CN109865807A - 一种镁及镁合金超细丝材及其制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯镁及镁合金超细丝材的制造方法，包括：将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属；驱动甩丝辊转动，调节甩丝辊与熔融金属间的间距至熔融金属与甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过甩丝辊的转动将熔融金属甩出并快速冷却得到直径范围为15～150μm纯镁或镁合金细丝。本发明还公开了一种由上述制造方法制备的镁及镁合金超细丝材。另外，还公开了一种镁及镁合金超细丝材制造设备，包括甩丝辊、丝材收集腔体、感应加热装置、坩埚和惰性气体保护装置。该镁及镁合金超细丝材的制造方法及设备无需多次加工与附加热处理，单次即可加工成型，制备工艺简单、短流程；所制镁丝具有15～150μm的超细直径。

Description

一种镁及镁合金超细丝材及其制造方法和设备

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，更具体地说，涉及一种镁及镁合金超细丝材，还涉及一种镁及镁合金超细丝材的制造方法和设备。

背景技术

镁合金是目前工程中所应用的最轻的金属结构材料，因其对环境友好且可回收重复使用的性质，被称为21世纪的绿色工程材料。为了适应不同的工作环境，镁合金可以被加工为各种不同的形状，如块体、带材、丝材等。尤其是丝材，较传统的块体金属材料有着更加独特的应用领域。

金属丝材的应用十分广泛，是众多领域重要的原材料。以镁及镁合金丝材为例，在许多方面有着广泛的应用前景。如医疗器械领域、焊接材料、微电子封装、纤维增强结构件、航天器械的零部件、电弧喷涂等。但镁及镁合金丝材的加工十分困难，主要是由于其密排六方的结构造成较低的室温塑性成形能力，在加工过程中容易产生裂纹造成材料的报废。

传统制造镁及镁合金丝材的方法是室温或高温多次拉拔加工成形，所获得的镁合金丝材直径，通常在0.1～0.3mm。室温加工镁合金丝材的关键难题是，由于室温下镁合金较低的变形量，需要多次拉拔，且在每次拉拔工艺后都要进行退火处理以消除加工硬化。每次拉拔退火都需要单独进行，不仅影响了生产效率，也难生产出超细(直径小于0.1mm)的镁合金丝材。高温拉伸虽不需要像室温加工那样较多次的拉拔与额外的热处理，但仍较难生产出超细的丝材，同时高温加工往往导致丝材表面质量的恶化。因此，发展超细镁合金丝材的产品及短流程制造方法，具有十分重要的现实意义和应用价值。

综上所述，如何有效地解决超细镁及镁合金丝材难以生产等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种镁及镁合金超细丝材的制造方法和设备，该制造方法和设备可以有效地解决超细镁及镁合金丝材难以生产的问题，本发明的第二个目的是提供一种镁及镁合金超细丝材。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种镁及镁合金超细丝材的制造方法，包括步骤：

S1：将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属；

S2：驱动甩丝辊转动，所述甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，且所述尖状凸起的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽，调节甩丝辊与所述熔融金属间的间距至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过所述甩丝辊的转动将所述熔融金属甩出并快速冷却得到直径范围为15～150μm的纯镁或镁合金细丝。

优选地，上述制造方法中，所述甩丝辊的边缘线速度范围为0-50m/s。

优选地，上述制造方法中，所述步骤S2中调节甩丝辊与所述熔融金属间的间距至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触，具体包括：

将盛有所述熔融金属的容器逐渐上升至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触。

应用本发明提供的镁及镁合金超细丝材的制造方法，将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属。驱动甩丝辊转动，并逐渐减小甩丝辊与熔融金属间的间距至熔融金属与甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过甩丝辊的转动将熔融金属甩出并快速冷却，甩丝辊尖端细小且内有凹槽，因而可以甩出具有超细直径的镁和镁合金丝材。同时，甩丝辊边缘线速度高，可快速制备出大量的超细镁及镁合金丝材。综上，该镁及镁合金超细丝材的制造方法采用感应加热熔体甩丝的方法制备镁及镁合金丝材，与传统拉拔制备镁丝的方法相比，无需多次加工与附加热处理，单次即可加工成型，制备工艺简单、短流程；所制镁丝具有15～150μm的超细直径。

