CN109022981A - 一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法 - Google Patents

一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法，是针对铸造镁合金强度低的情况，在熔炼过程中添加镁、锌、铝、铜，以增强铸造镁合金的力学性能，制备的铸造镁合金抗拉强度达321MPa，屈服强度达192MPa，延伸率达8.8％，产物纯度达99.5％，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，是先进的制备高强度镁锌合金锭的方法。

Description

一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法，属于有色金属材料制备及应用的技术领域。
背景技术
镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，因其具有比重轻、节能降耗、比强度比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用的特征，使其特别适合汽车、计算机、通讯、仪器仪表、家电、轻工、军事等领域的应用；在镁合金中添加Ce、Y或富Ce混合稀土等可以提高合金高温强度及抗高温蠕变性能和改善铸造性能，国内外从20世纪70年代就开始了添加稀土元素强化镁合金的研究和应用；但是高稀土镁合金带来高性能的同时，昂贵的稀土元素无疑加大了镁合金的成本，为了提高镁合金应用的广泛性，在保证可以达到相应强度的前提下，开发和设计低稀土和不含稀土的镁合金也成为镁合金研究中的热点。
锌在镁中的最大固溶度为6.2％，并且固溶度随温度的降低而下降，是一种非常有效的合金化元素，具有固溶强化和时效强化的双重作用。Mg-Zn合金当时效温度高于477K时，在5～10h内即出现时效强化，而当温度低于422K时，经过长时间才能达到时效强化效果；在α-Mg晶界上析出类似于MgZn2晶体结构的β′相是Mg-Zn合金产生时效强化效应的主要原因；镁锌二元合金结晶温度区间大，流动性差，容易产生显微疏松，并且晶粒细化困难，从而不能用作工业用铸件或锻件材料，大大限制了工业应用，因此，Mg-Zn系合金的进一步发展，需要寻找第三种合金元素，以细化晶粒并减少显微疏松的倾向，这一技术还在科学研究中。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的情况，以镁、锌、铝、铜为原料，通过对Mg-Zn微合金化，合理控制合金成分，经真空熔炼炉熔炼、氩气保护、浇铸成型，并优化热处理工艺，制成高强度和较高塑性的镁锌合金锭。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：镁、锌、铝、铜、氧化镁、水玻璃、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)预处理镁、锌、铝、铜
①切块，将镁、锌、铝、铜块体置于钢质平板上，用机械切制成块，块体尺寸≤10mm×10mm×10mm；
②对镁、锌、铝、铜表面用砂纸进行打磨，然后用无水乙醇进行清洗；
③清洗后置于真空干燥箱中预热干燥，预热干燥温度100℃，真空度2Pa，干燥时间40min；
(2)配制涂覆剂
称取氧化镁50g±1g、量取水玻璃10mL±1mL，量取去离子水500mL±1mL，加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间80min；
搅拌后成乳白色悬浮状液体，即涂覆剂；
(3)制备开合式模具
开合式模具用不锈钢材料制作，型腔呈矩形，型腔表面粗造度为Ra0.08-0.16μm；
(4)熔炼制备镁锌合金锭
镁锌合金的熔炼是在真空熔炼炉中进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
①清洗、预热和内表面涂覆开合式模具；
用无水乙醇清洗开合式模具型腔，使之洁净；
用配制的涂覆剂均匀涂覆开合式模具型腔表面，表面涂覆层厚度0.5mm；
将开合式模具置于干燥箱中预热，预热温度150℃；
②打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，并用无水乙醇进行清洗，使坩埚内部洁净；
③称取镁块1352g±1g、锌块123g±1g、铝块17g±1g、铜块8g±1g，置于坩埚底部；
④关闭真空熔炼炉，并密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，并使炉内压强达到2Pa；
开启中频感应加热器，开始加热，加热温度750℃±1℃，加热时间60min；
⑤在坩埚底部通入氩气底吹管，向坩埚内输入氩气，氩气底吹速度200cm3/min，使炉内压强恒定在1个大气压，并由出气管阀调控；
镁、锌、铝、铜在熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下：
式中：MgZn2：镁锌共晶相
Mg32(Al,Zn)49：镁锌铝共晶相
MgZnCu：镁锌铜共晶相
MgAlCu：镁铝铜共晶相
α-Mg：基体相
熔炼后成合金熔液，加热温度降至720℃±1℃，在此温度恒温保温10min；
⑥浇铸
关闭氩气底吹管；
打开真空熔炼炉；
