CN111057890A - 一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，包括以下步骤：(1)将充分预热的镁锭放入熔炼坩埚内，采用真空和惰性气体对熔体进行保护；(2)通电使镁锭熔化，加入合金化原料，加料过程保持通入氩气，调整氩气压力至1×10⁵Pa；(3)利用势能差和气体压力差，推动熔体进行潜流式转注；(4)对熔体进行均质化凝固和余热均匀化。本发明实现了镁锂合金锭坯和铸件高效率、连续化熔铸生产。通过潜流式转注使转注过程变得简单高效。通过实时捕捉U型固液界面的谷底，保证固液界面谷底下部的固相区在心部温度接近固相线温度时就开始恒温均匀化，减小了凝固收缩量，大幅降低了大铸锭的开裂风险等。

Description

一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法

技术领域

本发明属于镁合金特别是镁锂合金熔铸领域，具体涉及一种镁合金特别是镁锂合金的高纯净化高均质化锭坯或铸件熔铸方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，金属镁作为中国具有资源优势的有色合金品种，发展镁合金产业对于国防军工、交通运输、新能源汽车和电子3C的自主可控、升级换代、节能减排具有重要意义。镁锂合金的密度(1.35～1.65g/cm³)低于通常的镁合金(1.74～1.91g/cm³)，减重效果更加显著，特别的，高锂含量(Li含量大于6wt.％)的镁锂合金晶体结构由密排六方结构变为体心立方结构，塑性变形能力优于通常镁合金。

相比于铝合金，熔铸难度大和成品率低是制约镁合金特别是镁锂合金广泛应用的关键因素。镁锂合金熔铸作为镁合金熔铸“王冠上的明珠”，熔铸环节的高危险性和低成品率严重制约其开发和应用。镁的化学性质活泼，容易与空气中的氧气、氮气和水汽反应，形成各类固态夹渣，因此，阻燃除渣是镁合金熔炼面临的最大难题。现有的镁合金熔炼技术通常采用熔融盐(熔剂)作为覆盖剂和精炼剂，覆盖剂用于封闭液面防氧化，精炼剂用于吸附夹渣促其沉底，但盐类熔剂的使用引入难以去除的熔剂夹渣，严重恶化合金的耐蚀性和力学性能。锂化学活性比镁更高，镁锂合金阻燃除渣的难度成倍增加，通常采用真空熔铸。真空熔炼时镁的挥发严重，为抑制镁挥发，需要充入氩气调整真空室压力，同时为了降低氧气、氮气和水蒸气的分压，需要多次抽真空充氩气来稀释真空室内的有害气体。真空熔炼的质量控制难度且生产效率较低，还需要投入复杂的辅助设备及自动化控制设备。

镁合金及镁锂合金熔铸设备的发展趋势为：通过绿色、高效、自动化方式实现熔体的高纯净化和凝固组织的高均质化。常规的镁合金熔炼系统难以获得高纯净化高均质化锭坯或铸件，无法满足航空航天和生物医用等高端领域对高品质镁合金及镁锂合金的需求，主要因为现有技术尚存在如下不足之处：(1)采用熔剂进行熔体保护和精炼会引入熔剂夹渣，严重恶化材料的耐蚀性和力学性能；(2)通常的精炼和过滤方法无法最大限度地滤除氧化夹渣和熔剂夹渣，过滤器不易更换；(3)通常的浇注方法为熔炼炉倾转浇注和输液泵转注，在模具中无法形成稳定的静态液面，存在紊流和卷气问题，也不利于实现自动化生产；(4)采用常规凝固手段获得的锭坯，往往存在严重的内外组织不均匀性和溶质区域偏析，从而影响力学性能的均匀一致性，也严重影响后续塑性变形时金属流动的均匀性，从而无法保证塑性加工产品尺寸精度；(5)当锭坯截面尺寸增加后，凝固收缩导致的内应力增大，容易造成锭坯开裂；(6)通常的真空熔炼将加料、熔炼和浇注置于同一个真空室内，连续生产时需要反复进行抽真空充惰性气体处理(洗气处理)，不利于实现连续生产，也不利于大尺寸锭坯的生产，同时，由于炉腔体积大，抽真空效率低，每一炉抽真空时间通常会占到熔铸总时间的50％，严重影响生产效率；(7)通常的均匀化工艺是将车削加工的冷铸锭重新加热至固相线以下，造成能源的消耗，对于截面尺寸较大的铸锭，能源消耗巨大。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，包括以下步骤：

