CN111560541B - 一种锌合金压铸件及其熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锌合金压铸件及其熔炼方法，锌合金原料为铝3.5份‑4.5份、镁0.03份‑0.05份、铜0.1份‑0.2份、锌95.3份‑96.4份、AlTi5B 0.32份‑0.4份；致密度99.5%‑99.8%，抗拉强度330MPa‑350MPa，延伸率3.2%‑3.5%，硬度105‑130HB，冲击韧性39Ak(J)‑43Ak(J)，金属液经熔炼中三次电磁搅拌复合液压振动处理获得，浇铸时以按目标产品设计平均壁厚Dmm计充型时间10D毫秒‑11D毫秒，持压时间D/2秒‑D/1.8秒，脱模时间D2秒‑2D2/3秒。本发明适用于复杂锌基合金、除气高效、力学性能好、致密度高、尺寸精密度好。
Description
技术领域
本发明涉及锌合金冶炼技术领域，尤其涉及一种锌合金压铸件及其熔炼方法。
背景技术
随着时代的发展，对锌合金精密铸造零件的铸造质量要求越来越高，如要求零件表面不能存在飞边、毛刺、裂纹，内部不能存在气孔等缺陷；在另一方面，要求尺寸精密的同时，也对铸件的力学性能提出了更高的要求，但力学性能上更高的要求意味着合金元素的复杂化，带来的是冶炼难度的极大增幅。以锌基合金为例，多元合金的工艺比三元合金要复杂许多；三元合金是可以通过一次熔炼产生，也采用二次熔炼工艺。由于二次熔炼的成本比一次熔炼的高，许多企业愿意采用一次熔炼工艺生产三元合金。多元合金是在三元合金的基础上多加了一种或几种合金成份，熔炼技术自然就要复杂许多，一般的熔炼技术水平想随意多加一种或几种元素，其实都是很有难度加入进去的，因此现有技术中的多元锌其合金通常是通过复杂的工艺和精密的控制多次熔炼而成。
现有技术中锌合金精密铸造通常采用冷压室压铸工艺生产。生产实践证明，提高该压铸件质量的关键在于压铸成型工艺的设计和工艺参数的确定。而压铸成型工艺设计主要包括分型面选择、浇注系统设计及排溢系统的设计等，压铸工艺参数主要包括浇注温度、充填速度以及模具预热温度。但现有技术中仅仅考虑了浇铸过程的优化和控制，却没有对原料铸锭的质量进行严格把控。
因此，市面上急需一种适用于复杂锌基合金的、除气高效、力学性能好、致密度高、尺寸精密度好的锌合金压铸件及其熔炼方法。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于复杂锌基合金的、除气高效、力学性能好、致密度高、尺寸精密度好的锌合金压铸件及其熔炼方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种锌合金压铸件的熔炼方法，包括以下步骤：
①生产前准备
合金原材料准备：按重量份准备金属原料铝3.5份-4.5份、镁0.03份-0.05份、铜0.1份-0.2份、锌95.3份-96.4份、铝钛硼中间合金AlTi5B0.32份-0.4份；
设备准备：准备底部设置有凸起结构的壶形石墨坩埚、与壶形石墨坩埚匹配的侧面加热装置、足量粒径3mm-5mm的镍基软磁合金屑、设置在壶形石墨坩埚底部下方的电磁搅拌发生装置、固锁在壶形石墨坩埚底部的液压上下往复振动装置、注液速度为40m/s-50m/s的压铸设备；
模具准备：准备预热到165℃-180℃的奥氏体不锈钢压铸模具；
②将步骤①准备的原材料及镍基软磁合金屑采用超声波除油器进行除油处理后，再分别采用乙醇清洗干净后烘干待用，分别获得待用原料、待用铝钛硼中间合金AlTi5B和洁净镍基软磁合金屑；
③将步骤②获得的洁净镍基软磁合金屑投入步骤①准备的壶形石墨坩埚使其沉落到壶形石墨坩埚底部，再将待用原料投入壶形石墨坩埚使其覆盖在镍基软磁合金屑上面；
