CN101259522B - 一种制备镁合金型材的连续流变成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备镁合金型材的连续流变成形方法,利用连续流变成形装置,按如下步骤进行:以工业镁、锌和铝为原料,化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg;先预热熔化炉到500~550℃,加入镁;在流量为5L/min,压力为14MPa氩气保护下加热;温度达到650℃时,加入阻燃剂,升温到720℃时,加入预热干燥后的铝、锌、锰熔化反应;合金熔化后混合均匀,静置30min后,加入除渣剂,在700~750℃温度下静置10min后,将模具预热至500~520℃,安装到靴块上,调整辊靴间隙为1~1.5mm,控制出口冷却水流量20~40L/min,将熔体浇注到转速为10~15r/min的辊槽中制取镁合金型材。本发明流程短,成本低,近终形生产,成材率高,容易工业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金型材的制备方法,特别是涉及一种连续流变成形制备镁合金型材的方法。
技术背景
由于节能环保问题的日益紧迫,产品的轻量化引起世人关注。镁合金质量轻,镁的比重是1.74g/cm3,只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4,而且具有回收再生性强的特点,用它取代塑料对环保非常有利,取代钢铁对节能有利,而且长寿化,外表美观,越来越受到人们的青睐。另外,镁比强度、比刚度高,导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低和易于回收等优点,广泛应用于航空航天,军工,交通,3C等领域。近年来,世界各大汽车公司已经将镁合金零件作为重要发展方向。在未来的7-8年中,镁合金产品在汽车上的用量会以25~30%的速度递增。我国2005年汽车工业镁合金需求总量年达到12.8万吨,2008年将达到24万吨。随着数字化技术的飞速发展,高度集成化与轻量化的多媒体电子设备需求量也越来越大,但同时对电子产品部件的轻量化、散热能力和电磁屏蔽性能提出了更高的要求。传统的塑料不能满足这种需要,镁合金在此领域的市场潜力看好。目前,欧美、日本一些发达国家已开始采用镁合金生产电视机、电话机、手机和笔记本电脑、数字照相机及摄影机等零部件。电子产品中镁合金外壳的应用正在逐年增加。我国的镁资源约占世界镁储量的50%,菱镁矿的储量约占世界的1/2,但我国并非镁材料加工强国,大部分镁资源都出口国外进行深加工,而发达国家将深加工后高附加值的镁产品返销我国,因此造成资源很大浪费,经济上也损失巨大。利用我国镁资源优势,开发镁合金深加工技术具有重要的实际意义。然而镁合金塑性较差,而且燃点较低,容易氧化和燃烧,如何实现镁合金成形是一个新的技术难题,解决的有效途径就是进行半固态加工,以提高其成形性能,并尽量简化设备和中间环节,设备结构与工艺必须容易在工业上实现。镁合金的半固态成形性能良好并且工艺流程短,从而为镁加工工业提供了有利途径,因此镁合金的半固态成形技术具有广阔的应用前景,引起了研究人员和许多商家的重视。
目前,在发达国家投入商业化生产的半固态成形工艺主要采用触变成形,成形技术主要有单/双螺旋机械搅拌技术、电磁搅拌技术、喷射沉积技术与应变诱导熔体活化技术等。半固态成形过程参数控制严格,所遇到的问题多,在企业员工技术水平有限的条件下,该技术难于在工业上实现,成为阻碍该技术在全球大规模推广的一个重要瓶颈问题。如果缩短工艺流程,采用流变成形工艺,开发快捷方便、易于实现工业化、低能耗、低成本的近终形成形新工艺是解决上述问题的一个重要途径,成为目前半固态成形技术中重点研究内容之一。
镁合金连续流变成形技术是在铝合金连续铸挤技术(Continous Casting and Extrusion)与SCR流变成形技术(Rheoforming)的基础上的进一步发展。结合了这二者的优势,形成优势互补,最终达到流变成形的一体化与连续化。其中,连续铸挤技术(Castex)又是连续挤压技术(Conform)的进一步发展,它将液态金属连续铸造与加工合为一体,实现液态金属直接加工成形,属短流程,高效节能的先进工艺。1971年,英国原子能管理局Derek Green首次提出连续挤压,采用铝杆料或颗粒料为原料,由旋转的挤压轮带动进入挤压型腔内,在挤压力和温度作用下,将金属挤出模孔,根据产品的要求进行挤压模具设计。Conform连续挤压机和辅助加工设备构成了连续挤压生产线,可以生产实心和空心型材、线材及包复材。在Conform连续挤压的基础上,英国Holton公司对连续挤压机进行了改进,采用液态金属作原料直接进入主机,铸挤轮与固定靴块形成挤压型腔,液态金属在型腔内进行结晶与变形,然后被挤出模孔成材,形成铸造(Casting)与挤压(Extrusion)为一体的新型的挤压技术,获得发明专利。连续铸挤技术同常规生产同类产品的塑性加工方法相比较,具有如下优点:可连续生产很长的产品;节约能源约40%,成品率高达90%,降低成本约30%以上;产品精度高,表面光洁平整;设备结构紧凑,投资小;环境污染小。我国将连续铸挤技术列为“七五”攻关课题,此项研究是冶金工业发展的前沿课题,属短流程、高效节能、高效益的新技术,东北大学承担了该课题的研究任务,1990年研制成功,获得国家发明专利。国内也有几家研究连续挤压技术(Conform)的单位,但是液态铸挤技术的研究单位很少,东北大学在连续铸挤技术知识产权方面在国内一直处于领先水平,哈尔滨工业大学霍文灿教授等人也曾做过单辊轧挤等研究工作,取得了一些研究成果。国际上尚未见到采用该技术进行连续流变成形的报道,也未检出同样的发明专利。