本发明还提供了一种镁及镁合金超细丝材，该镁及镁合金超细丝材由上述任一种制造方法加工而成。该镁及镁合金超细丝材的直径范围为15～150μm。其具有超细直径，能够满足用户需求。

本发明还提供如下技术方案：

一种镁及镁合金超细丝材的制造设备，包括甩丝辊、设置于所述甩丝辊甩出侧的丝材收集腔体、用于加热熔化纯镁或镁合金原料的感应加热装置和与所述感应加热装置配合的坩埚，所述感应加热装置具有惰性气体保护单元，所述甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，且所述尖状凸起的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽，所述甩丝辊或所述坩埚与升降台连接以调整所述甩丝辊与所述坩埚间的间距。

优选地，上述制造设备中，所述凹槽的宽度小于0.2mm。

优选地，上述制造设备中，所述甩丝辊的边缘线速度范围为0-50m/s。

优选地，上述制造设备中，所述感应加热装置包括铜线圈，且所述铜线圈内通有冷却水。

应用本发明提供的镁及镁合金超细丝材的制造设备，生产时将纯镁或镁合金原料置于坩埚内，经感应加热装置作用在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属。驱动甩丝辊转动，并逐渐减小甩丝辊与熔融金属间的间距至熔融金属与甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过甩丝辊的转动将熔融金属甩出并快速冷却。甩丝辊尖端细小且内有凹槽，因而可以甩出具有超细直径的镁和镁合金丝材。同时，甩丝辊边缘线速度高，可快速制备出大量的超细镁及镁合金丝材。综上，该镁及镁合金超细丝材的制造方法采用感应加热熔体甩丝的方法制备镁及镁合金丝材，与传统拉拔制备镁丝的方法相比，无需多次加工与附加热处理，单次即可加工成型，制备工艺简单、短流程；所制镁丝具有15～150μm的超细直径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的镁及镁合金超细丝材的制造设备的结构示意图；

图2为Mg丝的直径示意图；

图3为AZ31丝材的直径示意图；

图4为AZ31丝材的宏观照片；

图5为AZ31丝的SEM显微组织；

图6为图1中甩丝辊的正视结构示意图；

图7为图6的侧视结构示意图。

附图中标记如下：

甩丝辊1，坩埚2，感应加热装置3，丝材收集腔体4，尖状凸起11，凹槽12。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种镁及镁合金超细丝材的制造方法，以简化制备工艺，缩短工艺流程。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在一个具体实施例中，本发明提供的镁及镁合金超细丝材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属。

具体可以采用感应加热的方式，将纯镁或镁合金原料进行感应加热熔炼，使之完全熔化。基于镁及镁合金的性质，感应熔炼过程中进行惰性气体保护。具体的，可以采用感应加热装置进而加热，则首先将纯镁或镁合金原料放入感应加热装置中，然后抽真空至5×10^-3Pa以下，再充入0.2MPa氩气；然后在纯度为99.999％的氩气保护氛围下，通过感应加热将合金铸锭完全熔化。

S2：驱动甩丝辊转动，甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，且尖状凸起的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽，调节甩丝辊与熔融金属间的间距至熔融金属与甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过甩丝辊的转动将熔融金属甩出并快速冷却得到直径范围为15～150μm的纯镁或镁合金细丝。

调节转动的甩丝辊与熔融金属间的间距，具体可以将盛有熔融金属的容器逐渐上升至熔融金属与甩丝辊的边缘接触，也可以通过带动甩丝辊直线移动至其边缘与熔融金属接触。需要说明的是，驱动甩丝辊转动与将纯镁或镁合金原料加热熔化的先后顺序可以不做具体限定，优选的先将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属，在驱动甩丝辊转动。

甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，通过在甩丝辊外周设置至少一圈尖状凸起，并在凸起上开设凹槽，使得甩丝辊转动时可以将与之接触的金属液体连续甩出，形成具有超细直径的镁和镁合金连续丝材。甩丝辊具体可以为铜辊。凹槽的形状具体可以设置为横截面呈弧形。

