CN113500184A - 一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，包括：在砂型铸造过程中，在砂型设定位置预埋磁场施加装置和电流施加装置，并使电流施加装置伸入砂型型腔内；制备合金熔体；完成砂型中磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测，将合金熔体浇注至砂型型腔中，在浇注与冷却期间施加磁场，并对电流施加装置通电，实施对熔体的电磁激荡处理；S4，附加装置的拆卸，获得电磁激荡处理后的镁合金树脂砂铸件。本发明方法在铸件冷却过程中巧妙引入电磁激荡处理，解决了稀土镁合金传统Mg‑Zr晶粒细化效果不稳定、工艺优化空间小的难题，具有晶粒细化程度高，具有无污染、效率高、易于实施、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明属于合金铸造技术领域，特别涉及一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，针对砂型铸造高稀土含量镁合金大型复杂铸件成形过程中冷却速度小、晶粒细化难的技术难题提供该方法，具有无污染、效率高、易于实施、适用范围广等优点，既能服务科研需要，又能应用于工业生产。
背景技术
镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高以及原材料价格较低等显著优点，受到越来越广泛的重视，在汽车、航空航天、军工、3C产品等领域具有广阔的应用前景。相对非稀土镁合金，稀土镁合金强度更高、耐热性能更佳，在高端产品市场中占比更大。我国是镁资源、镁合金与稀土生产大国，镁和镁合金锭产量占世界总产量的一半以上，稀土产量与出口量更是常年保持世界第一。开发与应用高性能稀土镁合金材料符合镁合金国家工程研究发展的战略需要。
镁合金为密排六方结构，Hall-Petch常数值很大(280-320MPa·μm-1/2)，比铝合金高三倍，细晶强化效果显著。大型复杂镁合金铸件主要依靠砂型铸造成形。树脂砂型铸造尺寸稳定好、表面光洁度高、抗落砂能力强，在铸件生产中已获得广泛应用。然而，当使用传统晶粒细化剂时，特别是在工程化大熔量的熔体处理过程中，夹杂物的沉降与晶粒细化剂的沉降同步进行，最终的铸件很难同时获得低夹杂物含量与细化的凝固组织。针对大型复杂铸件，基于壁厚差异较大、浇注温度过高、冷却速率低等原因，晶粒细化难度更大、力学性能有限。当大型复杂铸件用于高性能飞行器时，将极大地阻碍了高性能飞行器的有效减重以及铸造镁合金材料的应用。随着铸件尺寸的增大与复杂程度的增加，晶粒粗化与力学性能下降的问题将进一步加剧，目前仍没有较好的解决方法。因此，针对高品质大型复杂镁合金铸件，开发出一种的高效、无污染的树脂砂型铸造晶粒细化方法非常重要。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，基于稀土具有磁性且与镁熔体之间存在电阻差异的特点，提供了一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，具体是在树脂砂型设定位置预埋磁场施加装置，在铸件设定位置预埋电流施加装置，在浇注和凝固过程中实现：①电磁激荡增加自由晶含量；②电磁激荡增强溶质的“成分过冷”效应，从两个方面达到细化高稀土含量镁合金晶粒尺寸的目的，最终提高合金综合强韧性。该方法效率高、无污染、易于实施、铸件尺寸精度高、表面粗糙度低、组织与性能稳定，既能够应用于新型高性能镁合金铸件研制，解决晶粒细化的技术难题，也能够应用于镁合金铸件的实际生产，提升铸件力学性能，还能够为新型特种凝固技术提供设计思路与技术支撑，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，包括以下步骤：
S1，采用树脂砂进行砂型铸造，在砂型铸造过程中，根据铸件结构与工艺设计需要，在砂型设定位置预埋磁场施加装置和电流施加装置，并使电流施加装置伸入砂型型腔内，砂型型腔内浇铸合金熔体后，电流施加装置与合金熔体接触；
