CN1216707C - 镁合金电磁低温半连续铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金电磁低温半连续铸造方法，包括熔化镁、添加组合阻燃元素、添加合金元素、保温、静置、在电磁场下半连续铸造步骤，本发明通过添加组合阻燃元素实现镁合金的无覆盖或保护熔炼，缩短了工艺流程，提高熔体质量，并通过施加电磁场和优化结晶器结构实现镁合金低温、高速半连铸，并通过控制工艺参数获得无裂纹，表面平整光洁，组织细化且均匀，无溶质偏析的镁合金锭坯。

Description

镁合金电磁低温半连续铸造方法

所属技术领域

本发明属于镁合金铸造技术领域。

背景技术

熔炼和铸造工艺是材料成形前的重要工序，对材料后续工艺有着重要的遗传性影响。半连铸是镁合金高效制坯工艺。由于镁合金的易燃性需复杂的熔炼工艺；由于镁hcp晶体结构和相对低的导热能力，极易造成粗大枝晶、成分偏析以及热裂。如何解决这些问题是镁合金获得优良铸造锭坯及后续成形顺利进行的关键。

目前镁合金半连铸工艺的熔炼方法和铸造工艺存在如下问题：

熔炼方法存在的问题

1、SO₂对操作者呼吸道有刺激作用；腐蚀性强；有烧渣出现时，SO₂气体反而引起燃烧；液态SO₂需加热气化并严格控制温度和流量，工序繁多，且存在爆炸的危险性；

2、SF₆气体无毒无味，是目前国内外企业常用的保护气体，但该气体具有温室效应，在保护中也会分解成有毒性的气体，在环保呼声日盛的今天，是亟待被取代的方法；

3、熔剂保护容易引起铸造的夹渣，需精练操作，由此导致需要长达数小时的静置操作，极大降低了生产效率和产品质量，即使如此也难以避免由夹渣所致的废品；以上方法得到的锭坯表面氧化严重，呈现毛糙，发黑表面，需较大的铣面量。

半连铸工艺条件存在的问题

1、铸造温度(730～750℃)高：镁合金氧化燃烧趋势增加；凝固时间长，由于镁合金具有低的热导率(300℃时，纯铝的热导率为234W·m^-1·℃^-1，而纯镁为150W·m^-1·℃^-1，只及Al的64％)，锭坯凝固内外温度梯度大，液穴深，致使元素偏析严重；内外组织差异显著；这也是镁合金传统半连铸热裂趋势显著的主要原因；

2、铸造速度不高：一般半连铸最高速度不超过10cm/min，否则极易产生中心裂纹，甚至劈裂；同时即使表面不氧化发黑的情况下也难以得到高表面平整度的锭坯；生产效率很低；

3、高结晶器高度：由于镁合金低的导热能力，为保证不拉漏，必须保证有较高的结晶器高度，由此，液穴深，锭坯内外温度梯度大，内外组织均匀性差。

由于镁合金传统半连铸存在以上诸多问题，因此，产品质量差，难以满足应用的需要，特别是难以满足镁合金体积变形的需要，而半连铸是镁合金，特别是变形镁合金开发最为关键的问题之一。大量试验表明半连续铸造中施加磁场对黑色金属和铝合金具有细化晶粒、提高表面光洁度和成材率等优点，是一种提高锭坯质量的简便、高效的工艺方法。目前电磁铸造的方法有无模铸造(美国专利No3467166)、工频电磁铸造(美国专利No.4,523,628)、电磁震荡(美国专利4,723,591)等。从公开发表的文献及专利看，有关镁合金半连铸的研究几乎空白，更未见镁合金半连铸施加电磁场的相关研究和专利。

发明内容

为了克服镁合金传统半连铸的诸多问题，提高镁合金半连铸锭坯的外观质量和优化内部组织结构，提高生产效率和成品率，本发明提供一种镁合金电磁低温半连续铸造方法。

本发明方法包括以下工艺步骤：

1、熔化镁，在铁坩埚中将镁熔化，熔化温度为670～680℃；

2、添加组合阻燃元素，当镁全部熔化后，添加由Ca和混合稀土组成的组合阻燃元素，添加量(以重量百分数计)添加含Ca 98％的工业纯Ca 1～2％，含铈Ce和镧La 70％以上的混合稀土0.3～1％；

3、添加合金元素：各合金元素加入量根据制备的镁合金牌号不同依ASTM标准确定，其中Al、Zn以纯金属形式加入，加入温度700℃，Mn以铝锰合金形式加入，其中的Mn占10％，锆以镁锆中间合金形式加入，其中的锆占25％；

