CN106834766A - 一种制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，属于镁合金材料制备领域。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。制得的大尺寸镁合金铸锭避免了铸锭开裂，同时有效地消除了铸锭中的组织成分偏析，可直接用于后续的锻造、挤压等变形加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，属于镁合金材料制备领域。
背景技术
作为目前最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度高、减震性能好、散热快等很多优点，使其在航空航天、汽车、兵器等许多领域都具有广泛的应用前景。随着上述领域的不断发展，对镁合金材料的性能和尺寸规格都提出了更高的要求。在实际的工业化生产中，对于传统的AZ80、ZK60等镁合金，在直径达到Φ600～800mm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(Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.5Zr)、WE83(Mg-8Y-3Nd-0.5Zr)、WE91(Mg-9Y-1MM-0.5Zr)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；冷却强度大，凝固收缩不均匀，将产生非常大的残余内应力，容易引起锭坯心部开裂，如图1所示为EW75镁合金大尺寸铸锭铸造开裂的场景。
采用半连续铸造方式，可以改善铸锭偏析、开裂的情况，但对于直径大于600mm的镁合金铸锭，尤其是高稀土含量(大于10wt.％)的镁合金铸锭，半连续铸造方式同样难以解决铸锭在凝固过程中内外温差大、偏析严重甚至开裂的问题，还普遍存在铸锭表面冷隔深，造成后续切削加工量大，熔铸环节成本高、收得率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，该方法所制备的大尺寸镁合金铸锭组织成分均匀、残余应力低、开裂倾向小、成品率高，特别适合目前高稀土含量的大尺寸镁合金铸锭的小批量生产。
本发明制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，主要包括下述步骤：
(1)以纯镁锭、不同合金元素的纯金属锭或它们和镁的中间合金锭为原料，按需要制备的镁合金成分的重量百分比进行备料；
(2)将预热炉升温到160～660℃，并将熔化炉升温到500～800℃，且向熔化炉通入保护气体；
(3)在预热炉中，将纯镁锭预热到100～600℃，同时将需加入的合金元素纯金属锭或其中间合金锭，预热到100～500℃；
(4)在已经预热的熔化炉中进行纯镁锭的熔炼，首先将占整个熔化炉的熔化重量1/2～1/20的预热纯镁锭加入熔化炉中，使其在保护气体的保护下完全熔化，然后将其余的预热纯镁锭分批加入到熔化炉中，待前一批预热纯镁锭熔化后，再加入下一批预热镁锭，每批加入量以纯镁锭完全淹没在镁熔液中为准；如此重复进行，直至纯镁锭加入量达到预定值，完全熔化后，将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在680～850℃；
(5)将预热后的合金元素纯金属锭或其中间合金锭，连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中；
(6)将镁熔液温度控制在720～850℃，待合金元素纯金属锭或其中间合金锭完全溶解后，再在720～850℃保温10～60分钟，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；
(7)然后，将镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中，并从模具上端向下300～500mm范围内采用石棉毡包裹模具进行保温，在炉盖中心位置开孔处将铠装热电偶***合金熔体中，***深度从炉盖位置向下500～600mm，实时监测合金熔体的温度变化，同时从模具底部开始用水进行快速定向冷却10～60min，待合金熔体温度降至650～700℃时，拔出热电偶，去掉模具上端用于保温的石棉毡，打开炉盖，对石棉毡保温区域进行快速水冷1～10min，然后迅速脱模，并立即将铸锭放入已升温至350～500℃的大型热处理炉中保温20～60h，出炉后空冷至室温并对铸锭表面进行车削加工。
所述的保护气体为氩气和CO2混合气体，二者体积比可优选3:2。
优选的，将预热炉升温到300～350℃，将熔化炉升温到600～620℃。
所述的加料筐由低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于合金元素纯金属锭或其中间合金锭的溶解和扩散。
金属型铸造模具的预热温度为200～500℃；快速定向冷却是指模具表面水冷高度范围：从底部开始，每隔2～5min向上升高200mm。
在浇注前，还可增加炉前分析的步骤；根据炉前分析的结果，确定是否需要加料调整。先浇注光谱试样，进行炉前分析，如果成分和含量不合格，可加料调整，直至合格。
本发明方法适用于制备直径Φ600mm以上，例如直径为Φ600～1000mm，高度800～1600mm的镁合金铸锭，其中，镁合金可为高合金元素含量(10wt.％以上)的镁合金，尤其是高稀土含量(10wt.％以上)的镁合金。