S2，根据合金组成，将合金原料加入坩埚内熔化，随后进行熔化、精炼、扒渣与静置；
S3，完成砂型中磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测，将合金熔体浇注至砂型型腔中，在浇注与冷却期间施加磁场，并对电流施加装置通电，实施对熔体的电磁激荡处理；
S4，待铸件冷却到预定温度后，进行外接电源装置拆卸、开箱、落砂、铸型内磁场施加装置的拆卸，获得电磁激荡处理后的镁合金树脂砂铸件。
根据本发明提供的一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，基于树脂砂优良的抗落砂能力，利用电磁场与熔体电流激荡复合场作用抑制合金晶粒长大，细化晶粒，最终实现高稀土含量镁合金铸件综合强韧性的提升；
(2)本发明提供的一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，电磁场与熔体电流激荡复合场是一种非接触式的熔体处理方式，期间不会对熔体造成污染，且调整方式灵活多样，可根据铸件进行多样的调整以得到最佳性能，作用效果可以通过调节电流大小、预埋位置、相对角度进行合理调节；
(3)在晶粒细化方面，合金凝固过程中晶粒多依附于形核粒子形核，本发明提供的一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，外加电磁激荡可以破碎刚形成的枝晶使其游离，形成更多的形核核心，极大增大形核能力；电磁激荡产生的电磁能会加剧镁合金熔体中溶质迁移，在溶质分配作用下，凝固中的固/液界面前沿实际温度低于液相平衡凝固温度，产生成分过冷效应，在成分过冷区域内，随着温度的降低，溶质原子扩散速度减缓，晶粒生长速率也随之降低，进一步提高晶粒细化效果；此外还能使熔体中少数夹杂物向铸锭边缘游离，减少铸锭中心部位的缺陷；
(4)本发明提供的一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，集化学、物理、冶金技术于一体，改善了采用传统Mg-Zr中间合金作为晶粒细化剂时，Zr沉降严重、收得率低、细化效果不稳定以及产品批次稳定性不高的问题，尤其适用于大熔量熔体的细化处理，满足我国高校、研究所与企业对稀土镁合金的技术需求，特别适用于大型高稀土含量镁合金铸件的研制与生产。
附图说明
图1为实施例1采用电磁激荡处理得到的树脂砂型铸造WE43B镁合金某机匣相同部位的凝固组织；
图2为对比例1采用传统工艺树脂砂型铸造WE43B镁合金某机匣相同部位的凝固组织；
图3为实施例2采用电磁激荡处理得到的树脂砂型铸造VW63镁合金某舱体相同部位的凝固组织；
图4为对比例2采用传统工艺树脂砂型铸造VW63镁合金某舱体相同部位的凝固组织。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，包括铸型准备、配料、熔炼、熔体处理、浇注、电磁激荡处理、冷却、开箱与落砂工序，具体步骤如下：
S1，采用树脂砂进行砂型铸造，在砂型铸造过程中，根据铸件结构与工艺设计需要，在砂型设定位置预埋磁场施加装置和电流施加装置，并使电流施加装置伸入砂型型腔内，砂型型腔内浇铸合金熔体后，电流施加装置与合金熔体接触。其中，所述砂型是指是铸造生产过程中用原砂、黏结剂及其他辅料做成的铸件型腔。
该步骤中，磁场施加装置可以是电磁体或永磁体，磁场可以是静磁场，也可以是交变磁场。
该步骤中，砂型中预埋磁场施加装置的位置对应铸件大壁厚位置、厚薄壁转换位置、孤立凸台或端框等关键部位，其中，大壁厚位置是指铸件上壁厚大于平均壁厚的位置。
该步骤中，所述电流施加装置为电流施加电极，选用导电且不影响合金熔体质量的材料作为本体，包括但不限于纯镁、纯铝、纯钛、镁合金、铝合金、钛合金、铁基合金、镍基合金或石墨。电流施加装置施加的电流可以是直流电流、交流电流或脉冲电流。
该步骤中，所述电流施加装置可以为1带1电极(1个正极带1个负极)、1带多电极(1个正极带多个负极)、或多带1电极(多个正极带1个负极)中的任意一种或其组合。