4、在添加合金之后，升温到720℃，保温30min后降温至660～680℃，静置20分钟；

5、铸造，在半连续铸造机上铸锭，结晶器采用铝质结晶器，结晶器石墨环的高度为5～10mm，在电磁场条件下进行半连续铸造，电磁场频率为15～50HZ，线圈安匝数为2000～3500安匝，结晶器壁磁场强度为0.01～0.05T，铸造温度为660～680℃，铸造速度50～150mm/min。

本发明通过添加组合阻燃元素实现镁合金的无覆盖或保护熔炼，简化熔炼工艺、缩短工艺流程，提高熔体质量；并通过施加电磁场和优化结晶器结构实现镁合金低温、高速半连铸；并通过半连铸工艺及电磁场等参数的控制获得无裂纹、表面平整光洁、组织细化且均匀、无溶质偏析的镁合金锭坯。

本发明在高度比传统铸造结晶器低的结晶器上安装交流电磁场发生线圈，添加组合阻燃元素的低温镁合金熔体，在磁场力的作用下结晶器液穴以上及保温帽内的熔体发生低频振动和稳定环流，对镁合金熔体起到除气精练作用，同时促进了初生α-Mg枝晶晶粒的熔断与枝晶臂的破断作用，另外由于低铸造温度和稳定环流的作用，均促使铸锭中心与边部的温度场梯度的降低，液穴变浅，底部变得平缓，铸锭热应力减少，热裂趋势降低，降低了废品率；液面凸起在一定程度上减少了熔体与结晶器的接触面积，熔体通过结晶器的传热减少，铸造一次冷却减缓，这些因素促使在不增加二次冷却强度的情况下，铸造速度可提高1～4倍以上。另一方面，稳定环流段熔体产生搅拌作用，使结晶器壁形核源脱离壁面进入熔体中成为新的形核中心，增加了熔体凝固过程的形核颗粒数量，细化晶粒，同时，液穴中熔体与凝固壳液-固界面上的形核前沿枝晶芽破碎，枝晶长大得到抑制。高的铸造速度及减小了的熔体与结晶器接触面提高铸锭表面质量，可大大减少铣面量；晶粒细化和均匀化，提高了铸锭的力学性能，也为后续的均匀处理和体积变形等工序提供了高质量锭坯。

本发明采用组合添加阻燃元素进行熔炼，铸造温度比传统铸造降低50～100℃以上，施加电磁场频率为15～80Hz，安匝数为2000～3500AN，结晶器高度比传统铸造低10～20mm，主要考虑晶粒细化和提高表面质量，同时为避免出现热裂和铸锭中心与边部的晶粒差别增加，可通过改变电磁场条件和适当降低铸造速度进行控制，随铸锭尺寸增加，应减少铸造速度和提高结晶器高度。

本发明方法采用对开式熔炼炉及浇注系统(如图1)。对开式熔炼炉以及可拆卸坩埚有利于修炉和清炉操作；坩埚底部设有溜口，以实现熔炼后直接浇铸，减少熔炼中的搅动，提高熔体的纯净度，溜口离坩埚底部有一定距离以避免底部沉降有较多杂质的熔体不进入溜槽中；坩埚顶部设置带孔密封盖，减少合金熔体与空气的接触。结晶器采用铝材质的结晶器系统(如图2)，具有较低的总体高度和较小的石墨环高度，结晶器上方设置电磁发生线圈，其外部有防水和绝缘保护。

本发明通过添加阻燃合金元素实现镁合金熔炼的阻燃；在较低的熔炼和铸造温度下实现镁合金的半连续铸造；采用低铸造结晶器高度和低结晶带，大大降低液穴深度；并在低频电磁力作用下实现镁合金液穴以上熔体的稳定层流和振动，进一步降低了铸锭凝固的温度梯度，同时实现了镁合金在保护帽内的精炼(除气)。这些技术的结合及工艺参数的良好控制，实现了镁合金的低温和高速半连铸，缩短了流程，简化了工艺，且获得表面质量优良(无冷隔、无裂纹、无表面波纹)，内部无气孔和夹杂，宏观偏析降低，组织均匀、细小、枝晶退化的镁合金半连续铸锭。

