專利名稱：電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金凝固組織的細(xì)化工藝方法，具體的說，涉及一種電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，屬于金屬材料與冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂及鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高以及原材料價(jià)格較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，受到越來越廣泛的重視。鎂合金在汽車、航空航天、軍工、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)是鎂資源和鎂合金生產(chǎn)大國(guó)，鎂和鎂合金錠產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的一半以上，進(jìn)一步開發(fā)鎂合金新型強(qiáng)化技術(shù)符合鎂合金國(guó)家工程研究發(fā)展戰(zhàn)略需要。眾所周知，晶粒細(xì)化技術(shù)是在不犧牲強(qiáng)度指標(biāo)前提下有效提高材料塑性的唯一途徑，無論是鑄態(tài)組織還是經(jīng)過熱處理后的熱處理組織。目前，鑄造鎂合金主要通過添加Zr以實(shí)現(xiàn)凝固組織的細(xì)化。在熔煉過程中，Zr收得率極低，一般小于30%，因此，Zr對(duì)鎂合金 凝固組織細(xì)化程度的影響也非常有限。有研究表明，電流以其特有的能量輸出方式能夠更有效地細(xì)化合金凝固組織，其作用機(jī)理為降低相變驅(qū)動(dòng)力，提高形核率；磁致收縮效應(yīng)與剪切應(yīng)力破碎枝晶、球化晶粒、抑制長(zhǎng)大、降低偏析。電流本身具有環(huán)境友好、施加簡(jiǎn)便、效果顯著的特點(diǎn)，在鋼鐵、鋁合金、鈦合金凝固組織細(xì)化領(lǐng)域已有少量應(yīng)用，但在鎂合金領(lǐng)域尚處于科學(xué)研究階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)單一使用Zr對(duì)鎂合金凝固組織進(jìn)行細(xì)化的不足，提供一種電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，采用物理細(xì)化與化學(xué)細(xì)化相結(jié)合的復(fù)合方法，達(dá)到爆發(fā)形核、晶核增殖的效果，進(jìn)一步細(xì)化鎂合金凝固組織，提高鎂合金力學(xué)性能，拓寬鎂合金的應(yīng)用范圍。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案解決其技術(shù)問題—種電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于在鎂合金熔煉過程中添加Zr細(xì)化劑，在鎂合金凝固過程中通入電流直至鎂合金完全凝固。本發(fā)明所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其包括以下具體步驟(I)在模具的鑄型中安置電極，并將電極與電源相接，預(yù)先調(diào)節(jié)好電流參數(shù)；(2)依次通過常規(guī)的熔化、精煉、扒渣和去皮工序?qū)︽V合金進(jìn)行熔煉；(3)待鎂合金母液溫度調(diào)整至設(shè)定溫度，添加Zr細(xì)化劑并進(jìn)行攪拌、靜置；(4)向模具的鑄型中澆注鎂合金母液，同時(shí)打開電源開關(guān)，從澆注開始直至鑄件完全凝固期間持續(xù)通入電流，得到細(xì)化的鎂合金凝固組織。所述電極的材料為鎂、鋁、鋅、銅、石墨或鋼。所述步驟(3)中的設(shè)定溫度為780 800°C。所述Zr細(xì)化劑為海綿Zr、化合物加Zr、混合鹽加Zr和中間合金加Zr中的一種或幾種的混合物。所述電流為直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流。所述的直流電流為60A。所述的脈沖電流為峰值100A，頻率為200Hz。所述的交流電為1000A，1000Hz。本發(fā)明思路新穎，集化學(xué)、物理細(xì)化技術(shù)于一體，具有復(fù)合細(xì)化功能，采用基本的鑄造工藝方法與簡(jiǎn)單的生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了鎂合金凝固組織的細(xì)化，因而本發(fā)明具有以下優(yōu)
點(diǎn)