(1)熔铸准备：

熔铸设备主体由熔炼系统、转注系统、模具系统、凝固系统四大系统组成，另有控制系统、真空系统、气体保护系统、水冷系统等辅助系统。按照合金的化学成分配料，对原料、熔炼系统、转注系统、模具系统、熔炼工具进行充分的预热烘干，去除水汽。将熔炼系统、转注系统和模具系统相互对接，开启阀门，使三者连通。将充分预热的镁锭放入熔炼坩埚内，然后对熔炼坩埚和模具加盖密封，之后对熔炼坩埚、转注系统的过滤装置和管路、模具内部进行多次抽真空和充惰性气体处理，尽可能降低氧气、氮气和水蒸气分压；为了有效抑制镁挥发，最后充入惰性气体，压力保持在1×10⁵Pa，然后关闭阀门，使三大系统相互隔断。

(2)合金化：

通电使镁锭熔化，调整熔体温度至720-860℃并保温，打开加料口，加料过程保持通入氩气，通过料框将将高熔点合金化原料如稀土、Zr、Mn等没入液面下，关闭加料口，720-860℃后开始降温，达到680-720℃时保温，打开加料口，将低熔点合金化原料如锌、铝等投入料框，关闭加料口，继续降温，达到650-680℃时保温，打开加料口，通过钟罩将锂按入液面下，搅拌，关闭加料口，调整氩气压力至1×10⁵Pa，温度至680-720℃，搅拌；随后准备进行潜流式转注和过滤。合金化时，采用热电偶控制熔体温度，通过观察孔监视熔体情况。

(3)转注过滤及连续生产：

转注和过滤前，将潜流式转注过滤系统的过滤装置和管路以及模具系统的模具加热至与熔体温度一致；调整熔炼系统和模具系统的氩气压力，使模具系统的氩气压力小于熔炼系统的氩气压力，形成压力差；打开阀门使三大系统连通，利用熔炼炉与模具之间的势能差和气体压力差，推动熔体进行潜流式转注，熔体首先进入过滤装置实现纯净化，随后熔体自下而上平稳的填充模具，实现转注。连续生产时，当一个模具充满后，关闭阀门，使模具与转注系统隔断，更换另一套模具系统，对接并调整好气压后，打开阀门再次转注；同时，通过观察孔留意熔炼炉内熔体量，当熔体量不足坩埚体积的1/3时，关闭阀门使熔炼系统与转注系统隔断，打开加料口进行补料，重新合金化后，打开阀门再次进行潜流式过滤和转注。(4)对熔体进行均质化凝固和余热均匀化。