采用本发明的镁合金电磁低温半连续铸造技术，只需对镁合金传统半连铸的结晶器上附加电磁发生线圈之外，主体设备不变，其他附属设备大大简化。该发明有以下主要特点：

极大提高镁合金的铸造速度(比常规高出1～4倍以上)，提高了劳动生产率；

低熔炼和铸造温度(根据合金系列不同，比传统常规铸造低50～100℃以上)，节能并降低了镁合金的氧化燃烧倾向；

实现无覆盖剂熔炼，免除精炼操作，减少了工序，避免了精炼剂和覆盖剂对熔体的二次污染，提高了金属的纯净度，静置操作时间由传统的数小时减少至15～30min；

极大提高了镁合金半连铸坯料的表面质量；

晶粒细化明显，枝晶退化，铸锭机械性能提高；

元素的宏观和微观分布均匀，可大大降低铸锭的均化时间；

凝固温度梯度大大降低，可以实现大尺寸铸锭的半连续铸造；

无覆盖剂及精炼剂夹杂、组织疏松大大降低，铸锭致密性大大提高；

低结晶槽高度有利于降低产生金属间化合物偏析的程度；

出现裂纹或冷隔的可能性降低，提高了产品的成材率。

附图说明

图1为本发明方法采用的对开式熔炼炉及浇注系统，

图2为本发明所用铝材质结晶器系统。

图中：1炉盖  2炉衬及加热体  3保温层  4溜口  5导轨  6电偶插孔  7坩埚盖  8转轴  9铁坩埚  10定位销  11底座  12结晶器上部  13电磁场发生线圈  14结晶器下半部  15进水口  16石墨环。

具体实施方式

例1 AZ91D镁合金的电磁半连铸

A铸造条件

铸锭尺寸：Φ100，铝合金引锭杆；

电磁场条件：频率50HZ，安匝数2400AN

B工艺参数与铸锭质量比较

表1 AZ91D镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸工艺参数比较

对比方法	结晶器高度/mm	铸造温度/℃	铸造速度/cm/min	水压/MPa
					传统半连铸	145	730～750	7.5～10.0	0.03～0.06
电磁低温半连铸	120	640～670	～22.0	0.03～0.06

表2 AZ91D镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸组织与外观比较

铸造方法	晶粒尺寸/μm	晶粒形状	Mn偏析/％	裂纹	表面质量
						传统半连铸	400～1500	枝晶或放射状枝晶	70～100	劈裂	氧化发黑，冷隔或横纹
电磁低温半连铸	30～80	蔷薇晶或退化枝晶	＜20	无	平整光洁

可见AZ91D镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸相比，结晶器高度降低，铸造温度降低100℃左右，铸造速度提高一倍以上；晶粒显著细化，枝晶熔断或解离，退化为蔷薇晶或细小枝晶，无夹杂或显微缩孔，Mn偏析大大降低，无裂纹或开裂，表面平整光洁。

例2 ZK60镁合金的电磁半连铸

A铸造条件

铸锭尺寸：Φ100，铝合金引锭杆；

电磁场条件：频率30HZ，安匝数3600AN

B工艺参数与铸锭质量比较

表3 AZ91D镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸工艺参数比较

对比方法	结晶器高度/mm	铸造温度/℃	铸造速度/cm/min	水压/MPa
					传统半连铸	145	690～730	2.2～4.0	0.03～0.06
电磁低温半连铸	120	630～670	～19.5	0.03～0.06

表4 AZ91D镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸组织与外观比较

铸造方法	晶粒尺寸/μm边部     中心	裂纹	表面质量
				传统半连铸	20～40   40～70	侧面劈裂	氧化发黑，横纹严重
电磁低温半连铸	10～20   20～40	无	光洁，有少许纵向划痕

可见ZK60镁合金电磁低温半连铸与传统半连铸相比，结晶器高度降低，铸造温度降低50℃左右，铸造速度提高4倍以上；晶粒显著细化，铸锭中心和边部晶粒尺寸差显著减小，无夹杂或显微缩孔，无裂纹或开裂，表面光洁。

Claims (1)

1、一种镁合金电磁低温半连续铸造方法，其特征在于包括以下步骤：

a、熔化镁，在铁坩埚中将镁熔化，熔化温度为670～680℃；

b、添加组合阻燃元素，当镁全部熔化后，添加由Ca和混合稀土组成的组合阻燃元素，添加量为Ca 1～2％，含铈Ce和镧La 70％以上的混合稀土0.3～1％；

c、添加合金元素，各合金元素加入量根据制备的镁合金牌号不同依ASTM标准确定，其中Al、Zn以纯金属形式加入，Mn以铝锰合金形式加入，锆以镁锆中间合金形式加入，加入温度700℃；

d、保温、静置，在添加合金之后，升温到720℃，保温30min，然后降温至660～680℃，静置20分钟；

e、铸造，在半连续铸造机上铸锭，结晶器采用铝质结晶器，结晶器石墨环的高度为5～10mm，在电磁场条件下进行半连续铸造，电磁场频率为15～50HZ，线圈安匝数为2000～3500安匝，结晶器壁磁场强度为0.01～0.05T，铸造温度为660～680℃，铸造速度50～150mm/min。