I、本發(fā)明首次將Zr細(xì)化方法與電流細(xì)化技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了第二相的彌散分布，通過電流的擾動(dòng)更好地減少了冷隔、縮松與偏析等鑄造固有缺陷，顯著提高了鎂合金鑄錠的品質(zhì)及鑄件的強(qiáng)度與韌性。2、通電過程中，電極材料的擴(kuò)散對(duì)鎂合金起到了少量補(bǔ)償合金元素的作用。


圖I為電流處理裝置示意圖。圖2為實(shí)施例一中，相同Zr含量不同處理工藝下得到的WE43鎂合金凝固組織，其中，圖2 (a)為Zr細(xì)化處理得到的1#鑄件，圖2 (b)為電流和Zr復(fù)合細(xì)化處理得到的2#鑄件。圖3為實(shí)施例二中相同Zr含量不同處理工藝得到的ZM6鎂合金凝固組織，其中，圖3 (a)為Zr細(xì)化處理得到的1#鑄錠，圖3 (b)為電流和Zr復(fù)合細(xì)化處理得到的2#鑄錠。圖4為實(shí)施例三中相同Zr含量不同處理工藝得到的ZM2鎂合金凝固組織，其中，圖4 (a)為Zr細(xì)化處理得到的1#鑄件，圖4 (b)為電流和Zr復(fù)合細(xì)化處理得到的2#鑄件。上述圖中，I-保護(hù)氣混合裝置，2-電阻爐溫控器，3-熱電偶，4-吹氣管，5-熔煉坩堝，6-電極夾具，7-電極，8-鑄型，9-電源。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明首次將物理細(xì)化與化學(xué)細(xì)化進(jìn)行融合，通過電流與Zr聯(lián)合使用細(xì)化鎂合金凝固組織，即在鎂合金熔煉過程中添加Zr，在鎂合金凝固過程中通入電流直至鎂合金完全凝固。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于下述的實(shí)施例。本發(fā)明所述電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法采用如圖I所示的電流處理裝置實(shí)現(xiàn)。該電流處理裝置包括保護(hù)氣混合裝置I、電阻爐溫控器2、熱電偶3、吹氣管4、熔煉坩堝5、電極夾具6、電極7、鑄型8和電源9。熔煉坩堝5用于熔煉鎂合金，其放置于電阻爐中；電阻爐溫控器2用以控制熔煉坩堝5中熔體的溫度，并且與安置在熔煉坩堝5中的熱電偶3相連；保護(hù)氣混合裝置I用以混合保護(hù)氣體，并且與通入熔煉坩堝5中的吹氣管4相連；鑄型8用以澆注鑄件；電極7安置于鑄型8中，并且與電源9連接以通入電流；電極夾具6用以?shī)A持電極7。本發(fā)明所述方法的具體步驟簡(jiǎn)述如下(I)在模具的鑄型8中安置電極7，并將電極7與電源9相接，預(yù)先調(diào)節(jié)好電流工藝參數(shù)；(2)依次通過常規(guī)的熔化、精煉、扒渣和去皮工序，對(duì)熔煉坩堝5中的鎂合金內(nèi)進(jìn)行熔煉；(3)待鎂合金母液溫度穩(wěn)定至設(shè)定溫度，添加一定量的Zr并進(jìn)行攪拌、靜置；(4)待母液溫度降至740 760°C時(shí)，向模具的鑄型8中澆注鎂合金母液，同時(shí)打開電源開關(guān)，從澆注開始直至鑄件完全凝固期間持續(xù)通入電流，即可得到晶粒細(xì)小、第二項(xiàng)彌散、組織均勻的細(xì)化的鎂合金凝固組織。 下面通過一些常見鑄造鎂合金的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)施例中與本發(fā)明所述方法同時(shí)實(shí)施的還有用常規(guī)Zr細(xì)化工藝澆注的鑄件。實(shí)施例一WE43 續(xù)合金(Mg-4wt. % Y~2wt. % Nd-lwt. % Gd_0. 5wt. % Zr，其中，wt. %是指組分占所制備的鎂合金總質(zhì)量的百分比)配料熔化精煉過程如下所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時(shí)以上；開啟電阻爐，預(yù)熱不銹鋼熔煉坩堝5至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時(shí)開始通過保護(hù)氣混合裝置I和吹氣管4通入體積比為100 I的C02+5F6保護(hù)氣體直至熔鑄工作全部完成；將熔煉坩堝5升溫至690°C直至純鎂全部熔化，將溫度調(diào)整至720 740°C，溫度穩(wěn)定后加入Mg-25wt. % Y中間合金；待其完全熔化，熔體溫度穩(wěn)定在720 740°C時(shí)，加入混合稀土中間合金(Mg-25wt. % Nd和Mg_25wt. % Gd)，完全融化后通過精煉勺攪拌2分鐘；將溫度調(diào)整至800°C加入質(zhì)量為合金總量I. 5%的混合Zr鹽(質(zhì)量比為K2ZrF6 ZrCl4 KCl = 2 2 I)，待完全熔化后撈底攪拌7 10分鐘，然后靜置5 lOmin，待溫度降至750 760°C范圍內(nèi)進(jìn)行精煉，用精煉勺沉入距合金液面三分之二處精煉攪拌8 lOmin，撈底清渣；將溫度調(diào)整至795°C靜置10 15min，降溫至760°C清除液面熔渣后進(jìn)行澆注。