CN109628779A - 一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法 - Google Patents

一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法 Download PDF

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Abstract

一种细化高合金含量Mg‑Al‑Zn镁合金共晶相方法，细化高合金含量Mg‑Al‑Zn镁合金共晶相方法包括合金熔炼精炼、细化共晶相两个步骤。在气体保护下，将预热后的纯镁在700℃的温度下进行熔化，然后将一定比例的铝、锌加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀，再降温至680℃精炼和清渣处理；将预热后的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀，在控制凝固冷却速率条件下浇注成锭。该合金和传统高合金含量Mg‑Al‑Zn镁合金相比，共晶相Mg17Al12发生显著细化并从连续网状结构转变为不连续棒状、球状结构。本发明解决了高合金含量Mg‑Al‑Zn镁合金中共晶相Mg17Al12难以细化的难点，制备工艺简单、可靠。

Description

一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法。
背景技术
镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有高比强度、高导电导热性、高阻尼减震性、高静电屏蔽性以及良好的再生回用等优点，在航空航天、汽车和通讯等领域备受青睐。尤其在汽车轻量化方面，提高镁合金使用率会显著降低汽车重量，节省燃料以及CO2排放量，达到节能减耗的作用。
Mg-Al-Zn镁合金具有铸造成型性好、适用范围广、成本低廉等一系列优势，已经成为目前应用最为广泛的商用镁合金体系，其中高合金含量(铝和锌总质量百分比大于6％)Mg-Al-Zn镁合金具有强度高和耐蚀性优异等优点，冶炼工艺简单，商业应用前景非常广阔。
然而，在Mg-Al-Zn镁合金的凝固过程中，镁和铝会形成共晶Mg17Al12相，铝含量越高，形成的共晶相数量也会随之增加，因此在高合金含量Mg-Al-Zn镁合金的常规凝固过程中会产生大量共晶相。合金中析出相对合金性能的影响较大，研究表明镁合金中无论连续析出还是不连续析出的β-Mg17Al12共晶相与基体的位向关系为(011)p||(0001)m，平躺的析出相(与滑移面平行)对位错滑移的阻力较小，且Mg17Al12相为软质相，这对其强化效果较差。另外，Mg17Al12相的熔点仅为437℃，高温下对镁合金的强化效果也不利。当合金中铝含量较高时，形成的β-Mg17Al12共晶相主要沿晶界呈连续网状分布，在变形过程中对合金基体撕裂作用，引起裂纹产生。因此，如何细化Mg-Al-Zn镁合金中Mg17Al12共晶相并改变其连续网状分布结构，对于改善Mg-Al-Zn系镁合金综合力学性能、扩大合金应用范围具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法。
本发明的技术方案是：在气体保护下，将预热后的纯镁在700℃的温度下进行熔化，然后将一定比例的铝、锌加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀，再降温至680℃精炼和清渣处理，将预热后的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀，最后在控制凝固冷却速率条件下浇注成锭。
一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于，细化该合金共晶相方法包括合金熔炼精炼、细化共晶相两个步骤。
步骤一：合金精炼熔炼
(1)、将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)、待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)、将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-Al-Zn镁合金熔体；
步骤二：细化共晶相
(4)、将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)、将上述镁合金熔体静置保温，在控制凝固冷却速率条件下浇注成锭。
所述的高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中铝含量质量百分比为6-12％，锌含量质量百分比为0.4-1.2％，其余为镁。
所述步骤(4)中，镁钐中间合金的预热温度为150℃。
所述步骤(4)中，将镁钐中间合金加入到熔体中，引入钐元素含量在高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中的质量百分比为：钐0.05-0.3％。
所述步骤(5)中，镁合金熔体静置保温时间为3-25分钟。
所述步骤(5)中，通过使用内部配置有可控制循环水温水冷系统的铜模来实现控制凝固冷却速率，凝固冷却速率调控区间为10K/s-400K/s。
所述的高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中，除了Al、Zn合金元素以外，合金中还可以含有一定量的锰、锡、钙、银中的一种或者几种元素，合金元素总量质量百分比为0.5-2％。
本发明的有益效果：
1)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法简单易操作，得到的合金和传统高合金含量Mg-Al-Zn镁合金相比，共晶相Mg17Al12显著细化并且其形貌从传统的连续网状结构转变为不连续短棒状、球状结构，共晶相数量有一定程度的减少。
2)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法通过控制凝固冷却速率，抑制钐和铝形成铝钐中间相从而确保在共晶反应发生前熔体中有充足的活性钐原子，共晶相形成阶段熔体中游离的活性钐原子阻碍共晶相生长最终促进其细化以及结构的转变。
3)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法中添加的少量钐元素一部分和铝元素形成铝钐中间相，由此消耗一定铝含量从而减少Mg17Al12共晶相数量。
4)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法可以针对不同凝固冷却速率条件并调整加入钐的含量从而达到细化共晶相的效果，应用范围广，实际生产前景广阔。
5)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法中加入稀土元素钐微量，成本较低更具经济性。
6)本发明设计的细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法采用低温熔炼和元素均匀化，最大程度减少氧化烧损和污染。
附图说明
图1是20K/s冷却速率下凝固的Mg-8Al-0.5Zn镁合金组织照片。
图2是20K/s冷却速率下凝固的Mg-8Al-0.5Zn-0.2Sm镁合金组织照片。
具体实施方式
实施例1:
以Mg-8Al-0.5Zn-0.2Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-8Al-0.5Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在50K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-8Al-0.5Zn-0.2Sm合金。
实施例2：
以Mg-6Al-1Zn-0.05Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-6Al-1Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在10K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-6Al-1Zn-0.05Sm合金。
实施例3：
以Mg-8Al-0.4Zn-0.25Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-8Al-0.4Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在150K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-8Al-0.4Zn-0.25Sm合金。
实施例4：
以Mg-12Al-0.1Zn-0.3Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-12Al-0.1Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在400K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-12Al-0.1Zn-0.3Sm合金。
实施例5：
以Mg-7Al-0.2Zn-0.15Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-7Al-0.2Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在100K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-7Al-0.2Zn-0.15Sm合金。
实施例6：
以Mg-8.5Al-0.3Zn-0.2Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-8.5Al-0.3Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在100K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-8.5Al-0.3Zn-0.2Sm合金。
实施例7：
以Mg-9Al-1Zn-0.25Sm合金为例，按上述质量百分比进行配料：
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-9Al-1Zn镁合金熔体；
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置、保温，调整模具水冷系统水温，使合金在200K/s凝固冷却速率下浇注制得Mg-9Al-1Zn-0.25Sm合金。
20K/s冷却速率下凝固的Mg-8Al-0.5Zn镁合金组织照片如图1所示。
20K/s冷却速率下凝固的Mg-8Al-0.5Zn-0.2Sm镁合金组织照片如图2所示。