除去熔炼坩埚内熔液表面熔渣；
对准预热的开合式模具浇口，进行浇铸，铸满为止；
⑦冷却，将浇铸了合金熔液的开合式模具埋入细沙中冷却至25℃；
⑧开模，打开开合式模具，取出铸件，即镁锌合金锭；
(5)热处理镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于热处理炉中进行双级固溶处理，低温固溶温度为345℃±2℃，恒温保温时间为24h；高温固溶温度为360℃±2℃，恒温保温时间为36h，通入氩气进行保护，氩气通入速度为100cm3/min；恒温保温后，将镁锌合金锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s；
将固溶处理后的镁锌合金锭置于热处理炉中进行双级时效处理，低温时效温度为80℃，恒温保温时间为24h；高温时效温度为180℃，恒温保温时间为6h；然后将镁锌合金锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s，淬火后制得高强度的镁锌合金锭；
(6)清理、清洗镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于钢质平板上，用砂纸打磨正反表面及周边，使表面光洁；
然后用无水乙醇清洗各部，使其洁净；
(7)真空干燥镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于真空干燥箱中，真空度2Pa，干燥温度100℃，干燥时间10min；
(8)检测、分析、表征
对制备的高强度的镁锌合金锭的形貌、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征：
用金相分析仪和透射电子显微镜进行金相组织分析；
用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析；
结论：制备的高强度的镁锌合金锭为矩形铸件，镁锌合金锭中含有耐高温强化相MgZnCu、α-Mg基体相和密集的时效析出相，合金抗拉强度为321MPa，屈服强度为192MPa，延伸率为8.8％，产物纯度达99.5％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铸造镁合金强度低的情况，在熔炼过程中添加镁、锌、铝、铜，以增强铸造镁合金的力学性能，制备的铸造镁合金抗拉强度达321MPa，屈服强度达192MPa，延伸率达8.8％，产物纯度达99.5％，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，是先进的制备高强度镁锌合金锭的方法。
附图说明
图1，高强度镁锌合金锭熔炼状态图；
图2，高强度镁锌合金锭横切面金相组织图；
图3，高强度镁锌合金锭横切面透射暗场图；
图4，高强度镁锌合金锭铸态和时效态力学性能对比图；
图中所示，附图标记清单如下：
1、真空熔炼炉，2、炉座，3、炉腔，4、出气管，5、出气阀，6、工作台，7、熔炼坩埚，8、中频感应加热器，9、合金熔液，10、氩气，11、底吹电机，12、底吹管，13、真空泵，14、真空管，15、氩气瓶，16、氩气管，17、氩气阀，18、电控箱，19、显示屏，20、指示灯，21、电源开关，22、中频感应加热调控器，23、底吹电机调控器，24、真空泵调控器，25、第一电缆，26、第二电缆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为高强度镁锌合金锭熔炼状态图，各部位置要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位。
高强度镁锌合金的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
真空熔炼炉为立式，真空熔炼炉1的底部为炉座2、内部为炉腔3，在炉腔3内底部设有工作台6，在工作台6上置放熔炼坩埚7，熔炼坩埚7外部由中频感应加热器8环绕，熔炼坩埚7内为合金熔液9；在真空熔炼炉1的右上部设有出气管4，并由出气阀5控制；在真空熔炼炉1的左部设有氩气瓶15，氩气瓶15上设有氩气管16、氩气阀17，氩气管16连接底吹电机11，底吹电机11连接底吹管12，底吹管12穿过炉座2、工作台6通入熔炼坩埚7内，并对合金熔液9进行熔炼底吹；在炉座2的右下部设有真空泵13，并通过真空管14连通炉腔3；在真空熔炼炉1的右部设有电控箱18，在电控箱18上设有显示屏19、指示灯20、电源开关21、中频感应加热调控器22、底吹电机调控器23、真空泵调控器24；电控箱18通过第一电缆25连接中频感应加热器8；电控箱18通过第二电缆26连接底吹电机11、真空泵13；炉腔3内由氩气10充填；炉腔3内的压强由出气管4、出气阀5控制。
图2所示，高强度镁锌合金锭横切面金相组织图，图中所示，晶粒尺寸较小，晶粒中主要含有两种相，基体相α-Mg相和耐高温强化相MgZnCu，MgZnCu相在基体中均匀分布。
图3所示，高强度镁锌合金锭横切面透射暗场图，图中所示，基体中在时效过程析出了密集的强化相。
图4所示，高强度镁锌合金锭铸态和时效态力学性能对比图，图中所示，在热处理之前，镁锌合金锭抗拉强度为212MPa，屈服强度为107MPa，延伸率为7.1％，在热处理之后，镁锌合金锭抗拉强度为321MPa，屈服强度为192MPa，延伸率为8.8％。