常規(guī)方法澆鑄得到鑄件1#。另在鑄型8中安置石墨電極7，打開電源9，采用直流電流，調(diào)節(jié)電流為60A，將母液澆注至鑄型8中，從澆注開始保持電流的持續(xù)工作直至整個(gè)凝固過程結(jié)束，關(guān)閉電源開關(guān)，得到鑄件2#。選取兩鑄件相同部位進(jìn)行組織分析，如圖2所示，圖2 (a)為采用Zr細(xì)化的WE43鎂合金凝固組織，圖2 (b)是電流與Zr復(fù)合細(xì)化的WE43鎂合金凝固組織。ICP-MS成分檢測(cè)結(jié)果表明，Zr的質(zhì)量百分比含量1#為0. 48wt. %,2#為 0. 49wt. %。結(jié)果表明，與單一使用Zr細(xì)化得到的WE43鎂合金凝固組織相比，采用本發(fā)明方法得到的WE43鎂合金組織中初生a-Mg相與共晶組織均得到明顯細(xì)化，其中初生a-Mg相晶粒更加圓整、尺寸減少為前者的2/3，共晶組織呈彌散分布。實(shí)施例二ZM6 鎂合金(Mg_2. 6wt. % Nd-O. 6wt. % Zn-O. 8wt. % Zr)配料熔化精煉過程如下所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時(shí)以上；開啟電阻爐，預(yù)熱不銹鋼熔煉坩堝5至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時(shí)開始通入體積比為100 I的0)2+5 6保護(hù)氣體直至熔鑄工作全部完成；將熔煉坩堝5升溫至690°C直至純鎂全部熔化，將溫度調(diào)整至720 740°C，溫度穩(wěn)定后加入Zn ;待Zn完全熔化，熔體溫度穩(wěn)定在720 740°C時(shí)，力口A Mg-30wt. % Nd中間合金，完全融化后通過精煉勺攪拌2分鐘；將溫度調(diào)整至790°C加入質(zhì)量為合金總量3. 5%的含Zr化合物(質(zhì)量比為K2ZrF6 NaCl KCl = 2 I 1)，待完全熔化后撈底攪拌7 10分鐘；靜置5 lOmin，待溫度降至750 760°C范圍內(nèi)進(jìn)行精煉，用精煉勺沉入距合金液面三分之二處精煉攪拌8 lOmin，撈底清渣；將溫度調(diào)整至790°C靜置10 15min，降溫至750°C清除液面熔渣后進(jìn)行澆注。常規(guī)澆鑄得到鑄錠1#。另在鑄型8中安置鋼電極7，打開電源9，采用交流電流，調(diào)節(jié)電流為100A，頻率為200Hz，將母液澆注至鑄型8中，從澆注開始保持電流的持續(xù)工作直至整個(gè)凝固過程結(jié)束，關(guān)閉電源開關(guān)，得到鑄錠2#。選取兩鑄錠相同部位進(jìn)行組織分析，如圖3所示，圖3 (a)為采用Zr細(xì)化的ZM6鎂合金凝固組織，圖3 (b)是電流與Zr復(fù)合細(xì)化的 ZM6鎂合金凝固組織。ICP-MS成分檢測(cè)結(jié)果表明，Zr的質(zhì)量百分比含量:1#為0. 41wt. %,2# 為 0. 43wt. %0與單一使用Zr細(xì)化得到的ZM6鎂合金凝固組織相比，采用本發(fā)明方法得到的ZM6鎂合金組織中初生a -Mg相與共晶組織均得到明顯的細(xì)化，其中初生a -Mg相晶粒更加圓整、尺寸減少為前者的1/2，共晶組織呈彌散分布、多為短棒狀、且含量有所降低。實(shí)施例三ZM2 鎂合金(Mg_4. 2wt. % Zn-NdI. 5wt. % -0. 6wt. % Zr)配料熔化精煉過程如下所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時(shí)以上；開啟電阻爐，預(yù)熱不銹鋼熔煉坩堝5至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時(shí)開始通入體積比為100 I的C02+SF6保護(hù)氣體直至熔鑄工作全部完成；將熔煉坩堝5升溫至690°C直至純鎂全部熔化，將溫度調(diào)整至720 740°C，溫度穩(wěn)定后加入Zn ;待Zn完全熔化，熔體溫度穩(wěn)定在720 740°C時(shí)，加入富鈰混合稀土，完全融化后通過精煉勺攪拌2分鐘；將溫度調(diào)整至780°C加入質(zhì)量為合金總量