该步骤中，所述电流施加装置的位置位于铸型的浇注系统、补缩系统和/或铸件本体，其中，所述铸型是指由砂型以及剩余其他所有辅助成型物品如浇注系统和补缩系统的统称；所述浇注系统是指将液态金属引入铸型型腔而在铸型内开设的通道，包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道、集渣包等部位；所述补缩系统是在铸件凝固前给铸件补充液体金属，以防止铸件内部因合金液从液态转变为固态产生的体积收缩，而在铸件内形成缩孔的部分，包括冒口等部位，浇注系统和补缩系统在铸件本体成形后可切除；所述铸件本体是指利用各种铸造方法获得的金属成型物件，如发动机机匣铸件、舱体铸件等。
S2，根据合金组成，将Mg、含镁中间合金等合金原料加入坩埚内熔化，随后进行熔化、精炼、扒渣与静置。
该步骤中，合金原料的成分和配比，满足使高稀土含量镁合金中总稀土质量分数≥6wt.％，稀土元素包括但不限于Gd、Y、Nd、La、Ce、Sm、Sc、Er、Dy、Ho、Yb、Eu中的任意一种或多种。
该步骤中，所述覆盖剂包括但不限于RJ-6、RJ-2、JDMF等中的任意一种或多种。
经过大量研究发现，采用电磁激荡处理时，稀土质量分数对晶粒细化效果有重要影响，不受任何理论限制地，本发明人认为：稀土是活性元素，在熔体中会富集在固液界面前沿，引发强烈的成分过冷，促进晶体的形核、抑制晶体的生长，从而起到细化晶粒的作用，该形核抑制作用与稀土元素的含量成正比，当镁合金中总稀土质量分数≥6wt.％时，效果更为显著。此外，稀土元素可以在高温热处理时固溶进镁基体，引发强烈的晶格畸变，稀土元素钉扎在镁合金晶界边缘，抑制了固溶过程中晶粒的长大。
S3，完成砂型中磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测，将合金熔体浇注至砂型型腔中，在浇注与冷却期间施加磁场，并对电流施加装置通电，实施对熔体的电磁激荡处理。
该步骤中，磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测可在步骤S2合金熔体的静置期间完成。
该步骤中，磁场为静磁场时，电流施加装置施加交流电流或脉冲电流；磁场为交变磁场时，电流施加装置施加直流电流、交流电流或脉冲电流。
进一步地，磁场为静磁场时，磁场强度0-10T，优选为0.05～10T；
磁场为交变磁场时，磁场强度0-10T、磁场频率1-100Hz；优选为0.05～10T、磁场频率10-100Hz；
电流施加装置产生直流电流时，电流强度0-1000A，优选为0.5A-1000A；
电流施加装置产生交流电流时，峰值电流0～1000A，电流频率1～1000Hz；优选峰值电流0.5A-1000A，电流频率10～1000Hz；
电流施加装置产生脉冲电流时，峰值电流0～30kA，电流频率1～1000Hz，占空比0～80％，优选峰值电流30A-30kA，电流频率10～1000Hz，占空比10～80％。
S4，待铸件冷却到预定温度后，进行外接电源装置拆卸、开箱、落砂、铸型内磁场施加装置的拆卸，获得电磁激荡处理后的镁合金树脂砂铸件。由于电场施加装置与铸件形成为一体，无需拆卸电场施加装置。
实施例
实施例1
采用高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法对WE43B镁合金某机匣砂型铸造过程进行细化处理。
S1，采用树脂砂进行树脂砂型造型。在砂型铸造过程中，在砂型对应铸件厚壁处隔砂预埋一组磁场施加装置，该磁场施加装置为永磁体；
S2，在砂型中预埋电流施加装置，电流施加装置伸入砂型型腔内，对应铸型横流道与集渣包部位，型腔内浇铸合金后与铸件结合，该装置采用不锈钢材质，为1带1电极，采用专用的线路将外接件引出铸型，整个线路有保护外壳，能够起到绝缘、耐热的效果；检测，确认电源工作状态正常；
S3，对砂型进行干燥，并预热至230℃，保温4小时以上；
S4，用电阻炉熔化纯Mg，以0.2％(体积分数)SF6+CO2混合气体保护。先将炉温缓慢升至720℃，待纯Mg合金完全融化后加入Mg-20Y、Mg-25Nd、Mg-20Gd、Mg-30Zr中间合金，并进行搅拌使中间合金在熔体中分布均匀，完全熔化后捞底搅拌7-10分钟，随后精炼、扒渣与静置；
