CN115055653A - 一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，步骤包括：先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，再向凝固模具内充入惰性气体；将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在200℃～700℃范围内；开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成。本发明以极其简单而巧妙的方案解决了现有大尺寸稀土镁合金铸锭制备工艺工序繁琐、制备难度高、成型性能差的问题，不仅能够简化工序步骤、降低制备成本和制备难度，大幅提高了其成型性能。
Description
技术领域
本发明属于镁合金铸锭制备技术领域，具体涉及一种大尺寸（直径不小于1.2m、长度均不小于0.8m）稀土镁合金铸锭的制备方法。
背景技术
在直径达到Φ600～800mm以上的大尺寸锭坯铸造过程中，由于铸锭内外冷却速率相差大、凝固时间长，容易产生严重的成分偏析或者发生锭坯心部开裂现象。而对于高强耐热但塑性相对偏低的EW75、WE83、WE91等高稀土含量的镁合金，其熔炼、浇铸温度相对更高，热导率更低，凝固收缩又非常大，锭坯铸造过程中冷却强度小，凝固时间长，成分偏析严重，容易引起锭坯心部开裂。
基于此，目前比较先进的解决方案是：先在熔化炉中进行纯镁锭的熔炼，然后将预热的合金元素纯金属锭或中间合金锭，连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；将镁合金熔液浇注到金属型铸造模具中，并从模具上端向下一定范围内采用石棉毡包裹模具进行保温，同时从模具底部开始用水进行快速定向冷却，然后去掉模具上端用于保温的石棉毡，对石棉毡保温区域进行快速水冷，脱模并将铸锭放入热处理炉中保温处理。
尽管前述方案能及时消除铸锭凝固过程中产生的残余应力，避免铸锭开裂，但其制备工序繁琐、实施成本高，且无法应用于直径大于1.2m的稀土镁合金铸锭制备。
此外，采用传统的半连续铸造方法制备大尺寸稀土镁合金构件过程中容易产生通心裂纹导致铸锭开裂报废（报废比例高达约70%），且铸锭尺寸越大，制备难度越大。
发明内容
本发明目的在于提供一种工序简单、制备难度小且成型性能好的大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.06~-0.09MPa时停止抽真空，保压1~3分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在200℃～700℃范围内；
所述冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，且四个加热区的温度满足50℃≤Ⅳ-Ⅲ≤150℃，50℃≤Ⅲ-Ⅱ≤150℃，50℃≤Ⅱ-Ⅰ≤150℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成。
为进一步提高大尺寸稀土镁合金铸锭的成型性能，所述凝固模具的下降速度控制在10~30mm/min。
为更进一步提高大尺寸稀土镁合金铸锭的成型性能，每当所述凝固模具下降10~20mm后，先控制所述凝固模具缓慢回升3-5mm，然后再控制所述凝固模具继续下降10~20mm，如此反复升降，直到铸锭凝固完成。
作为优选方案，所述大尺寸稀土镁合金铸锭的直径为1.5~2米、长度为1~2米。
作为优选方案，所述的加热Ⅰ区温度为350℃、加热Ⅱ区温度为500℃、加热Ⅲ区温度为650℃、加热Ⅳ区温度为700℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金。
作为优选方案，所述的加热Ⅰ区温度为300℃、加热Ⅱ区温度为400℃、加热Ⅲ区温度为500℃、加热Ⅳ区温度为600℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-8.5Gd-4.5Y-0.4Zr镁合金。
作为优选方案，所述的加热Ⅰ区温度为340℃、加热Ⅱ区温度为470℃、加热Ⅲ区温度为530℃、加热Ⅳ区温度为620℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-8Gd-3Y-0.6Zr镁合金。
有益效果：本发明以极其简单而巧妙的方案解决了现有大尺寸稀土镁合金铸锭制备工艺工序繁琐、制备难度高、成型性能差的问题，不仅能够简化工序步骤、降低制备成本和制备难度，而且能够将直径为1.5~2米、长度为1~2米的稀土镁合金铸锭的报废比例大幅降低，大幅提高了其成型性能；本发明还解决了大尺寸稀土镁合金铸锭缩孔大的问题，大幅提高了材料的利用率，且制备的铸锭晶粒细小、铸锭顶部平整度好，降低了铸锭后续变形开裂情况。
附图说明
图1是实施例中冷却装置示意图。
具体实施方式
