭扣。
进一步的，所述的第一半模具和第二半模具分型面侧设置有定位销和定位销孔，所述的第一半模具上的定位销孔与所述第二半模具上的定位销的位置及尺寸相匹配；所述第一半模具上的定位销与所述第二半模具上的定位销孔的位置及尺寸相匹配。
进一步的，所述的横浇道超过试棒型腔的端部设计内置补缩冒口。
本申请相对现有技术具有如下有益效果：采用本发明可大幅提高合金试棒的结晶冷却速度，从而达到获得大量自生准晶，显著提高镁合金试棒综合性能的目的，同时采用底注式浇注系统可以避免浇注过程中产生大量氧化渣等杂质，减少合金组织疏松。本发明结构设计科学合理，操作灵活。模具制作简便，有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2是利用铸造凝固模拟软件VIEWCAST模拟后的本发明模具铸件充型图，
图3是利用铸造凝固模拟软件VIEWCAST模拟后的本发明模具铸件充型时间图，
图4是利用铸造凝固模拟软件VIEWCAST模拟后的本发明模具铸件凝固时间图，
图5是利用铸造凝固模拟软件VIEWCAST模拟后的本发明模具铸件缩孔缩松分布图，
图6是利用铸造凝固模拟软件VIEWCAST模拟后的本发明模具铸件凝固时温度场分布图，
图7为传统钢模具铸造的镁合金的显微结构图，
图8为本发明铸造的镁合金的显微结构图。
图中：1-第一半模具，2-第二半模具，3-浇口，4-竖浇道，5-横浇道，6-试棒型腔，7-内置补缩冒口，8-定位销孔，9-分型面，10-T字型把手螺纹孔，11-定位销，12-固定咬合观测处。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，采用铬锆铜加工而成，其包括包括长方体外形的第一半模具1和第二半模具2、T字型把手、铁搭扣。所述第一半模具1和第二半模具2分别对应设置有：用以浇注时形成试棒的试棒型腔6、浇道、浇口6及在所述第一半模具1和第二半模具2闭合时可相互贴合的分型面9。浇口3形状为上部呈漏斗形下部呈圆柱体的空腔；浇口3截面设计为圆形；浇道包括竖浇道4和横浇道5，竖浇道4底端和横浇道5圆弧连接，竖浇道4采用蛇形浇道，有利于缓冲底部受到的金属液冲击力；横浇道5对侧设计内置补缩冒口7，能有效避免试棒中的缩孔缩松。
所述第一半模具1和第二半模具2背面分布在四个角的位置均配置有安装T字型把手螺纹孔10；所述的模具侧面中间位置配置有用于固定的铁搭扣，用于闭合模具形成型腔；固定咬合观测处，可判断第一半模具与第二半模具的密闭咬合程度；所述的模具分型面侧设置有用于两个半模具闭合时保持二者的相对位置不移位的定位销9和定位销孔11。所述第一半模具上的定位销孔与所述第二半模具上的定位销的位置及尺寸相匹配；所述第一半模具上的定位销与所述第二半模具上的定位销孔的位置及尺寸相匹配。
所述第一半模具与第二半模具通过定位销和定位销孔连接，侧面用铁搭扣夹住，闭合后形成型腔，该型腔包括试棒型腔、浇注系统、内置补缩冒口，金属液浇注系统流入到试棒型腔，型腔内气体通过试棒型腔顶端的小孔排出。所述模具能生产出需要的圆形截面试棒，所述模具通过背面螺纹孔插入T字型把手，开模简易可行，缩短开模时间。充型过程中合金液由浇口浇入后通过竖浇道、横浇道，经试棒型腔，再向上部冒口补缩部位倒流。采用蛇形浇道、底注式浇注系统，浇注过程中能有效避免浇注充型中的紊流状态，且可有效避免合金液在充型过程中氧化，同时尽可能确保合金液以层流的方式稳定充型、顺序凝固。浇注过程中，镁合金熔液将大量热量传递给铜模，金属液迅速得到冷却，实现快速凝固，为大量生成准晶提供条件。
在一定范围内提高冷却速度确实可以提高准晶含量，尤其是对于镁合金，目前国内外已经有大量文献可以证实。冷却速度的提高与模具材质有关系，也与模具的结构设计有关。与传统的金属型模具相比，本发明的冷却效果比较明显。首先，本发明所述的模具为长方体模具，以两块尺寸250*250*40的长方体模具为例，合到一起粗略计算，与空气接触的表面积大概为2050cm2；传统金属型模具为圆柱体，直径约为60mm，高度300mm，与空气接触表面积约为600cm2。经过对比，本模具与空气接触面积更大，且两类模具浇铸得到的合金试棒大小一样，本模具与空气的接触面积更大，散热效果更好可以判断本发明所述的模具的散热效果更佳；其次，本模具采用底注式浇注系统，模具内表面与合金熔液接触面积更大且体积更大，能更快的带走热量，结构设计合理，利用率高，不浪费模具材料。
