CN112921226B - 一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于镁铝系合金的Mg‑AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法,首先将一定比例的Al粉与Mg3N2粉混合装入球磨罐中,先采用低转速球磨,然后进行高速间歇球磨,球磨一定时间,将球磨获得的混合粉末加入到纯Mg熔体中,并对熔体进行超声处理,生成物AlN来不及长大就在超声场作用下均匀分散开;然后在覆盖剂的保护下将熔体温度升高到900℃左右,随后迅速降温浇注获得Mg‑3%AlN中间合金。本发明制备工艺简单、生产成本较低,细化处理操作方便,细化剂响应时间短,获得的晶粒细化效果好,且细化效率不存在高温依赖性,即对Mg‑Al合金的细化处理可在常规熔炼温度下进行,可使Mg‑Al合金的强度和韧性均能得到显著提高。

Description

一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备 方法
技术领域
本发明属于铸造镁合金组织细化技术领域,涉及到一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度高、易切削加工等优点,被称为“二十一世纪绿色工程材料”,在航空航天、3C电子等领域均有大规模应用。镁合金中应用最广泛的是Mg-Al系合金,与铸态铝合金类似,Mg-Al合金常规条件下的凝固组织较为粗大,凝固过程中易产生缩松、气孔、裂纹等铸造缺陷,导致其力学性能较低,因此,生产中需要进行晶粒细化处理。目前,Mg-Al系合金最主要的晶粒细化方法是向熔体中添加含碳物质作为晶粒细化剂,但往Mg-Al系合金熔体中引入碳或含碳的物质时会严重污染环境且存在与合金熔体浸润性差等问题。因此,开发非碳的细化剂是解决此问题的有效路径之一。
晶格错配度是目前异质形核的基本理论判据,根据异质形核的晶粒细化机理,AlN与Mg的晶格错配度较小,理论上可作为α-Mg的异质形核核心。部分文献试验研究结果也证实A1N对α-Mg具有一定的晶粒细化作用,但由于对异质形核机制的本质缺乏深入认识,导致将AlN作为Mg-Al合金的晶粒细化剂,无论在制备还是使用过程中,仍存在诸多问题。例如,Fu等人在使用A1N颗粒作为变质剂对Mg-Al熔体进行孕育处理的结果中指出,只有在高温下,A1N才会起到较好的晶粒细化作用,此试验结果说明普通的AlN颗粒细化剂对Mg-Al合金的晶粒细化作用与合金温度存在明显的依赖关系。而在实际生产中,熔体温度过高会带来严重氧化与合金元素烧损,因此,在工艺上应尽量降低细化处理温度。此外,与碳质细化剂中的Al4C3陶瓷微粒类似,将AlN向Mg-Al中引入时也存在与合金熔体润湿性差的问题。制备一种含AlN的中间合金是解决润湿性差的较好方案,采用常规的熔体反应法与粉末冶金法制备Al/Mg-AlN中间合金,虽然能在一定程度上提高AlN与Mg-Al熔体的润湿性,但熔体反应法制备的AlN的尺寸一般较大;当AlN含量较多时,粉末冶金制备的细化剂往往在镁合金熔体中不易熔解,且制备工艺相对复杂。即使选用亚微米甚至纳米尺寸的AlN粒子进行粉末冶金工艺处理,制备AlN含量较少的Al/Mg-AlN中间合金,也仍然不能解决该类型细化剂的细化效率对细化处理温度的明显依赖性。
综上所述,如何通过原位反应制备含有细小AlN粒子的中间合金,且能够在常规细化温度下获得高的细化效率是研究开发用于Mg-Al系合金的含AlN晶粒细化剂的关键。
发明内容
本发明提供一种简便、有效的一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法。解决了普通含AlN细化剂的制备工艺复杂、与Mg-Al熔体润湿性差、AlN尺寸较大以及细化效率低、细化响应时间长等问题;同时该细化剂对细化处理温度不敏感,常规熔体细化工艺温度下即可获得最佳的晶粒细化效果。
本发明的技术方案是:
一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂的制备方法,将Al粉、Mg3N2粉按一定质量比混合,首先将Al粉与Mg3N2粉混合粉末装入球磨罐中,将球磨罐进行真空处理后安装到球磨机上进行球磨。先采用低转速球磨,然后进行高速间歇性球磨。将球磨获得的混合粉末加入到RJ2熔剂保护的纯Mg熔体中,同时对熔体进行超声处理,亚稳状态的Al、Mg3N2混合物在熔体中迅速发生反应,生成亚微米甚至纳米尺寸的AlN粒子,细小AlN在超声场作用下均匀分散与Mg熔体中;超声处理的同时将熔体温度升高到900℃左右,继续超声处理几分钟后迅速降温浇注到金属模具,获得Mg-AlN中间合金。将制得的中间合金细化剂添加到待细化的Mg-Al合金熔体中,其添加量控制在0.2%-1%之间,保持5分钟后进行氩气精炼、降温浇注等后续操作步骤,即可获得较好的晶粒细化效果。
本发明的效果和益处是与其它含AlN细化剂的制备方法相比,本发明制备工艺简单,生产成本低,熔体中原位生成的AlN粒子尺寸细小,且在超声场作用下能够在熔体中分布均匀,该细化剂加入到Mg-Al合金熔体后其中的AlN更加容易分散,提高了AlN的利用率。同时,由于AlN尺寸细小,等量细化剂中有效的形核核心数量增多,可减少该细化剂的加入量;制备过程中的快速高温处理,改变了AlN晶体表面成分状态,保证了AlN对Mg的异质形核行为可在常规孕育处理温度下发生,而不需要提高细化处理温度,即摆脱了普通AlN细化剂对其细化效果的高温依赖性。
附图说明
图1是未添加细化剂的Mg-3Al合金的微观组织图。
图2是690℃下添加0.2wt.%细化剂后Mg-3Al合金的微观组织图。
图3是760℃下添加0.2wt.%细化剂后Mg-3Al合金的微观组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式进一步详细阐述本发明。应理解,以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围,该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂,包括以下步骤:
(1)混合粉末的配比与球料比
称取Al粉27g、Mg3N2粉50g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共160g,装入球磨罐后进行低速混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min。
(2)高速间歇球磨
将步骤(1)低速球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min。然后进行高速间歇球磨,球磨速率为450r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min。
(3)超声反应与高温快冷处理
将球磨后的混合粉末添加到1300克、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为800w,超声处理3min后,立即将熔体升温到900℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-3%AlN中间合金细化剂的棒材。
(4)细化效果验证
预热坩埚和Mg、Al铸锭,坩埚加热到500℃时加入纯Mg,Mg熔化后加入3%纯Al,表面撒RJ-2覆盖剂。将熔体温度升到690℃与760℃,向熔体中加入细化剂(质量分数为0.5%),对熔体进行简单搅拌,使得细化剂中的AlN有效分散开,保温2-5分钟。用高纯氩气精炼1分钟,然后降温到670℃浇注到金属模具中,得到φ55×140mm的棒料。
细化前后Mg-3Al合金的金相与力学性能分别示于表1和图1~3中。实例2~4中获得的细化剂的细化效果与实例1相当。
实施例2
一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂,包括以下步骤:
(1) 混合粉末的配比与球料比的确定
称取Al粉40g、Mg3N2粉37g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共180g,装入球磨罐后进行低速混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min。
(2) 高速间歇球磨
将步骤(1)低速球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min。然后进行高速间歇球磨,球磨速率为500r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min。
(3) 超声反应与高温快冷处理
将球磨后的混合粉末添加到950克、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为800w,超声处理3min后,立即将熔体升温到900℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-3%AlN中间合金细化剂的棒材。
(4) 细化效果验证
预热坩埚和Mg、Al铸锭,坩埚加热到500℃时加入纯Mg,Mg熔化后加入3%纯Al,表面撒RJ-2覆盖剂。将熔体温度升到690℃与760℃,向熔体中加入细化剂(质量分数为0.5%),对熔体进行简单搅拌,使得细化剂中的AlN有效分散开,保温2-5分钟。用高纯氩气精炼1分钟,然后降温到670℃浇注到金属模具中,得到φ55×140mm的棒料。
实施例3
一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂,包括以下步骤:
(1) 混合粉末的配比与球料比的确定
称取Al粉27g、Mg3N2粉50g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共160g,装入球磨罐后进行低速混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min。
(2) 高速间歇球磨
将步骤(1)低速球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min。然后进行高速间歇球磨,球磨速率为450r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min。
(3) 超声反应与高温快冷处理
将球磨后的混合粉末添加到1300克、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为1000w,超声处理3min后,立即将熔体升温到850℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-3%AlN中间合金细化剂的棒材。
(4) 细化效果验证
预热坩埚和Mg、Al铸锭,坩埚加热到500℃时加入纯Mg,Mg熔化后加入3%纯Al,表面撒RJ-2覆盖剂。将熔体温度升到690℃与760℃,向熔体中加入细化剂(质量分数为0.5%),对熔体进行简单搅拌,使得细化剂中的AlN有效分散开,保温2-5分钟。用高纯氩气精炼1分钟,然后降温到670℃浇注到金属模具中,得到φ55×140mm的棒料。
实施例4
一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂,包括以下步骤:
(1) 混合粉末的配比与球料比的确定
称取Al粉40g、Mg3N2粉37g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共180g,装入球磨罐后进行低速混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min。
(2) 高速间歇球磨
将步骤(1)低速球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min。然后进行高速间歇球磨,球磨速率为500r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min。