以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，制备直径为1300mm、长度为1200mm的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金铸锭，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具3中，然后将凝固模具3置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.06MPa时停止抽真空，保压1分钟后取出，再向凝固模具3内充入惰性气体，防止氧化；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具3移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在350℃～700℃范围内；
如图1所示，冷却装置包括冷却水缸1，冷却水缸1顶壁设有刚好能够供凝固模具3上下滑移的通孔，冷却水缸1内置升降机构，升降机构顶部的升降台2用于放置凝固模具3，在冷却水缸1上方设置有筒形加热器4，筒形加热器4自下往上分为加热Ⅰ区9、加热Ⅱ区8、加热Ⅲ区7、加热Ⅳ区6，的加热Ⅰ区9温度为350℃、加热Ⅱ区8温度为500℃、加热Ⅲ区7温度为650℃、加热Ⅳ区6温度为700℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具3上下滑移的通道，且筒形加热器4内壁与凝固模具3外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具3缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成；本步骤中，凝固模具3的下降速度控制在30mm/min。
实施例2
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，制备直径为1500mm、长度为800mm的Mg-8.5Gd-4.5Y-0.4Zr镁合金铸锭，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.07MPa时停止抽真空，保压1.5分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体，防止氧化；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在300℃～600℃范围内；
如图1所示，冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，的加热Ⅰ区温度为300℃、加热Ⅱ区温度为400℃、加热Ⅲ区温度为500℃、加热Ⅳ区温度为600℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成；本步骤中，凝固模具的下降速度控制在20mm/min。
实施例3
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，制备直径为1500mm、长度为1000mm的Mg-8Gd-3Y-0.6Zr镁合金铸锭，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.08MPa时停止抽真空，保压1分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体，防止氧化；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在340℃～620℃范围内；
如图1所示，冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，的加热Ⅰ区温度为340℃、加热Ⅱ区温度为470℃、加热Ⅲ区温度为530℃、加热Ⅳ区温度为620℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成；
本步骤中，凝固模具的下降速度控制在20mm/min，且每当凝固模具底面下降20mm后，先控制凝固模具缓慢回升5mm，然后再控制凝固模具继续下降20mm，如此反复升降，直到铸锭凝固完成。
实施例4
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，制备直径为1800mm、长度为1500mm的Mg-9Gd-3.5Y-0.8Zr镁合金铸锭，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.08MPa时停止抽真空，保压2分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体，防止氧化；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在310℃～700℃范围内；
如图1所示，冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，的加热Ⅰ区温度为310℃、加热Ⅱ区温度为450℃、加热Ⅲ区温度为580℃、加热Ⅳ区温度为700℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成；
本步骤中，凝固模具的下降速度控制在20mm/min，且每当凝固模具底面下降15mm后，先控制凝固模具缓慢回升4mm，然后再控制凝固模具继续下降15mm，如此反复升降，直到铸锭凝固完成。
实施例4