④开启加热装置至石墨坩埚升温至415℃-420℃，开始保温；待用原料开始熔化，等到待用原料熔化1/4-1/3体积时，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续3min-4min后停止一次搅拌；继续维持加热至原料熔化1/2-3/5体积时，在保持加热的条件下再次开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续6min-8min，停止二次搅拌；继续维持加热直至原料完全熔化，然后在金属液内投入步骤②获得的待用铝钛硼中间合金AlTi5B，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为液面连缘与石墨坩埚结合处出现波浪纹且控制波浪纹高度3mm-5mm，持续12min-15min，然后在维持电磁搅拌和加热的同时开启液压上下往复振动装置，以1次/秒-1.2次/秒的频率进行振动处理，每次为一个完整的上下往复周期，振动高度范围0.8cm-2cm，持续振动、电磁搅拌和加热复合处理5min-6min，打渣，然后获得浇铸金属液；
⑤采用步骤①准备的压铸设备，以按目标产品设计平均壁厚Dmm计10D毫秒-11D毫秒的充型时间将步骤④获得的浇铸金属液注入步骤①准备的奥氏体不锈钢压铸模具，然后持压D/2秒-D/1.8秒，完成持压后，静置D2秒-2D2/3秒后脱模，空冷至室温，即完成复杂锌合金精铸件的一次成型。
采用上述方法制造的锌合金压铸件，其原料配比为铝3.5份-4.5份、镁0.03份-0.05份、铜0.1份-0.2份、锌95.3份-96.4份、铝钛硼中间合金AlTi5B0.32份-0.4份；该锌合金压铸件的合格标准为：致密度99.5%-99.8%，抗拉强度330MPa-350MPa，延伸率3.2%-3.5%，硬度105HB-130HB，冲击韧性39J-43J
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：（1）采用本发明的方法熔炼锌合金尤其是多元复杂锌合金时，无需添加任何除渣剂、精炼剂或除气剂，因此能明显提升合金的纯净度，同时本发明选用的镍基软磁合金废屑其在锌基体中固溶度低于铁、熔点远高于锌合金熔点、密度明显大于锌合金（密度8.8g/cm3-9.0g/cm3，明显大于锌合金6.6g/cm3-6.8g/cm3），因此基本可以忽略作为镍基软磁合金的搅拌介质作为杂质嵌入或固溶到锌合金里，同时能起到直接且高强度的搅拌效果，获得均匀性更好，原始晶粒度更细的锌合金，能适用于民用航空用精密锌合金的加工制造。（2）现有技术中复杂锌合金（四元及四元以上锌合金）在生产中主要反映的问题就集中在组织均匀性难以控制和气孔率难以控制两个方面，同时，也正是由于这些限制，复杂锌合金的一次冶炼成型技术到现在都并没有出现质的突破，本发明通过采用现有锌合金未采用的多种先进工艺深度、复杂、有机地揉合，结合锌合金熔池自身的流动特性及除气规律，设计并在实践上逐步完善了一型三位一体的熔炼设备，其最突出的贡献是使部分复杂锌合金可以一次冶炼成型且组织均匀、除气较彻底。（3）本发明是专门针对锌合金冶炼特性深入研究获得的成果，适用于大部分高端锌合金冶炼，专业性强、质量可控性好。（4）本发明的组织均匀性靠的是特殊的坩埚整体结构、坩埚底部构造、磁感应搅拌介质三重机制保障的，具体为：坩埚整体结构使得本发明脱离了常规的使液流主体单纯沿周向运动的机械搅拌机制获得了在底部向上的升力和在顶部向中心集中的挤压力，磁感应搅拌介质利用外设的磁感应装置在底部沿成大体有序、局部有差异的规律快速扰动形成底部不平静的液流旋涡，坩埚底部的凸起构造利用液流在旋转中产生的离心力造成紊流，三者结合实现了全立体的均匀化搅拌动作。（5）本发明的除气效果是通过上述的全立体的均匀化搅拌动作结合液压振动系统托举石墨坩埚进行上下往复运动相结合保障的，具体原理类似于电镀技术领域中常用的超声波脱气/消泡，通过内部的高速运动复合外部的强制振动，可以更快速、彻底地将密度明显低于合金液的气体脱出。因此，本发明具有适用于复杂锌基合金的、除气高效、力学性能好、致密度高、尺寸精密度好的特性。