Claims (2)

1.一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：镁、锌、铝、铜、氧化镁、水玻璃、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)预处理镁、锌、铝、铜
①切块，将镁、锌、铝、铜块体置于钢质平板上，用机械切制成块，块体尺寸≤10mm×10mm×10mm；
②对镁、锌、铝、铜表面用砂纸进行打磨，然后用无水乙醇进行清洗；
③清洗后置于真空干燥箱中预热干燥，预热干燥温度100℃，真空度2Pa，干燥时间40min；
(2)配制涂覆剂
称取氧化镁50g±1g、量取水玻璃10mL±1mL，量取去离子水500mL±1mL，加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间80min；
搅拌后成乳白色悬浮状液体，即涂覆剂；
(3)制备开合式模具
开合式模具用不锈钢材料制作，型腔呈矩形，型腔表面粗造度为Ra0.08-0.16μm；
(4)熔炼制备镁锌合金锭
镁锌合金的熔炼是在真空熔炼炉中进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
①清洗、预热和内表面涂覆开合式模具；
用无水乙醇清洗开合式模具型腔，使之洁净；
用配制的涂覆剂均匀涂覆开合式模具型腔表面，表面涂覆层厚度0.5mm；
将开合式模具置于干燥箱中预热，预热温度150℃；
②打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，并用无水乙醇进行清洗，使坩埚内部洁净；
③称取镁块1352g±1g、锌块123g±1g、铝块17g±1g、铜块8g±1g，置于坩埚底部；
④关闭真空熔炼炉，并密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，并使炉内压强达到2Pa；
开启中频感应加热器，开始加热，加热温度750℃±1℃，加热时间60min；
⑤在坩埚底部通入氩气底吹管，向坩埚内输入氩气，氩气底吹速度200cm3/min，使炉内压强恒定在1个大气压，并由出气管阀调控；
镁、锌、铝、铜在熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下：
式中：MgZn2：镁锌共晶相
Mg32(Al,Zn)49：镁锌铝共晶相
MgZnCu：镁锌铜共晶相
MgAlCu：镁铝铜共晶相
α-Mg：镁基体相
熔炼后成合金熔液，加热温度降至720℃±1℃，在此温度恒温保温10min；
⑥浇铸
关闭氩气底吹管；
打开真空熔炼炉；
除去熔炼坩埚内熔液表面熔渣；
对准预热的开合式模具浇口，进行浇铸，铸满为止；
⑦冷却，将浇铸了合金熔液的开合式模具埋入细沙中冷却至25℃；
⑧开模，打开开合式模具，取出铸件，即镁锌合金锭；
(5)热处理镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于热处理炉中进行双级固溶处理，低温固溶温度为345℃±2℃，恒温保温时间为24h；高温固溶温度为360℃±2℃，恒温保温时间为36h，通入氩气进行保护，氩气通入速度为100cm3/min；恒温保温后，将镁锌合金锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s；
将固溶处理后的镁锌合金锭置于热处理炉中进行双级时效处理，低温时效温度为80℃，恒温保温时间为24h；高温时效温度为180℃，恒温保温时间为6h；然后将镁锌合金锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s，淬火后制得高强度的镁锌合金锭；
(6)清理、清洗镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于钢质平板上，用砂纸打磨正反表面及周边，使表面光洁；
然后用无水乙醇清洗各部，使其洁净；
(7)真空干燥镁锌合金锭
将制备的镁锌合金锭置于真空干燥箱中，真空度2Pa，干燥温度100℃，干燥时间10min；
(8)检测、分析、表征
对制备的高强度的镁锌合金锭的形貌、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征：
用金相分析仪和透射电子显微镜进行金相组织分析；
用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析；
结论：制备的高强度的镁锌合金锭为矩形铸件，镁锌合金锭中含有耐高温强化相MgZnCu、α-Mg基体相和密集的时效析出相，合金抗拉强度为321MPa，屈服强度为192MPa，延伸率为8.8％，产物纯度达99.5％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铸造镁锌合金锭的制备方法，其特征在于：高强度镁锌合金的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
真空熔炼炉为立式，真空熔炼炉(1)的底部为炉座(2)、内部为炉腔(3)，在炉腔(3)内底部设有工作台(6)，在工作台(6)上置放熔炼坩埚(7)，熔炼坩埚(7)外部由中频感应加热器(8)环绕，熔炼坩埚(7)内为合金熔液(9)；在真空熔炼炉(1)的右上部设有出气管(4)，并由出气阀(5)控制；在真空熔炼炉(1)的左部设有氩气瓶(15)，氩气瓶(15)上设有氩气管(16)、氩气阀(17)，氩气管(16)连接底吹电机(11)，底吹电机(11)连接底吹管(12)，底吹管(12)穿过炉座(2)、工作台(6)通入熔炼坩埚(7)内，并对合金熔液(9)进行熔炼底吹；在炉座(2)的右下部设有真空泵(13)，并通过真空管(14)连通炉腔(3)；在真空熔炼炉(1)的右部设有电控箱(18)，在电控箱(18)上设有显示屏(19)、指示灯(20)、电源开关(21)、中频感应加热调控器(22)、底吹电机调控器(23)、真空泵调控器(24)；电控箱(18)通过第一电缆(25)连接中频感应加热器(8)；电控箱(18)通过第二电缆(26)连接底吹电机(11)、真空泵(13)；炉腔(3)内由氩气(10)充填；炉腔(3)内的压强由出气管(4)、出气阀(5)控制。
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