采用本发明方法制备直径Φ600mm以上的大尺寸镁合金铸锭，不仅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，同时有效地消除了铸锭中的组织成分偏析，铸锭表面机加工后经过短时加热后即可直接用于后续的锻造、挤压等变形加工。
附图说明
图1为EW75镁合金大尺寸铸锭铸造开裂的场景。
图2-1和图2-2分别是采用本发明制备的Φ650mm EW75镁合金铸锭的外观及其金相组织图。
图3-1和图3-2分别是采用本发明制备的Φ700mm AZ91镁合金铸锭的外观及其金相组织图。
具体实施方式
实施例1：Φ600～1000mm EW75镁合金铸锭制备
1、熔炼准备
按合金成分配比进行备料，投料总重约1000Kg。接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到300～350℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(氩气和CO2混合气体，二者体积比例约为3:2)；
2、纯镁锭预热及熔化
采用预热炉将表面洁净的850Kg纯镁锭预热到300℃，保证表面无水汽。首先加入300Kg表面洁净的纯镁锭，使其在前述混合气体保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入下一批预热镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值850Kg，完全熔化后，静置5～10min，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在700℃左右；
3、纯Gd、Y、Nd和Mg-30％Zr中间合金锭预热
在上述镁液静置的过程中开始预热称重好的稀土及Mg-30Zr中间合金(Gd：70Kg，Y：50Kg，Nd：10Kg，Mg-30Zr：40Kg)，预热温度300～350℃。其中稀土金属与中间合金分装到两个加料筐里，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的Cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的Φ5mm的小孔，使之成筛子状；
4、合金化
将预热后的纯稀土连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，同时升高镁熔体温度，控制在820～850℃，待稀土金属完全溶解后保温15～20min，然后加入Mg-30Zr中间合金，待完全溶解后加大电磁频率，同时进行机械搅拌，在820～850℃持续30min使加入的稀土合金元素和Zr均匀分布在镁熔体中；
5、铸锭冷却及去应力均火处理
将上述镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中，金属型铸造模具的内径为600～1000mm，高度为1000～1600mm，并从模具上端向下300～400mm，采用石棉毡包裹模具进行保温，在炉盖中心位置开孔处将铠装热电偶***合金熔体中，***深度从炉盖位置向下500～600mm，实时监测合金熔体的温度变化，同时从模具底部开始用水进行快速定向冷却(模具表面水冷高度范围：从底部开始，每隔2～5min向上升高200mm)20～50min，待合金熔体温度降至660～680℃时，拔出热电偶，去掉模具上端用于保温的石棉毡，打开炉盖，对石棉毡保温区域进行快速水冷3～5min，然后迅速脱模，并立即将铸锭放入已升温至500℃的大型热处理炉中保温60h，出炉后空冷至室温并对铸锭表面进行车削加工。
采用本发明的方法制备的Φ600～1000mm EW75大尺寸镁合金铸锭，不但及时消除了铸锭凝固过程中产生的残余应力，避免了铸锭开裂，同时有效地消除了铸锭中的组织成分偏析，铸锭表面机加工后经过短时加热后即可直接用于后续的锻造、挤压等变形加工。如图2-1和图2-2所示，分别是采用该方法制备的Φ650mm EW75镁合金铸锭的外观及金相组织图，可以看到铸锭外观光滑、没有开裂，而且组织成份均匀。
实施例2：Φ600～1000mm AZ91镁合金铸锭制备
1、熔炼准备
按合金成分配比进行备料，投料总重约1000Kg。接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到300～350℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(氩气和CO2混合气体，二者体积比例约为3:2)；
2、纯镁锭预热及熔化
采用预热炉将表面洁净的900Kg纯镁锭预热到300℃，保证表面无水汽。首先加入300Kg表面洁净的纯镁锭，使其在前述混合气体保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入下一批预热镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值900Kg，完全熔化后，静置5～10min，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在700℃左右；
3、纯Al、Zn和Mg-3.0％Mn中间合金锭预热
在上述镁液静置的过程中开始预热称重好的稀土及Mg-3.0Mn中间合金(Al：90Kg，Zn：10Kg，Mg-3.0Mn：20Kg)，预热到300～350℃。其中纯Al、Zn金属与Mg-3.0Mn中间合金装入一个加料筐里，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的Cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的Φ5mm的小孔，使之成筛子状；