附图说明
图1是采用本发明所述方法制造的未变质锌合金的晶相图片；
图2是采用与本发明相同配方，基于常规熔炼方式制造未变质锌合金的晶相图片；
图3是采用本发明所述方法制造的AlTi5B变质锌合金的晶相图片；
图4是采用与本发明相同配方，基于常规熔炼方式制造AlTi5B变质锌合金的晶相图片。
具体实施方式
实施例1：
一种锌合金压铸件的制造方法，包括以下步骤：
①生产前准备
合金原材料准备：按重量份准备金属原料铝4.2kg、镁0.04kg、铜0.1kg-0.2kg、锌95.9kg、铝钛硼中间合金AlTi5B0.38kg；
设备准备：准备底部设置有凸起结构的壶形石墨坩埚、与壶形石墨坩埚匹配的侧面加热装置、足量粒径3mm-5mm的镍基软磁合金屑、设置在壶形石墨坩埚底部下方的电磁搅拌发生装置、固锁在壶形石墨坩埚底部的液压上下往复振动装置、注液速度为40m/s-50m/s的压铸设备；
模具准备：准备预热到165℃-180℃的奥氏体不锈钢压铸模具；
②将步骤①准备的原材料及镍基软磁合金屑采用超声波除油器进行除油处理后，再分别采用乙醇清洗干净后烘干待用，分别获得待用原料、待用铝钛硼中间合金AlTi5B和洁净镍基软磁合金屑；
③将步骤②获得的洁净镍基软磁合金屑投入步骤①准备的壶形石墨坩埚使其沉落到壶形石墨坩埚底部，再将待用原料投入壶形石墨坩埚使其覆盖在镍基软磁合金屑上面；
④开启加热装置至石墨坩埚升温至415℃-420℃，开始保温；待用原料开始熔化，等到待用原料熔化1/4-1/3体积时，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续3min-4min后停止一次搅拌；继续维持加热至原料熔化1/2-3/5体积时，在保持加热的条件下再次开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续6min-8min，停止二次搅拌；继续维持加热直至原料完全熔化，然后在金属液内投入步骤②获得的待用铝钛硼中间合金AlTi5B，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为液面连缘与石墨坩埚结合处出现波浪纹且控制波浪纹高度3mm-5mm，持续12min-15min，然后在维持电磁搅拌和加热的同时开启液压上下往复振动装置，以1次/秒-1.2次/秒的频率进行振动处理，每次为一个完整的上下往复周期，振动高度范围0.8cm-2cm，持续振动、电磁搅拌和加热复合处理5min-6min，打渣，然后获得浇铸金属液；
⑤采用步骤①准备的压铸设备，以按目标产品设计平均壁厚Dmm计10D毫秒-11D毫秒的充型时间将步骤④获得的浇铸金属液注入步骤①准备的奥氏体不锈钢压铸模具，然后持压D/2秒-D/1.8秒，完成持压后，静置D2秒-2D2/3秒后脱模，空冷至室温，即完成复杂锌合金精铸件的一次成型。
该复杂锌合金精铸件，致密度99.5%-99.8%，抗拉强度330MPa-350MPa，明显优于常规ZZnAl4Y的250MPa；延伸率3.2%-3.5%，明显优于常规ZZnAl4Y的1%；硬度105-130HB，明显优于常规ZZnAl4Y的80HB；冲击韧性39J-43J，优于常规ZZnAl4Y的35J；其密度为6.72g/cm3-6.74g/cm3，明显优于常规重力铸造的6.60g/cm3-6.64g/cm3，下同。
实施例2：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