熔融态金属液体接触到高速旋转的甩丝辊尖端后被甩出，令其快速冷却以得到细丝。其冷却速度可达10⁴～10⁶K/s。

应用本发明提供的镁及镁合金超细丝材的制造方法，将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属，并通过甩丝辊的转动将熔融金属甩出快速冷却，甩丝辊尖端细小且内有凹槽，因而可以甩出具有超细直径的镁和镁合金丝材。同时，甩丝辊边缘线速度高，可快速制备出大量的超细镁及镁合金丝材。综上，该镁及镁合金超细丝材的制造方法采用感应加热熔体甩丝的方法制备镁及镁合金丝材，与传统拉拔制备镁丝的方法相比，无需多次加工与附加热处理，单次即可加工成型，制备工艺简单、短流程；所制镁丝具有15～150μm的超细直径。

具体的，上述步骤S1之前，还包括：打磨纯镁或镁合金原料表面的氧化皮。也就是对于纯镁或镁合金原料，先对其表面氧化皮进行打磨，以得到打磨完成后的纯镁或镁合金铸锭。即在加热熔化前，先处理镁或镁合金原料，为制备丝材做准备。而后可将打磨完成的铸锭进行感应熔炼。

进一步地，甩丝辊的边缘线速度范围为0-50m/s。通过调节甩丝辊的转速可以改变丝材的直径及长度。其具体转速值可根据丝材的规格相应设置，此处不作具体限定。甩丝辊的边缘线速度可高达50m/s，可快速制备出大量的超细镁及镁合金丝材。

基于上述实施例中提供的制造方法，本发明还提供了一种镁及镁合金超细丝材，该镁及镁合金超细丝材由上述实施例中任意一种制造方法加工而成。该镁及镁合金超细丝材的直径范围为15～150μm。

本发明还提供了一种镁及镁合金超细丝材的制造设备，请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的镁及镁合金超细丝材的制造设备的结构示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的镁及镁合金超细丝材的制造设备包括甩丝辊1、丝材收集腔体4、感应加热装置3、坩埚2和惰性气体保护装置。

其中，甩丝辊1的外周面上具有环绕一周的尖状凸起11，且尖状凸起11的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽12，其具体结构可参考图6和图7，图6为图1中甩丝辊1的正视结构示意图；图7为图6的侧视结构示意图。通过在甩丝辊1外周设置至少一圈尖状凸起11，并在凸起上开设凹槽12，使得甩丝辊1转动时可以将与之接触的金属液体连续甩出，形成具有超细直径的镁和镁合金连续丝材。甩丝辊1具体可以为铜辊。凹槽12的宽度优选的小于0.2mm。凹槽12具体可以为横截面呈半圆形的凹槽12，则半圆弧半径优选的小于0.2mm。具体的，甩丝辊1的边缘线速度范围为0-50m/s。

丝材收集腔体4设置于甩丝辊1甩出侧，甩出的丝材会飞入该腔体。其具体形状及大小可根据需要设置，此处不作具体限定。

感应加热装置3用于加热熔化纯镁或镁合金原料、其与坩埚2配合。感应加热装置3具体可以包括铜线圈，且铜线圈内通有冷却水。坩埚2具体可以采用石英或氮化硼坩埚2。感应加热装置3及坩埚2的具体结构及工作原理等请参考现有技术，此处不再赘述。

惰性气体保护装置用于在感应加热装置3将纯镁或镁合金原料加热完全熔化为熔融金属时，及在甩丝辊1的转动将所述熔融金属甩出并快速冷却得到纯镁或镁合金细丝提供惰性气体保护氛围，其具体可以采用现有技术中常规的惰性气体保护装置，此处不足具体限定。

甩丝辊1或坩埚2与升降台连接以调整甩丝辊1与坩埚2间的间距。进而能够调节甩丝辊1与熔融金属间的间距至所述熔融金属与所述甩丝辊1的边缘接触，以便于甩丝。具体的，将坩埚2与升降台连接，通过控制升降台的升降控制坩埚2的位置，进而在坩埚2内的纯镁或镁合金原料完全熔融后，调节甩丝辊1转速，并调节升降台高度使坩埚2内的熔融金属液滴与铜辊边缘接触，通过铜辊甩丝快冷技术获得镁及镁合金丝材。