4、合金化
将预热后的纯Al、Zn金属与Mg-3.0Mn中间合金连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，同时升高镁熔体温度，控制在720～750℃，待纯Al、Zn金属与Mg-3.0Mn中间合金完全溶解后在720～750℃保温15～20min，同时进行机械搅拌，持续30min使加入的合金元素均匀分布在镁熔体中；
5、铸锭冷却及去应力均火处理
将上述镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中，金属型铸造模具的内径为600～1000mm，高度为1000～1500mm，并从模具上端向下约350mm采用石棉毡包裹模具进行保温，在炉盖中心位置开孔处将铠装热电偶***合金熔体中，***深度从炉盖位置向下约450mm，实时监测合金熔体的温度变化，同时从模具底部开始用水进行快速定向冷却(模具表面水冷高度范围：从底部开始，每隔2～5min向上升高200mm)约20min，待合金熔体温度降至650℃时，拔出热电偶，去掉模具上端用于保温的石棉毡，打开炉盖，对石棉毡保温区域进行快速水冷约3min，然后迅速脱模，并立即将铸锭放入已升温至390℃的大型热处理炉中保温40h，出炉后空冷至室温并对铸锭表面进行车削加工。
采用本发明的方法制备的Φ600～1000mm AZ91大尺寸镁合金铸锭，不但及时消除了铸锭凝固过程中产生的残余应力，避免了铸锭开裂，同时有效地消除了铸锭中的组织成分偏析，铸锭表面机加工后经过短时加热后即可直接用于后续的锻造、挤压等变形加工。如图3-1和图3-2所示，分别是采用该方法制备的Φ700mm AZ91镁合金铸锭的外观及金相组织图，可以看到铸锭外观光滑、没有开裂，而且组织成份均匀。
Claims (8)
1.一种制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，包括如下步骤：
(1)以纯镁锭、不同合金元素的纯金属锭或它们和镁的中间合金锭为原料，按照镁合金成分的重量百分比备料；
(2)将预热炉升温到160～660℃，并将熔化炉升温到500～800℃，且向熔化炉通入保护气体；
(3)在预热炉中，将纯镁锭预热到100～600℃，同时将需加入的合金元素纯金属锭或中间合金锭，预热到100～500℃；
(4)在熔化炉中进行纯镁锭的熔炼，首先将占整个熔化炉的熔化重量1/2～1/20的预热纯镁锭加入熔化炉中，使其在保护气体的保护下完全熔化，然后将其余的预热纯镁锭分批加入到熔化炉中，待前一批预热纯镁锭熔化后，再加入下一批预热镁锭，每批加入量以纯镁锭完全淹没在镁熔液中为准；直至纯镁锭加入量达到预定值，完全熔化后，清理熔液表面的浮渣，将温度控制在680～850℃；
(5)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；
(6)将镁熔液温度控制在720～850℃，待合金元素纯金属锭或中间合金锭完全溶解后，再保温10～60分钟，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；
(7)然后，将镁合金熔液浇注到预热过的金属型铸造模具中，并从模具上端向下300～500mm范围内采用石棉毡包裹模具进行保温，在炉盖中心位置开孔处将铠装热电偶***合金熔体中，***深度从炉盖位置向下500～600mm，实时监测合金熔体的温度变化，同时从模具底部开始用水进行快速定向冷却10～60min，待合金熔体温度降至650～700℃时，拔出热电偶，去掉模具上端用于保温的石棉毡，打开炉盖，对石棉毡保温区域进行快速水冷1～10min，然后迅速脱模，并立即将铸锭放入已升温至350～500℃的热处理炉中保温20～60h，出炉后空冷至室温，对铸锭表面进行车削加工。
2.根据权利要求1所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：所述的保护气体为氩气和CO2混合气体。
3.根据权利要求2所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：氩气与CO2的体积比为3:2。
4.根据权利要求1所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：所述的加料筐由低碳钢或高铬钢制成，其上密布大量的小孔。
5.根据权利要求1所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：在浇注前，增加炉前分析的步骤。
6.根据权利要求5所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：炉前分析时，如果成分和含量不合格，则加料调整，直至合格。
7.根据权利要求1所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：所述的金属型铸造模具的预热温度为200～500℃。
8.根据权利要求1所述的制备大尺寸高合金元素含量镁合金铸锭的方法，其特征在于：所述的金属型铸造模具的内径为600～1000mm，高度为800～1600mm。
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