合金原材料准备：按重量份准备金属原料铝4.5kg、镁0.05kg、铜0.2kg、锌95.3kg、铝钛硼中间合金AlTi5B0.4kg；
实施例3：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
合金原材料准备：按重量份准备金属原料铝3.5kg、镁0.03kg、铜0.1kg、锌96.4kg、铝钛硼中间合金AlTi5B0.32kg；
对所公开的实施例的上述说明，仅为了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 (2)
1.一种锌合金压铸件的熔炼方法，其特征在于包括以下步骤：
①生产前准备
合金原材料准备：按重量份准备金属原料铝3.5份-4.5份、镁0.03份-0.05份、铜0.1份-0.2份、锌95.3份-96.4份、铝钛硼中间合金AlTi5B0.32份-0.4份；
设备准备：准备底部设置有凸起结构的壶形石墨坩埚、与壶形石墨坩埚匹配的侧面加热装置、足量粒径3mm-5mm的镍基软磁合金屑、设置在壶形石墨坩埚底部下方的电磁搅拌发生装置、固锁在壶形石墨坩埚底部的液压上下往复振动装置、注液速度为40m/s-50m/s的压铸设备；
模具准备：准备预热到165℃-180℃的奥氏体不锈钢压铸模具；
②将步骤①准备的原材料及镍基软磁合金屑采用超声波除油器进行除油处理后，再分别采用乙醇清洗干净后烘干待用，分别获得待用原料、待用铝钛硼中间合金AlTi5B和洁净镍基软磁合金屑；
③将步骤②获得的洁净镍基软磁合金屑投入步骤①准备的壶形石墨坩埚使其沉落到壶形石墨坩埚底部，再将待用原料投入壶形石墨坩埚使其覆盖在镍基软磁合金屑上面；
④开启加热装置至石墨坩埚升温至415℃-420℃，开始保温；待用原料开始熔化，等到待用原料熔化1/4-1/3体积时，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续3min-4min后停止一次搅拌；继续维持加热至原料熔化1/2-3/5体积时，在保持加热的条件下再次开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为控制在保持液态部分有肉眼可视流动但不见冒泡或翻卷，持续6min-8min，停止二次搅拌；继续维持加热直至原料完全熔化，然后在金属液内投入步骤②获得的待用铝钛硼中间合金AlTi5B，在保持加热的条件下开启电磁搅拌发生装置，搅拌强度为液面连缘与石墨坩埚结合处出现波浪纹且控制波浪纹高度3mm-5mm，持续12min-15min，然后在维持电磁搅拌和加热的同时开启液压上下往复振动装置，以1次/秒-1.2次/秒的频率进行振动处理，每次为一个完整的上下往复周期，振动高度范围0.8cm-2cm，持续振动、电磁搅拌和加热复合处理5min-6min，打渣，然后获得浇铸金属液；
⑤采用步骤①准备的压铸设备，以按目标产品设计平均壁厚Dmm计10D毫秒-11D毫秒的充型时间将步骤④获得的浇铸金属液注入步骤①准备的奥氏体不锈钢压铸模具，然后持压D/2秒-D/1.8秒，完成持压后，静置D2秒-2D2/3秒后脱模，空冷至室温，即完成复杂锌合金精铸件的一次成型。
2.一种采用权利 要求1所述锌合金压铸件的熔炼方法制造的锌合金压铸件，其特征在于：该锌合金压铸件的原料配比为铝3.5份-4.5份、镁0.03份-0.05份、铜0.1份-0.2份、锌95.3份-96.4份、铝钛硼中间合金AlTi5B0.32份-0.4份；该锌合金压铸件的合格标准为：致密度99.5%-99.8%，抗拉强度330MPa-350MPa，延伸率3.2%-3.5%，硬度105HB-130HB，冲击韧性39J-43J。
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