(4)精确控制凝固和余热均匀化：

对于结构复杂的铸件，转注完毕后，采用常规冷却方式进行凝固，脱模获得高纯净化铸件。对于后续进行塑性变形的锭坯，为了实现高度均质化，转注完毕后，采用凝固均匀化系统进行凝固和余热均匀化，具体过程如下：1)将模具转移至凝固系统，熔体底部高度大于等于井式炉上口的高度；模具顶端设置隔热层，冒口区模具外侧设置隔热层；2)在熔体内放置热电偶和超声(电流)系统，热电偶位于模具内腔的心部轴线，超声(电流)系统的超声杆(电极杆)进行最优排布，热电偶测温头、超声杆或电极杆的下端位于固液界面以上；3)开启自动控制模块，冷却系统对固液界面谷底以上液相区和糊状区进行喷气(雾)冷却，冒口区以上的喷头关闭，喷气(雾)强度从下至上由强变弱，保证液相区上部温度始终大于下部温度，实现从下至上的顺序凝固；U型固液界面谷底追踪系统可以选择如下方式实时追踪固液界面的位置：热电偶测量液相区中心轴底部温度T，并将该温度值实时传输至自动控制模块，假设T′为该合金体系的糊状区温度，自动控制模块实时比较T和T′，当T<T′时，升降系统启动，使模具缓慢向下移动，直到T＝T′；U型固液界面谷底以下的固相区全部进入井式加热炉，进行余热均匀化；电磁搅拌系统和超声(电流)系统形成耦合场，对熔体进行强制对流，破碎枝晶，从而细化组织，并弱化溶质元素的宏观偏析；4)当冒口区下端到达井式加热炉上口时，关闭U型固液界面谷底追踪系统、冷却系统、电磁搅拌系统和超声或电流系统，铸锭继续在井式加热炉中进行均匀化处理；均匀化完毕，脱模获得高纯净化高均质化锭坯。

本发明的有益技术效果：本发明的最大的优势是便于实现大尺寸镁合金特别是镁锂合金锭坯和铸件高效率、连续化熔铸生产。首先，通过将熔炼系统、潜流式转注过滤系统和模具系统设计出一个既能相互连通又能相互隔断的整体，有利于实现连续化生产，也便于连续生产中过滤装置的及时更换，保证了过滤纯净化效果；其次，通过潜流式转注使转注过程变得简单高效，不需要倾翻装置，也不需要输液泵，不仅能避免接卷气和紊流，还能形成自下而上缓慢上升的稳定静态液面；其次，通过最大限度缩小真空室体积，大幅缩减了抽真空时间。另一方面，通过实时捕捉U型固液界面的谷底，保证固液界面谷底下部的固相区在心部温度接近固相线温度时就开始恒温均匀化，减小了凝固收缩量，大幅降低了大铸锭的开裂风险，而且在线余热均匀化能避免了二次加热带来的能源浪费；与此同时，通过实时捕捉U型固液界面的谷底，同时对喷气(雾)系统和外场辅助搅拌进行联动控制，对液相区的不同位置分配不同的喷气(雾)强度，实现顺序凝固，通过耦合电磁场、超声场和电场，实现糊状区和液相区的均质化，增加形核率，细化枝晶的同时有效避免了溶质元素的偏析。

附图说明

图1是镁合金(镁锂合金)高纯净化高均质化熔铸技术原理图；

图2是镁合金(镁锂合金)高纯净化高均质化熔铸技术熔炼系统构造图；

图3是镁合金(镁锂合金)高纯净化高均质化熔铸技术转注系统构造图；

图4是镁合金(镁锂合金)高纯净化高均质化熔铸技术模具系统构造图；

图5是镁合金(镁锂合金)高纯净化高均质化熔铸技术凝固系统构造图。

附图标记说明：

1 熔炼系统 2转注系统

3 模具系统 4凝固系统

5 熔炼坩埚 6熔炼坩埚盖

7 熔炼坩埚真空口 8热电偶

9 观察孔 10搅拌装置

11 加料口 12熔炼坩埚惰性气体口

13 熔炼坩埚阀门 14过滤装置

15 潜流式转注管路 16转注阀门

17 对接口 18模具对接口

19 模具 20模具盖

21 吊装孔 22模具真空口

23 固液界面捕捉用热电偶 24模具惰性气体口

25 模具阀门 26井式炉

27 电磁搅拌系统 28喷气(雾)冷却系统。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种镁合金特别是镁锂合金的高纯净化高均质化熔铸方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

