一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料方法，包括：熔化鎂、添加合金元素、添加細化劑和低溫澆注，本發(fā)明通過添加鋯細化劑與低溫澆注相結(jié)合，獲得高質(zhì)量的稀土鎂合金半固態(tài)漿料，該發(fā)明具有熔煉和澆注工藝簡單、無需施加攪拌、獲得半固態(tài)漿料組織優(yōu)良、利于成形等優(yōu)點。
【專利說明】一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬半固態(tài)漿料制備方法，尤其是一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料方法，屬于金屬材料半固態(tài)成形【技術領域】。
【背景技術】
[0002]半固態(tài)加工技術是20世紀70年代美國麻省理工學院的M.C.Flemings教授等提出的一種金屬成形新方法，該方法利用金屬從液態(tài)向固態(tài)或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過程中所具有的特性進行成形。這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次大變形量加工成形形狀復雜且精度和性能要求較高的零件，因此被稱為“21世紀新一代的金屬成形技術”。半固態(tài)成形技術在鋁、鎂合金中的應用，有效地降低了加工溫度，減少了氣孔、縮孔等缺陷，提高了零件的成品率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動了金屬成形方法的發(fā)展。
[0003]半固態(tài)成形的基礎是制備優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)合金漿料。傳統(tǒng)的半固態(tài)合金漿料制備方法包括機械攪拌法和電磁攪拌法，主要是通過劇烈攪拌打碎枝晶來獲得半固態(tài)漿料。這些方法有的易造成熔體污染，有的設備復雜、投資大，有的可操作性差不易控制，使其應用受到不同程度的限制。低溫澆注法是一種新開發(fā)的半固態(tài)漿料制備方法，該方法無需施加攪拌，僅需將合金液冷卻至液相線以下澆注即可，但低溫澆注存在漿料質(zhì)量差、組織不均勻等缺陷，需進一步改進。 [0004]作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有比強度、比剛度高的優(yōu)點。近年來由于汽車和電子工業(yè)上逐步采用了鎂合金構(gòu)件，使鎂合金的應用得到推廣。大量的實驗表明，半固態(tài)成形是一種極具潛力的鎂合金成形技術。之前對鎂合金半固態(tài)成形的研究，主要集中在Mg-Al系合金中，但Mg-Al系合金存在強度不足、耐熱性差等缺陷。添加稀土元素是提高鎂合金強度、和熱性的有效方法。稀土鎂合金半固態(tài)成形的研究還處于起步階段，已有的研究表明，稀土鎂合金是一類適合于半固態(tài)成形的鎂合金，有很好的應用前景。
[0005]鋯(Zr)是鎂合金的優(yōu)良細化劑，目前工業(yè)上主要以Mg - Zr中間合金的方式加入Zr。此外，Zr還可以通過添加Zr復合鹽(如K2ZrF6混合鹽為K2ZrF6-NaCl-KCl混合鹽或K2ZrF6-LiCl-CaF2 混合鹽，ZrCl4 混合鹽為 ZrCI4-NaC1-KCI 混合鹽或 ZrCl4-LiCl-CaF2 混合鹽)的形式加入。由于Zr具有強烈的晶粒細化作用，向稀土鎂合金中加入Zr細化劑，通過化學細化與低溫澆注方法復合，有望直接獲得高質(zhì)量的半固態(tài)漿料，但目前尚未見到采用Zr細化與低溫澆注復合制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法。
[0007]本發(fā)明通過下列技術方案實現(xiàn):一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其中，包括以下步驟:
[0008](I)熔化鎂:在井式電阻爐不銹鋼坩堝中將鎂熔化，熔化溫度為670~680°C ；
[0009](2)添加合金元素:在所述鎂全部熔化后，添加稀土元素，加入溫度為730°C ；
[0010](3)添加細化劑:在添加所述合金元素后，升溫至750°C，添加Zr，然后靜置保溫20 ~30min ；