一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，制备直径为2000mm、长度为2000mm的Mg-7Gd-4Y-0.6Zr镁合金铸锭，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.09MPa时停止抽真空，保压3分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体，防止氧化；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在350℃～700℃范围内；
如图1所示，冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，的加热Ⅰ区温度为250℃、加热Ⅱ区温度为380℃、加热Ⅲ区温度为530℃、加热Ⅳ区温度为680℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成；
本步骤中，凝固模具的下降速度控制在10mm/min，且每当凝固模具底面下降10mm后，先控制凝固模具缓慢回升3mm，然后再控制凝固模具继续下降10mm，如此反复升降，直到铸锭凝固完成。
采用各实施例分别制备六个试样，统计报废数量，对各实施例中制备的完好铸锭随机抽取一个样品进行晶粒度检测和顶部缩孔检测，结果见表1。
| 实施例 | 制备数量/个 | 变形开裂情况 | 平均晶粒尺寸 | 缩孔深度 |
| 实施例1 | 6 | 无 | 48μm | 23mm |
| 实施例2 | 6 | 无 | 51μm | 35mm |
| 实施例3 | 6 | 无 | 59μm | 34mm |
| 实施例4 | 6 | 无 | 65μm | 39mm |
本发明以极其简单而巧妙的方案解决了现有大尺寸稀土镁合金铸锭制备工艺工序繁琐、制备难度高、成型性能差的问题，不仅能够简化工序步骤、降低制备成本和制备难度，而且能够成功制备直径为1.5~2米、长度为1~2米的稀土镁合金铸锭，并将直径为1.5~2米、长度为1~2米的稀土镁合金铸锭的报废比例大幅降低，大幅提高了其成型性能；本发明还解决了大尺寸稀土镁合金铸锭缩孔大的问题，大幅提高了材料的利用率，且制备的铸锭晶粒细小、铸锭顶部平整度好，降低了铸锭后续变形开裂情况。
Claims (7)
1.一种大尺寸稀土镁合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1，先将稀土合金溶体输入到凝固模具中，然后将凝固模具置于真空罐内抽真空处理，当真空度达到-0.06～-0.09MPa时停止抽真空，保压1～3分钟后取出，再向凝固模具内充入惰性气体；
步骤2，将充好惰性气体的凝固模具移至冷却装置的升降台上，将冷却装置的四个加热区温度控制在200℃～700℃范围内；
所述冷却装置包括冷却水缸，冷却水缸顶壁设有刚好能够供凝固模具上下滑移的通孔，冷却水缸内置升降机构，升降机构顶部的升降台用于放置凝固模具，在冷却水缸上方设置有筒形加热器，筒形加热器自下往上分为加热Ⅰ区、加热Ⅱ区、加热Ⅲ区、加热Ⅳ区，且四个加热区的温度满足50℃≤Ⅳ-Ⅲ≤150℃，50℃≤Ⅲ-Ⅱ≤150℃，50℃≤Ⅱ-Ⅰ≤150℃，由加热区内腔和通孔共同构成凝固模具上下滑移的通道，且筒形加热器内壁与凝固模具外壁呈活动密封连接；
步骤3，开启冷却装置的循环水，同时监测铸锭不同位置的温度，当铸锭温度小于400℃时，开启冷却装置的升降机构，使凝固模具缓慢浸入冷却水中，直到铸锭凝固完成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述凝固模具的下降速度控制在10～30mm/s。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：每当所述凝固模具下降10～20mm后，先控制所述凝固模具缓慢回升3-5mm，然后再控制所述凝固模具继续下降10～20mm，如此反复升降，直到铸锭凝固完成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述大尺寸稀土镁合金铸锭的直径为1.5～2米、长度为1～2米。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的加热Ⅰ区温度为350℃、加热Ⅱ区温度为500℃、加热Ⅲ区温度为650℃、加热Ⅳ区温度为700℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的加热Ⅰ区温度为300℃、加热Ⅱ区温度为400℃、加热Ⅲ区温度为500℃、加热Ⅳ区温度为600℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-8.5Gd-4.5Y-0.4Zr镁合金。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的加热Ⅰ区温度为340℃、加热Ⅱ区温度为470℃、加热Ⅲ区温度为530℃、加热Ⅳ区温度为620℃，所述大尺寸稀土镁合金铸锭为Mg-8Gd-3Y-0.6Zr镁合金。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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