发明内容
本发明的目的是在已有技术的基础上,研制出一种连续流变成形制备镁合金型材的方法,将浆料连续制备、连续流变有机结合实现流变成形的一体化和连续化,制备出高性能多种断面近终形合金材料。而且要实现成本低、流程短,成材率高,解决镁合金固态成形塑性较差的弊端,容易工业化。
实现本发明的技术方案是:利用主要由水冷的转动轧辊、固定靴块、流变腔体、挤压成形模具、背压块和基座构成的连续流变挤压设备,按如下步骤进行:
1)以化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg进行原料配制;
2)将熔化炉预热到500℃~550℃;
3)将配好的工业纯镁加入到熔化炉内,在流量为5L/min,压力为14Mpa氩气保护下进行加热;
4)当熔液温度达到650℃时,将阻燃剂加入并升温到720℃时,再加入预热干燥后的工业纯铝3.2wt%、锌1.2wt%、锰0.2wt%,进行熔化反应;合金原料工业纯镁、锌和铝,纯度均为99.99wt%;阻燃剂为金属钙,加入量为合金成分总量的0.5~1wt%。
5)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将除渣剂压入溶液中进行除渣,在700~750℃温度下静置10min后;除渣剂为C2Cl6,加入量为合金成分总量的0.2~0.5wt%。
6)将模具预热至500~520℃,并迅速安装到靴块上;
7)然后调整辊靴间隙为1~1.5mm,控制出口冷却水流量在20~40L/min;
8)将步骤(4)熔体浇注到转速为10~15r/min的辊槽中,其中辊槽冷却水流量15~25L/min,制备出镁合金型材。
主要创新点
(1)突破现有流变成形技术中成形过程难于控制,射铸技术设备成本高、原料要求高和原料加工困难等技术瓶颈,首次建立并实现国际领先水平的镁合金材料的连续流变成形装置、理论及工艺。
该技术是在连续铸挤技术(Castex)、单辊剪切冷却半固态材料制备技术(SCR)及流变成形技术基础上的进一步完善和发展。将浆料连续制备、连续流变有机结合,实现流变成形的一体化与连续化。采用液体料,直接连续的制备出高性能的多种断面近终形合金材料,是金属成形领域中极大技术突破。
(2)该技术显现出理想的综合技术特点:
①成本低,流程短、近终形生产,容易工业化。减少流程和中间环节,容易在工业上实现,成材率高。流变成形解决了镁合金固态成形塑性较差的弊端,容易制备高性能镁合金结构材料等。
附图说明
图1是本发明所采用的连续流变挤压设备结构示意图;
图2是本发明的原理示意图;
图3是本发明型材模具示意图;
图4是本发明型材实物图;
图5是本发明AZ31镁合金型材显微组织图;
图中1、靴座,2、扩展腔,3、成形模,4、充料口,5、底座,6、冷却腔,7、辊套,8、合金液,9、半固态合金,10、小口径填充,11、型材,12、阴模,13、定径带。
具体实施方式
实施例1:本发明所采用的连续流变挤压设备(已于2007年申请专利,申请号为2007101592209),如图1、图3所示。其制备镁合金型材的工作原理,如图2所示。主要由旋转的轧辊、安装在机架上的固定靴块、流变腔体、挤压成形模具、背压块和基座构成。合金熔体在辊靴型腔顶端入口进行浇注,通过旋转工作辊施加的摩擦力,合金熔体被拖入辊靴型腔,在辊靴型腔里,合金熔体被逐渐冷却,同时被旋转工作辊剪切搅拌,形成镁合金半固态浆料,浆料经挤压成形模具挤压成形。
采用本装置进行连续流变挤压AZ31镁合金型材,按如下步骤进行:
(1)以化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg进行原料配制;
(2)将熔化炉选用不锈钢坩埚预热到500℃;
(3)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99.99%的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内,并在流量为5L/min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(4)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到650℃,即有镁液产生时,将重量百分比为0.5%阻燃金属钙加入并升温到720℃时,并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝3.2%、锌1.2%、锰0.2%加入其中,进行熔化反应;
(5)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0.2%的除渣剂C2Cl6压入溶液中进行除渣,在700℃静置10min后;