(3) 超声反应与高温快冷处理
将球磨后的混合粉末添加到950克、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为1000w,超声处理3min后,立即将熔体升温到850℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-3%AlN中间合金细化剂的棒材。
(4) 细化效果验证
预热坩埚和Mg、Al铸锭,坩埚加热到500℃时加入纯Mg,Mg熔化后加入3%纯Al,表面撒RJ-2覆盖剂。将熔体温度升到690℃与760℃,向熔体中加入细化剂(质量分数为0.5%),对熔体进行简单搅拌,使得细化剂中的AlN有效分散开,保温2-5分钟。用高纯氩气精炼1分钟,然后降温到670℃浇注到金属模具中,得到φ55×140mm的棒料。
表1 不同温度下添加细化剂前后Mg-3Al合金的晶粒尺寸和拉伸性能
晶粒尺寸(μm) 抗拉强度(MPa) 延伸率(%)
Mg-3Al未加细化剂 298 165.8 8.3
Mg-3Al-690℃加AlN 145 185.6 10.1
Mg-3Al-760℃加AlN 138 190.1 10.9
从图1与图2、图3的对比及表1中可以看出,本发明的细化方法可以明显地细化Mg-3Al和Mg-9Al合金的晶粒尺寸并能有效提高合金的力学性能。
尽管这里已详细列出并说明了优选实施例,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,在不脱离本发明精髓的前提下,本发明还可进行各种变化和改进,这些变化和改进都被认为处于权利要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)称取Al粉27g和Mg3N2粉50g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共160g,装入球磨罐后进行混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min;
(2)将球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min,然后进行间歇球磨,球磨转速为450r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min;
(3)将球磨后的混合粉末添加到1300g、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为800W,超声处理3min后,立即将熔体升温到900℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-AlN中间合金细化剂的棒材。
2.一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)称取Al粉40g和Mg3N2粉37g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共180g,装入球磨罐后进行混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min;
(2)将球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min,然后进行间歇球磨,球磨转速为500r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min;
(3)将球磨后的混合粉末添加到950g、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为800W,超声处理3min后,立即将熔体升温到900℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-AlN中间合金细化剂的棒材。
3.一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1) 称取Al粉27g和Mg3N2粉50g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共160g,装入球磨罐后进行混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min;
(2)将球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min,然后进行间歇球磨,球磨转速为450r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min;
(3)将球磨后的混合粉末添加到1300g、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为1000W,超声处理3min后,立即将熔体升温到850℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-AlN中间合金细化剂的棒材。
4.一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)称取Al粉40g和Mg3N2粉37g,称取直径分别为10mm、8mm、6mm的ZrO2磨球共180g,装入球磨罐后进行混粉,球磨转速为200r/min,球磨时间为20min;
(2)将球磨后的球磨罐采用机械泵进行抽真空处理,时间为5min,然后进行间歇球磨,球磨速率为500r/min,球磨时间为30h,每1h间停时间为10min;
(3)将球磨后的混合粉末添加到950g、700℃的纯镁熔体中,同时进行超声处理,超声功率为1000W,超声处理3min后,立即将熔体升温到850℃,升温过程中保持超声处理,随后停止超声,快速降温到750℃,浇注到金属模具中,获得Mg-AlN中间合金细化剂的棒材。
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