以Mg-10.5％Li-5％Zn-1％Y-0.5％Zr(质量分数)准晶增强镁锂合金的制备方法为例，详细说明本发明。

目标产品是化学成分为Mg-10.5％Li-5％Zn-1％Y-0.5％Zr(质量分数)镁锂合金轴向槽道挤压管，该产品对内部槽道和外形的尺寸精度要求十分严格，而生产面临的最大难题是尺寸精度达不到要求，而问题的关键是传统熔铸技术无法获得高纯净化高均质化锭坯，因为只有实现锭坯的均质化，即锭坯内部各处的成分和组织保持一致，才能保证挤压过程中金属的均匀流动，从而保证内外尺寸精度。另外，为防止服役时泄漏，对管材的力学性能和耐蚀性要求严格，这就要求锭坯具有高纯净度，而常规技术在熔剂夹渣和氧化物夹渣控制上存在不足。基于上述难题，针对镁锂合金熔铸的特点开发了本发明，也可用于其他高品质镁合金的熔铸。为了增大锭坯的变形程度(挤压比)，制备直径Φ310mm的铸锭。采用本发明进行合金化、潜流式转注和过滤、凝固组织控制和余热均匀化，制备出高纯净化高均质铸锭，随后采用常规挤压机将锭坯挤压成高尺寸精度管材。

具体制备工艺如下：

步骤1：熔铸准备

按照化学成分进行配料，采用纯度99.9％的镁锭、锂锭、锌锭和纯钇，以及Mg-30wt.％Zr中间合金，Zn的烧损为0，Li和Y的烧损为10％。熔炼前Li为抽真空塑封保护，对其余原料进行打磨和清理，去除氧化层。

按照图1所述原理图构造熔铸设备主体，由熔炼系统1、转注系统2、模具系统3和凝固系统4四部分组成。这四大系统的构造分别见图2-图5。

对原料、加锂钟罩、熔炼坩埚5、过滤装置14、转注管路15和模具19等与熔体直接接触部件进行充分的预热烘干，去除水汽；将熔炼系统1、转注系统2和模具系统3相互对接，开启阀门，使三者连通。将充分预热的镁锭放入熔炼坩埚5内，然后给熔炉坩埚5盖上熔炼坩埚盖6，该模具19盖上模具盖20，之后对熔炼坩埚5、过滤装置14和转注管路15、模具19内部进行多次抽真空和充氩气体处理，抽真空通过真空口7和22，充氩气通过惰性气体口12和24，尽可能降低氧气、氮气和水蒸气分压；为了有效抑制镁挥发，最后充入氩气，压力保持在～1×10⁵Pa，然后关闭阀门13、16和18，使三大系统相互隔断。

步骤2：合金化

在熔炼系统1中进行合金化。通电使镁锭熔化；调整熔体温度至780℃并保温，打开加料口11，加料过程保持通入氩气，通过料框将纯Y和Mg-30％Zr中间合金没入液面下，关闭加料口11，30分钟后开始降温，达到700℃时保温，打开加料口11，将Zn锭投入料框，关闭加料口11，继续降温；达到650℃时保温，打开加料口11，通过钟罩将锂按入液面下，上下搅拌使其尽快熔化。全部合金元素加入后，关闭加料口11，调整氩气压力至～1×10⁵Pa，调整熔体温度至700℃，通过搅拌装置10搅拌15分钟；随后准备进行潜流式转注和过滤。合金化时，采用热电偶8控制熔体温度，通过观察孔9监视熔体情况。

步骤3：转注过滤及连续生产

转注和过滤前，将转注系统2的过滤装置14和管路15以及模具系统3的模具19等与熔体直接接触的部件加热至700℃；打开阀门13、16和25，使三大系统连通，利用熔炼坩埚5与模具19之间的势能差和气体压力差，推动熔体进行潜流式转注，熔体首先进入过滤装置14实现纯净化，随后熔体自下而上平稳的填充模具16，实现转注。连续生产时，当一个模具充满后，关闭阀门16和25，使模具与转注系统隔断，更换另一套模具系统，对接并调整好气压后，打开阀门16和25再次转注；同时，通过观察孔9留意熔炼坩埚5内熔体量，当熔体量不足熔炼坩埚5体积的1/3时，关闭阀门13使熔炼系统与转注系统隔断，打开加料口11进行补料，重复步骤2重新合金化，合金化完成后，打开阀门13再次进行潜流式过滤和转注。