(6)将模具预热温度至500℃并迅速安装到靴块上,将熔化后的合金熔液浇注到转速为10r/min的辊槽中,辊槽冷却水流量15L/min,辊靴间隙1.5mm,出口冷却水流量20L/min,制备出了断面为6mm×20mm的AZ31镁合金型材。
实施例2:本例的装置与实施例1相同,采用该装置连续流变挤压AZ31镁合金型材的工艺,按如下步骤进行:
(1)以化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg进行原料配制;
(2)将不锈钢坩埚预热到530℃;
(3)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99.99%的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内,并在流量为5L/min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(4)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到650℃,即有镁液产生时,将重量百分比为0.8%阻燃金属钙加入并升温到720℃时,并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝3.2%、锌1.2%、锰0.2%加入其中,进行熔化反应;
(5)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0.3%的除渣剂C2Cl6压入溶液中进行除渣,继续加热到730℃静置10min后;
(6)将模具预热温度至520℃并迅速安装到靴块上,将熔化后的合金熔液浇注到转速为12r/min的辊槽中,辊槽冷却水流量20L/min,辊靴间隙1.3mm,出口冷却水流量30L/min,制备出了断面为6mm×20mm的AZ31镁合金型材。
实施例3:本例的装置与实施例1相同,采用该装置连续流变挤压AZ31镁合金型材的工艺,按如下步骤进行:
(1)以化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg进行原料配制;
(2)将不锈钢坩埚预热到550℃;
(3)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99.99%的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内,并在流量为5L/min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(4)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到650℃,即有镁液产生时,将重量百分比为1%阻燃金属钙加入并升温到720℃时,并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝3.2%、锌1.2%、锰0.2%加入其中,进行熔化反应;
(5)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0.5%的除渣剂C2Cl6压入溶液中进行除渣,继续加热到750℃静置10min后;
(6)将模具预热温度至520℃并迅速安装到靴块上,将熔化后的合金熔液浇注到转速为15r/min的辊槽中,辊槽冷却水流量25L/min,辊靴间隙1mm,出口冷却水流量40L/min,制备出了截面为6mm×20mm的AZ31镁合金型材。
Claims (1)
1.一种制备镁合金型材的连续流变成形方法,利用主要由水冷的转动轧辊、固定靴块、流变腔体、挤压成形模具、背压块和基座构成的连续流变挤压设备,其特征在于按如下步骤进行:
1)以化学成分重量分数为Al 3.2%,Zn 1.2%,Mn 0.2%,杂质总和≤0.1%,余量为Mg进行原料配制;合金原料工业纯镁、锌和工业纯铝,纯度为99.99wt%;
2)将熔化炉预热到500℃~550℃;
3)将配好的工业纯镁加入到熔化炉内,在流量为5L/min,压力为14Mpa氩气保护下进行加热;
4)当熔液温度达到650℃时,将阻燃剂加入并升温到720℃时,再加入预热干燥后的所述工业纯铝3.2wt%、锌1.2wt%、锰0.2wt%,进行熔化反应;阻燃剂为金属钙,加入量为合金成分总量的0.5~1wt%;
5)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将除渣剂压入溶液中进行除渣,在700~750℃温度下静置10min后;所述加入除渣剂为C2Cl6,加入量为合金成分总量的0.2~0.5wt%;
6)将模具预热至500~520℃,并迅速安装到靴块上;
7)然后调整辊靴间隙为1~1.5mm,控制出口冷却水流量在20~40L/min;
8)将熔化后的合金溶液浇注到转速为10~15r/min的辊槽中,其中辊槽冷却水流量15~25L/min,制备出镁合金型材。
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