S5，静置过程中，进行铸型准备，包括砂型模具的配合、电流施加装置外接部分与电源的连接，电流设定为峰值电流100A，频率200Hz，占空比25％的脉冲电流，磁场采用磁场强度1T的静磁场；
S6，坩埚内熔体降温至740℃后清除液面熔渣，实施合金浇注，在浇注过程开始时即打开电源，待保压结束时，关闭电源，拆除电流施加装置砂型外的连接系统；
S7，6小时后，进行开箱与落砂，拆卸铸型内磁场装置，切割流道、渣包等，获得电磁激荡处理的铸件。
铸件厚壁处晶粒尺寸如图1所示，本实施例通过在合金浇注、凝固过程中添加电磁激荡处理，得到的树脂砂型铸造WE43B镁合金某机匣铸件晶粒细小(粒径28μm)，明显小于使用传统工艺制备的铸件相同位置晶粒(粒径43μm)。参照图2可以看出，在使用相同的稀土镁合金，在完全相同的熔炼条件下，相对于采用传统工艺获得的机匣铸件，采用电磁激荡处理能够显著细化机匣铸件厚壁处的凝固组织。
本实施例在树脂砂型内置永磁体，在铸型中内置电流施加装置，在合金浇注与凝固过程中添加电磁激荡处理，合金凝固过程中电磁激荡刺激初生枝晶破碎游离，在熔体中形成更多的有效形核核心，极大增大形核能力；电磁激荡产生的电磁能也改变了镁合金熔体中溶质的分布，稀土元素富集在固/液界面前沿，产生成分过冷效应，在成分过冷区域内，随着温度的降低，溶质原子扩散速度减缓，晶粒生长速率也随之降低，此外还能使熔体中少数夹杂向铸锭边缘游离，减少铸锭中心部位的缺陷。此外，电流激荡作用还能促使熔体中的夹杂及溶剂夹杂物定向游离，解决了镁合金晶粒细化与熔体纯净化间的矛盾，因此提高了镁合金铸件综合力学性能。
实施例2
采用高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法对VW83镁合金某舱体砂型铸造过程进行细化处理。
S1，采用树脂砂进行树脂砂型造型。在造型过程中，在砂型对应铸件端框处隔砂预埋三组磁场施加装置，该磁场施加装置为电磁场，配有特殊冷却水道；
S2，在砂型中预埋电流施加装置，电流施加装置伸入砂型型腔内，对应缝隙浇道部位，型腔内浇铸合金后与铸件结合，该装置采用中碳钢材质，为1带多电极(1个正极带多个负极)，采用专用的线路将外接装置引出铸型，整个线路有保护外壳，能够起到绝缘、耐热的效果；检测，确认电磁场电源与电流电源工作状态正常；
S3，对砂型进行干燥，并预热至230℃，保温4小时以上；
S4，用电阻炉熔化纯Mg，以1.0％(体积分数)SF6+CO2混合气体保护。先将炉温缓慢升至690℃，待纯Mg合金完全融化升温至720℃，加入Zn，熔体稳定在720-740℃时，依次加入Mg-30Gd、Mg-30Y、Mg-30Zr中间合金，并进行搅拌使中间合金在熔体中分布均匀，完全熔化后捞底搅拌7-10分钟，随后精炼、扒渣与静置；
S5，静置过程中，进行铸型准备，包括砂型模具的配合、磁场与电流施加装置外接部分与相应电源的连接，电磁场冷却水套的连接与密封，以及电源工艺参数设定，磁场采用磁场强度0.2T、磁场频率50Hz的交变磁场，电流采用峰值电流10kA、频率500Hz、占空比15％的脉冲电流；
S6，坩埚内熔体降温至740℃后清除液面熔渣，实施合金浇注，在浇注过程开始时打开电磁场电源与电流电源以及电磁场冷却水开关，待保压结束时，关闭所有电源与冷却水，拆除磁场、电流施加装置砂型外的所有连接系统；
S7，8小时后，进行开箱与落砂，拆卸铸型内磁场施加装置，切割流道、渣包等，获得电磁激荡处理的铸件。
铸件厚壁处晶粒尺寸如图3所示，本实施例通过在合金浇注、凝固过程中添加电磁激荡处理，得到的树脂砂型铸造VW83镁合金某舱体铸件晶粒细小(粒径32μm)，明显小于使用传统工艺制备的铸件相同位置晶粒(粒径45μm)。参照图4可以看出，在使用相同的稀土镁合金，在完全相同的熔炼条件下，相对于采用传统工艺获得的舱体铸件，采用电磁激荡处理能够显著细化机匣铸件厚壁处的凝固组织，而且电磁激荡处理也使铸态组织中共晶相分布更为均衡。
对比例1