[0011](4)低溫澆注:控制冷卻速率為5~20°C /min，將經(jīng)過所述步驟3后形成的合金熔體直接冷卻至液相線下5~10°C，即獲得半固態(tài)漿料并立即澆注。
[0012]優(yōu)選的，所述稀土元素為Gd、Y、Nd中的一種或兩種以上的混合物。
[0013]優(yōu)選的，所述步驟2中，還可以添加所述稀土元素和其它非稀土合金元素。
[0014]優(yōu)選的，所述其它非稀土合金元素為Zn。
[0015]優(yōu)選的，所述步驟3中所述Zr的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的0.5~1.0wt.%。
[0016]優(yōu)選的,所述步驟3中所加含Zr細化劑為Mg-Zr中間合金或Zr復合鹽。
[0017]優(yōu)選的，所述Zr復合鹽為K2ZrF6混合鹽或ZrCl4混合鹽。
[0018]優(yōu)選的，所述K 2ZrF6混合鹽為K2ZrF6-NaCl-KCl混合鹽或K2ZrF6-LiCl-CaF2混合鹽。
[0019]優(yōu)選的，所述ZrCl4混合鹽為ZrCl4-NaCl-KCl混合鹽或ZrCl4-LiCl-CaF2混合鹽。
[0020]與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明具有的實質(zhì)性特點和顯著進步為:
[0021](I)本發(fā)明通過向稀土鎂合金熔體中加入Zr作為化學細化元素，復合低溫澆注方法，在無需施加任何處理的條件下獲得高質(zhì)量的稀土鎂合金半固態(tài)漿料，避免了傳統(tǒng)半固態(tài)漿料制備方法中由于攪拌導致的鎂合金劇烈氧化；
[0022](2)不同于傳統(tǒng)半固態(tài)漿料制備方法中半固態(tài)初生相由枝晶破碎形成，本發(fā)明中的半固態(tài)初生相直接由晶粒形核生長而成，由于Zr顯著的形核和抑制生長作用，與破碎枝晶相比，本發(fā)明具有初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范圍小、初生相圓整度高等優(yōu)點，同時，漿料各部分組織均勻性好，差異很??；
[0023](3)本發(fā)明通過向合金熔體中添加化學細化劑，獲得良好的半固態(tài)組織，漿料質(zhì)量與直接通過低溫澆注法獲得的漿料相比有顯著提高；
[0024](4)制漿工藝和設備簡單，制漿過程可完全依靠現(xiàn)有熔煉設備完成，無需現(xiàn)有半固態(tài)漿料制備過程中的機械攪拌或電磁攪拌裝置，同時節(jié)省攪拌所需的能耗，顯著降低半固態(tài)漿料制備成本；
[0025](5)初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范圍小、圓整度高等優(yōu)點，有利于在流變成形過程中表現(xiàn)出較高的流變性能，同時有利于半固態(tài)坯料在二次加熱后獲得良好的半固態(tài)組織；
[0026](6)本發(fā)明采用低溫澆注，能顯著降低熔煉過程中的能耗，延長模具壽命，并抑制鎂合金熔體的氧化燃燒。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1中Mg-8.0Gd-6.ΟΥ-Ο.5Zr (wt.% )鎂合金組織對比圖。
[0029]其中:a為傳統(tǒng)鑄造組織，
[0030]b為半固態(tài)漿料凝固組織，
[0031]c為二次加熱組織。
[0032]圖2為本發(fā)明實施例2中Mg-5.0Y-4.0RE-0.8Zr (wt.% )鎂合金組織對比圖。
[0033]其中:a為傳統(tǒng)鑄造組織，
[0034]b為半固態(tài)漿料凝固組織，
[0035]c為二次加熱組織。
【具體實施方式】
[0036]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0037]實施例1
[0038]首先，熔化鎂。在井式電阻爐不銹鋼坩堝中將鎂進行融化，熔化溫度為670~680。。。