0.8%的Mg-30wt. % Zr中間合金，待完全熔化后撈底攪拌7 10分鐘；靜置5 IOminJt溫度降至750 760°C范圍內(nèi)進(jìn)行精煉，用精煉勺沉入距合金液面三分之二處精煉攪拌8 lOmin，撈底清渣；將溫度調(diào)整至780°C靜置10 15min，降溫至740°C清除液面熔渣后進(jìn)行澆注。常規(guī)澆鑄得到鑄件1#。另在鑄型8中安置鋅電極7，打開電源9，采用脈沖電流，電流為1000A，頻率為1000Hz，將母液澆注至鑄型8中，從澆注開始保持電流的持續(xù)工作直至整個(gè)凝固反應(yīng)過程結(jié)束，關(guān)閉電源開關(guān)，得到鑄件2#。選取兩鑄件相同部位進(jìn)行組織分析，如圖4所示，圖4(a)為采用Zr細(xì)化的ZM2鎂合金凝固組織，圖4(b)是電流與Zr復(fù)合細(xì)化的ZM2鎂合金凝固組織。ICP-MS成分檢測(cè)結(jié)果表明，Zr的質(zhì)量百分比含量:1#為0. 65wt. %,2# 為 0. 66wt. %。與單一使用Zr細(xì)化得到的ZM2鎂合金凝固組織相比，采用本發(fā)明方法得到的ZM2鎂合金組織中初生a-Mg相與共晶組織均得到明顯細(xì)化，初生a-Mg相晶粒更加圓整、尺寸減少為前者的1/3，共晶組織呈彌散分布、多為密集短棒狀、且含量有所降低。綜合上述的三個(gè)實(shí)施例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明相比使用Zr單獨(dú)細(xì)化處理得到的鎂合金凝固組織，通過本發(fā)明所述方法得到的凝固組織更加細(xì)小，球化程度更高，第二相實(shí)現(xiàn)了彌散的分布狀態(tài)，冷隔、縮松與偏析等鑄造固有缺陷均有不同程度的改善。權(quán)利要求
1.一種電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于在鎂合金熔煉過程中添加Zr細(xì)化劑，在鎂合金凝固過程中通入電流直至鎂合金完全凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述方法包括以下具體步驟 (1)在模具的鑄型中安置電極，并將電極與電源相接，預(yù)先調(diào)節(jié)好電流參數(shù)； (2)依次通過常規(guī)的熔化、精煉、扒渣和去皮工序?qū)︽V合金進(jìn)行熔煉； (3)待鎂合金母液溫度調(diào)整至設(shè)定溫度，添加Zr細(xì)化劑并進(jìn)行攪拌、靜置； (4)向模具的鑄型中澆注鎂合金母液，同時(shí)打開電源開關(guān)，從澆注開始直至鑄件完全凝固期間持續(xù)通入電流，得到細(xì)化的鎂合金凝固組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述電極的材料為鎂、鋁、鋅、銅、石墨或鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述步驟(3)中的設(shè)定溫度為780 800°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述Zr細(xì)化劑為海綿Zr、化合物加Zr、混合鹽加Zr和中間合金加Zr中的一種或幾種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述電流為直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述的直流電流為60A。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述的脈沖電流為峰值100A，頻率為200Hz。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，其特征在于所述的交流電為1000A，1000Hz。
全文摘要
一種電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，在鎂合金熔煉過程中添加Zr細(xì)化劑，在鎂合金凝固過程中通入電流直至鎂合金完全凝固；其具體步驟如下(1)在鑄型中安置電極，并將電極與電源相接，預(yù)先調(diào)節(jié)好電流參數(shù)；(2)通過常規(guī)的熔化、精煉、扒渣和去皮工序?qū)︽V合金進(jìn)行熔煉；(3)待鎂合金母液溫度調(diào)整至設(shè)定溫度，添加Zr細(xì)化劑并進(jìn)行攪拌、靜置；(4)向鑄型中澆注鎂合金母液，同時(shí)打開電源開關(guān)，從澆注開始直至鑄件完全凝固期間持續(xù)通入電流，得到細(xì)化的鎂合金凝固組織。本發(fā)明采用物理細(xì)化與化學(xué)細(xì)化相結(jié)合的復(fù)合方法，能夠獲得晶粒更細(xì)小、組織更均勻和缺陷明顯降低的鎂合金組織，提高了鎂合金力學(xué)性能，所述方法適用于鎂合金的凝固細(xì)化。
文檔編號(hào)C22C1/02GK102672146SQ20121013936
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者丁文江, 劉文才, 吳國(guó)華, 龐松, 魏廣玲 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)