本对比例是实施例1的对比例，与实施例1不同之处仅在于在未在铸型和浇注系统内放置磁场、电场施加装置，与实施例1采用相同熔炼工艺得到的WE43B镁合金某机匣铸件同一厚壁部位金相组织如图2所示，晶粒尺寸明显大于电磁激荡处理后的铸件晶粒尺寸，最终影响铸件力学性能。
对比例2
本对比例是实施例2的对比例，与实施例2不同之处仅在于在未在铸型和浇注系统内放置磁场、电场施加装置，与实施例2采用相同熔炼工艺得到的VW83镁合金某舱体铸件同一部位金相组织如图4所示，晶粒尺寸明显大于电磁激荡处理后的铸件晶粒尺寸，最终影响铸件力学性能。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种高稀土含量镁合金树脂砂型铸造电磁激荡晶粒细化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采用树脂砂进行砂型铸造，在砂型铸造过程中，根据铸件结构与工艺设计需要，在砂型设定位置预埋磁场施加装置和电流施加装置，并使电流施加装置伸入砂型型腔内，砂型型腔内浇铸合金熔体后，电流施加装置与合金熔体接触；
S2，根据合金组成，将合金原料加入坩埚内熔化，随后进行熔化、精炼、扒渣与静置；
S3，完成砂型中磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测，将合金熔体浇注至砂型型腔中，在浇注与冷却期间施加磁场，并对电流施加装置通电，实施对熔体的电磁激荡处理；
S4，待铸件冷却到预定温度后，进行外接电源装置拆卸、开箱、落砂、铸型内磁场施加装置的拆卸，获得电磁激荡处理后的镁合金树脂砂铸件。
2.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S1中，所述磁场施加装置可以是电磁体或永磁体；
磁场施加装置施加的磁场为静磁场或交变磁场。
3.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S1中，所述砂型中预埋磁场施加装置的位置对应铸件大壁厚位置、厚薄壁转换位置、孤立凸台和/或端框部位，其中，大壁厚位置是指铸件上壁厚大于平均壁厚的位置。
4.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S1中，所述电流施加装置为电流施加电极，选用导电且不影响合金熔体质量的材料作为本体；
所述电流施加装置施加的电流为直流电流、交流电流或脉冲电流。
5.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S1中，所述电流施加装置的位置位于铸型的浇注系统、补缩系统和/或铸件本体。
6.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S2中，所述合金原料的成分和配比，满足使高稀土含量镁合金中总稀土质量分数≥6wt.％。
7.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S3中，所述磁场施加装置、电流施加装置与砂型外电源装置的连接及检测可在步骤S2合金熔体的静置期间完成。
8.根据权利要求1所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S3中，所述磁场为静磁场时，电流施加装置施加交流电流或脉冲电流；
所述磁场为交变磁场时，电流施加装置施加直流电流、交流电流或脉冲电流。
9.根据权利要求8所述的晶粒细化方法，其特征在于，步骤S3中，所述磁场为静磁场时，磁场强度0-10T；
所述磁场为交变磁场时，磁场强度0-10T、磁场频率1-100Hz；
所述电流施加装置产生直流电流时，电流强度0-1000A；
所述电流施加装置产生交流电流时，峰值电流0～1000A，电流频率1～1000Hz；
所述电流施加装置产生脉冲电流时，峰值电流0～30kA，电流频率1～1000Hz，占空比0～80％。
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