(4)精确控制凝固和余热均匀化

转注完毕后，采用凝固系统4进行均质化凝固和余热均匀化，具体过程如下：1)将模具系统3通过吊装孔21转移至凝固系统4，熔体底部高度大于等于井式炉26上口的高度；模具盖20设置隔热层，冒口区模具19外侧设置隔热层；2)在熔体内放置热电偶23，热电偶位于模具内腔的心部轴线，热电偶23测温头位于固液界面以上；3)开启自动控制模块，喷雾冷却系统28对固液界面谷底以上液相区和糊状区进行喷雾冷却，冒口区以上的喷头关闭，喷雾强度从下至上由强变弱，保证液相区上部温度始终大于下部温度，实现从下至上的顺序凝固；U型固液界面谷底追踪系统通过如下方式实时追踪固液界面的位置：热电偶23测量液相区中心轴底部温度T，并将该温度值实时传输至自动控制模块，T′为该合金体系的糊状区温度(约600℃)，自动控制模块实时比较T和T′，当T<T′时，升降系统启动，使模具缓慢向下移动，直到T＝T′；U型固液界面谷底以下的固相区全部进入井式炉26，进行余热均匀化，均匀化制度为300℃/18h；电磁搅拌系统27对熔体进行强制对流，破碎枝晶，从而细化组织，并弱化溶质元素的宏观偏析；4)当冒口区下端到达井式炉26上口时，关闭U型固液界面谷底追踪系统、喷雾冷却系统28和电磁搅拌系统27，模具系统3继续在凝固系统4中进行均匀化处理；均匀化完毕，脱模获得高纯净化高均质化锭坯。

采用本发明专利制备的高纯净化高均质化Mg-10.5％Li-5％Zn-1％Y-0.5％Zr(质量分数)镁锂合金铸锭，后续挤压成形的轴向槽道挤压管在尺寸精度、力学性能和耐蚀性方面优于常规熔铸技术获得的铸锭。

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将充分预热的镁锭放入熔炼坩埚内，采用真空和惰性气体对熔体进行保护，压力保持在1×10⁵Pa；

(2)通电使镁锭熔化，调整熔体温度至720-860℃并保温，通过料框将高熔点合金化原料没入液面下，加料过程保持通入氩气，等待15-40分钟后开始降温，达到680-720℃时保温，再加入低熔点合金化原料，继续降温，达到650-680℃时保温，然后通过钟罩将锂按入液面下，搅拌，调整氩气压力至1×10⁵Pa，温度至680-720℃，搅拌；

(3)利用熔炼坩埚与模具之间的势能差和气体压力差，推动熔体进行潜流式转注，熔体首先进入过滤装置实现纯净化，随后熔体自下而上平稳的填充模具，实现转注；

(4)对熔体进行均质化凝固和余热均匀化。

2.根据权利要求1所述的镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，其特征在于，步骤(3)中当模具充满后，将模具隔断，更换另一套模具，对接并调整好气压后，再次转注。

3.根据权利要求1所述的镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为，实时追踪模具中熔体固液界面的位置，利用热电偶测量液相区中心轴底部温度T，T′为合金体系的糊状区温度，实时比较T和T′，当T<T′时，使盛放熔体的模具缓慢向下移动，直到T＝T′；固液界面谷底以下的固相区全部进入井式炉，进行余热均匀化。

4.根据权利要求3所述的镁合金及镁锂合金高纯净化高均质化熔铸方法，其特征在于，步骤(4)中通过实时捕捉固液界面的谷底，对液相区的不同位置分配不同的喷气强度，实现顺序凝固，通过耦合电磁场、超声场和电场，实现糊状区和液相区的均质化。

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