[0039]然后，添加合金元素。待鎂全部熔化后，向鎂液中添加合金元素，合金元素的加入溫度為730°C，Gd的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的8.0wt.%，Gd以Mg-Gd中間合金形式加入，其中Gd占90wt.%, Y的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的6.0wt.%，Y以Mg-Y中間合金形式加入，其中Y占25wt.%。
[0040]接下來，添加細化劑。在添加合金元素后，升溫至750°C，繼續(xù)向混合液中添加Zr，Zr的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的0.5wt.%, Zr以Mg-Zr中間合金形式加入，其中Zr占30wt.%，加Zr結(jié)束后靜置保溫20~30min。
[0041]最后，低溫澆注?？刂评鋮s速率為5°C /min，將上面形成的合金熔體直接冷卻至液相線下5~10°C，即獲得半固態(tài)漿料并立即澆注，該漿料可直接用于半固態(tài)流變成形，也可鑄造成半固態(tài)坯料用于二次加熱成形。
[0042]圖1所示為Mg-8.0Gd-6.ΟΥ-Ο.5Zr (wt.% )鎂合金傳統(tǒng)鑄造組織與半固態(tài)漿料激冷組織和二次加熱后激冷組織的對比?？梢姡喖毣瘡秃系蜏貪沧@得半固態(tài)漿料中初生相非枝晶特征明顯，經(jīng)二次加熱后固相顆粒圓整均勻，半固態(tài)漿料和二次加熱后坯料均完全可以滿足半固態(tài)成形要求。
[0043]實施例2
[0044]首先，熔化鎂。在井式電阻爐不銹鋼坩堝中將鎂融化，熔化溫度為670~680°C。
[0045]然后，添加合金元素。待鎂全部熔化后，添加合金元素，加入溫度為730°C，Y加入量為熔煉合金總質(zhì)量的5.0wt.%，Y以Mg-Y中間合金形式加入，其中Y占25wt.%，混合稀土加入量為熔煉合金總質(zhì)量的4.0wt.%，混合稀土以Mg-稀土中間合金形式加入，其中混合稀土占30wt.%
[0046] 接下來，添加細化劑。在添加合金元素后，升溫至750°C，繼續(xù)向混合液中再添加Zr, Zr的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的0.8wt.%，Zr以K2ZrF6-NaCl-KCl混合鹽形式加入，加Zr結(jié)束后靜置保溫20~30min，形成合金熔體。
[0047]最后，低溫澆注?？刂评鋮s速率為20°C /min，將上面形成的合金熔體直接冷卻至液相線下5~10°C，即獲得半固態(tài)漿料并立即澆注，該漿料可直接用于半固態(tài)流變成形，也可鑄造成半固態(tài)坯料用于二次加熱成形。
[0048]圖2所示為Mg-5.0Y-4.0RE-0.8Zr (wt.% )鎂合金傳統(tǒng)鑄造組織與半固態(tài)漿料激冷組織和二次加熱后激冷組織的對比?？梢?，化學細化復合低溫澆注獲得半固態(tài)漿料中初生相非枝晶特征明顯，經(jīng)二次加熱后固相顆粒圓整均勻，半固態(tài)漿料和二次加熱后坯料均完全可以滿足半固態(tài)成形要求。
[0049]實施例3
[0050]首先，熔化鎂。在井式電阻爐不銹鋼坩堝中將鎂融化，熔化溫度為670~680°C ；
[0051]然后，添加合金元素。待鎂全部熔化后，向鎂液中添加合金元素，合金元素的加入溫度為730°C，Nd的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的3.0wt.%，Nd以Mg-Nd中間合金形式加入，其中Nd占90wt.%, Zn的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的0.2wt.%, Zn以純Zn形式加入。
[0052]接下來,添加細化劑。在添加合金元素后,升溫至750°C,添加Zr, Zr的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的1.0wt.%，Zr以ZrCl4-NaCl-KCl混合鹽形式加入，加Zr結(jié)束后靜置保溫 20 ~30min。
[0053]最后，低溫澆注。控制冷卻速率為10°C /min，將上面形成的合金熔體直接冷卻至液相線下5~10°C，即獲得半固態(tài)漿料并立即澆注，該漿料可直接用于半固態(tài)流變成形，也可鑄造成半固態(tài)坯料用于二次加熱成形。
[0054]與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明具有的實質(zhì)性特點和顯著進步為:
[0055](I)本發(fā)明通過向稀土鎂合金熔體中加入Zr作為化學細化元素，復合低溫澆注方法，在無需施加任何處理的條件下獲得高質(zhì)量的稀土鎂合金半固態(tài)漿料，避免了傳統(tǒng)半固態(tài)漿料制備方法中由于攪拌導致的鎂合金劇烈氧化；
[0056](2)不同于傳統(tǒng)半固態(tài)漿料制備方法中半固態(tài)初生相由枝晶破碎形成，本發(fā)明中的半固態(tài)初生相直接由晶粒形核生長而成，由于Zr顯著的形核和抑制生長作用，與破碎枝晶相比，本發(fā)明具有初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范圍小、初生相圓整度高等優(yōu)點，同時，漿料各部分組織均勻性好，差異很??；
[0057](3)本發(fā)明通過向合金熔體中添加化學細化劑，獲得良好的半固態(tài)組織，漿料質(zhì)量與直接通過低溫澆注法獲得的漿料相比有顯著提高；
[0058](4)制漿工藝和設備簡單，制漿過程可完全依靠現(xiàn)有熔煉設備完成，無需現(xiàn)有半固態(tài)漿料制備過程中的機械攪拌或電磁攪拌裝置，同時節(jié)省攪拌所需的能耗，顯著降低半固態(tài)漿料制備成本；
[0059](5)初生相晶粒尺寸小、尺寸分布范圍小、圓整度高等優(yōu)點，有利于在流變成形過程中表現(xiàn)出較高的流變性能，同時有利于半固態(tài)坯料在二次加熱后獲得良好的半固態(tài)組織；
[0060](6)本發(fā)明采用低溫澆注，能顯著降低熔煉過程中的能耗，延長模具壽命，并抑制鎂合金熔體的氧化燃燒。
【權利要求】
1.一種鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)熔化鎂:在井式電阻爐不銹鋼坩堝中將鎂熔化，熔化溫度為670~680°C； (2)添加合金元素:在所述鎂全部熔化后，添加稀土元素，加入溫度為730°C； (3)添加細化劑:在添加所述合金元素后，升溫至750°C，添加Zr，然后靜置保溫20~30min ； (4)低溫澆注:控制冷卻速率為5~20°C/min，將經(jīng)過所述步驟3后形成的合金熔體直接冷卻至液相線下5~10°C，即獲得半固態(tài)漿料并立即澆注。
2.如權利要求1所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述稀土元素為Gd、Y、Nd中的一種或兩種以上的混合物。
3.如權利要求1所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述步驟2中，還可以添加所述稀土元素和其它非稀土合金元素。
4.如權利要求3所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述其它非稀土合金元素為Zn。
5.如權利要求1所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述步驟3中所述Zr的加入量為熔煉合金總質(zhì)量的0.5~1.0wt.%。
6.如權利要求1至5任一項所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述步驟3中所加含Zr細化劑為Mg-Zr中間合金或Zr復合鹽。
7.如權利要求6所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述Zr復合鹽為K2ZrF6混合鹽或ZrCl4混合鹽。
8.如權利要求7所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述K2ZrF6混合鹽為K2ZrF6-NaCl-KCl混合鹽或K2ZrF6-LiCl-CaF2混合鹽。
9.如權利要求7所述的鋯細化復合低溫澆注制備稀土鎂合金半固態(tài)漿料的方法，其特征在于，所述ZrCl4混合鹽為ZrCl4-NaCl-KCl混合鹽或ZrCl4-LiCl-CaF2混合鹽。
【文檔編號】C22C1/03GK104004936SQ201410217834
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權日:2014年5月21日
【發(fā)明者】張揚, 吳國華, 劉文才, 張亮, 汪存龍, 丁文江 申請人:上海交通大學