Claims (7)

1.一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：包括合金熔炼精炼、细化共晶相两个步骤。
步骤一：合金精炼熔炼
(1)将保护气通入熔炼炉中，保护气可以是氩气或者为SF6和CO2的混合气体，将纯镁锭放入坩埚中在700℃的温度下进行加热熔化；
(2)待镁锭熔化后，降温至680℃，打渣去除熔体表面杂质和氧化层，获得纯镁熔体；
(3)将上述纯镁熔体进行脱气、精炼处理后，将纯铝、纯锌加入纯镁熔体，待完全熔化后充分搅拌熔体，从熔体底部吹入氩气精炼，去除表面杂质和氧化层，获得高合金含量Mg-Al-Zn镁合金熔体；
步骤二：细化共晶相
(4)将经过预热的镁钐中间合金加入到熔体中，待完全熔化后搅拌均匀；
(5)将上述镁合金熔体静置保温，在控制凝固冷却速率条件下浇注成锭。
2.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述的高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中铝含量质量百分比为6-12％，锌含量质量百分比为0.4-1.2％，其余为镁。
3.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述步骤(4)中，镁钐中间合金的预热温度为150℃。
4.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述步骤(4)中，将镁钐中间合金加入到熔体中，引入钐元素含量在高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中的质量百分比为：钐0.05-0.3％。
5.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述步骤(5)中，镁合金熔体静置保温时间为3-25分钟。
6.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述步骤(5)中，通过使用内部配置有可控制循环水温水冷系统的铜模来实现控制凝固冷却速率，凝固冷却速率调控区间为10K/s-400K/s。
7.根据权利要求1所述的一种细化高合金含量Mg-Al-Zn镁合金共晶相方法，其特征在于：所述的高合金含量Mg-Al-Zn镁合金中，除了Al、Zn合金元素以外，合金中还含有一定量的锰、锡、钙、银中的一种或者几种元素，合金元素总量质量百分比为0.5-2％。
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