需要说明的是，上述各实施例中提供的制造方法可采用上述各实施例中的制造设备。

综上，本申请提供了一种超细镁及镁合金丝材，其直径可细至15～150μm，远低于通过传统拉拔工艺制备的镁合金丝材；本申请还提供了一种上述超细直径镁及镁合金丝材的制备方法及设备，为发展超细镁合金丝材提供了一种全新的思路；另一方面，本发明提供的丝材采用感应加热熔融金属，熔体通过甩丝辊甩丝急冷工艺制造丝材，无须多个步骤与多次加工，制备工艺简单，流程短且操作方便。

为了进一步理解本发明，以下分别以两个具体的实施例进行说明。

实施例1：制备纯镁超细丝材

步骤一：处理原料

将纯镁剪切至大于1立方厘米的小块，并仔细打磨表面氧化皮。

步骤二：真空感应熔炼经熔体甩丝技术制备镁丝材

将打磨完成的小块铸锭放入感应加热装置中；然后抽真空至5×10^-3Pa以下，再充入0.2MPa氩气；然后在纯度为99.999％的氩气保护氛围下，通过感应加热将合金铸锭完全熔化，调节铜辊边缘线速度为30m/s，通过调节坩埚的高度使熔融金属与铜辊尖端凹槽接触，通过铜辊甩丝急冷技术获得纯镁丝材，其冷却速度约为2×10⁴K/s。

用电子千分尺测量实施例1纯镁丝材直径，如图2所示，所制得纯镁丝的直径约为36μm，属于超细丝材。

实施例2：制备AZ31镁合金超细丝材

步骤一：处理原料

将AZ31镁合金剪切至大于1立方厘米的小块，并仔细打磨表面氧化皮。

步骤二：真空感应加热并通过熔体甩丝技术制备AZ31镁合金丝材

首先将打磨完成的小块铸锭放入感应加热装置中；然后抽真空至5×10^-3Pa以下，再充入0.2MPa氩气；然后在纯度为99.999％的氩气保护氛围下，通过感应加热将合金铸锭完全熔化，调节铜辊边缘线速度为30m/s，通过调节坩埚的高度使熔融金属与铜辊尖端凹槽接触，通过铜辊甩丝技术获得镁合金丝材。

用电子千分尺测量实施例2中AZ31镁合金丝材直径，如图3和图4所示，所制得镁合金丝的直径为49μm，属于超细丝材；且通过SEM观察其显微组织发现，所制备丝材的晶粒尺寸十分细小(低于1μm)，属于超细晶，如图5所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种镁及镁合金超细丝材的制造方法，其特征在于，包括步骤：

S1：将纯镁或镁合金原料在惰性气体保护氛围下加热完全熔化为熔融金属；

S2：驱动甩丝辊转动，所述甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，且所述尖状凸起的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽，调节甩丝辊与所述熔融金属间的间距至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触，在惰性气体保护氛围下通过所述甩丝辊的转动将所述熔融金属甩出并快速冷却得到直径范围为15～150μm的纯镁或镁合金细丝。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述甩丝辊的边缘线速度范围为0-50m/s。

3.根据权利要求1-2任一项所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中调节甩丝辊与所述熔融金属间的间距至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触，具体包括：

将盛有所述熔融金属的容器逐渐上升至所述熔融金属与所述甩丝辊的边缘接触。

4.一种镁及镁合金超细丝材，其特征在于，由如权利要求1-3任一项所述的制造方法加工而成，且所述纯镁或镁合金细丝的直径范围为15～150μm。

5.一种镁及镁合金超细丝材的制造设备，其特征在于，包括甩丝辊、设置于所述甩丝辊甩出侧的丝材收集腔体、用于加热熔化纯镁或镁合金原料的感应加热装置、与所述感应加热装置配合的坩埚和用于提供惰性气体保护氛围的惰性气体保护装置，所述甩丝辊的外周面上具有环绕一周的尖状凸起，且所述尖状凸起的顶端具有环绕一周且用于甩丝的凹槽，所述甩丝辊或所述坩埚与升降台连接以调整所述甩丝辊与所述坩埚间的间距。

6.根据权利要求5所述的制造设备，其特征在于，所述凹槽的宽度小于0.2mm。

7.根据权利要求5所述的制造设备，其特征在于，所述甩丝辊的边缘线速度范围为0-50m/s。

8.根据权利要求5-7任一项所述的制造设备，其特征在于，所述感应加热装置包括铜线圈，且所述铜线圈内通有冷却水。