如图2、3、4、5、6所示，通过VIEWCAST模拟软件对整个充型过程的数值模拟可以看出，试棒型腔固相率达到100%，浇注过程有效可行；充型和凝固时间均较短，符合快速凝固。缩孔缩松分布主要在内横浇道与试棒型腔连接处，对试棒无太大影响。
如图7、8所示，为本发明和传统钢模具的对比试验的显微结构图。图7采用的是传统的普通钢模具，材质为H13钢，模具的主体结构为空心圆柱体，中间空心部位为倒立的圆台，还有承载主体结构的下底座。图8采用的是本发明所述的铜模具。两次试验所用的铸造工艺完全相同，合金成分完全相同，SEM检测所取试样均为所得试棒中心位置。图（7）和图（8）中均可以观察到其共晶化合相主要是颗粒状的φ-Al2Mg5Zn2相、块状的τ-Mg32（Al，Zn）49相和骨骼状的ɛ-MgZn相。φ-Al2Mg5Zn2相和块状的τ-Mg32（Al，Zn）49相是准晶相。同图（7）相比，图（8）中的合金的显微组织细化明显，φ-Al2Mg5Zn2相和τ-Mg32（Al，Zn）49相分布更为密集均匀。明显的，本发明所述的模具相对传统钢模具可以显著的增加准晶含量。同时晶粒细小能有效改善镁合金的力学性能，图（7）和图（8）的合金室温抗拉强度分别为171MPa和193MPa，抗拉强度提升了12.9%。实验合金铸态力学性能在DNS100型电子万能试验机上进行测试，拉伸速率为0.5mm/min，拉伸试样标距部位尺寸18mm×4mm×2mm，每组三个试样，结果取其平均值。根据实验得到的数据用origin作出应力应变曲线，得到抗拉强度。
综上所述：本发明是一种适合镁合金凝固铸造特点的、集镁合金液态金属平稳充型、合金补缩、快速凝固、防止氧化于一体，具有稳定的高铸造质量的镁合金用铜模铸造模具。在保证相同的工艺条件（合金成分、浇注温度、模具温度、浇注时间等）下，浇注出的镁合金试棒性能有很好的稳定性和可重复性，同采用传统的铸造金属型模具以及砂型铸造相比，所制备的镁合金晶粒细小，成分均匀且准晶含量高，且晶粒更细小，力学性能显著提高，而且结构设计合理，操作灵活，模具制作方便，实用性强。缺陷少，准晶相密度大幅提升，力学性能提高15%左右。

Claims (5)

1.一种提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于采用铬锆铜加工而成，包括长方体外形的第一半模具和第二半模具，所述的第一半模具和第二半模具闭合后形成型腔，所述的型腔包括试棒型腔、浇注系统以及内置补缩冒口，所述的浇注系统包括浇口和浇道，所述的浇口形状为上部呈漏斗形下部呈圆柱体的空腔；浇口截面为圆形，所述的浇道包括竖浇道和横浇道，所述的竖浇道为蛇形，竖浇道底端和横浇道圆弧连接，所述横浇道位于试棒型腔底部形成底注式浇注系统。
2.根据权利要求1所述的提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于所述第一半模具和第二半模具的背面在四个角的位置均配置有安装T字型把手的螺纹孔，螺纹孔分别连接有T字型把手。
3.根据权利要求1或2所述的提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于第一半模具和第二半模具的侧面中间位置配置用于固定的铁搭扣。
4.根据权利要求3所述的提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于所述的第一半模具和第二半模具分型面侧设置有定位销和定位销孔，所述的第一半模具上的定位销孔与所述第二半模具上的定位销的位置及尺寸相匹配；所述第一半模具上的定位销与所述第二半模具上的定位销孔的位置及尺寸相匹配。
5.根据权利要求4所述的提高Mg-Zn-Al合金自生准晶含量的铸造铜模具，其特征在于横浇道超过试棒型腔的端部设计内置补缩冒口。
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