專利名稱：一種純化鎂合金的新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金的熔鑄工藝，具體涉及在熔煉過程中去除Fe、Si、Ni、Cu等雜質(zhì)元素的純化工藝。
背景技術(shù)：
近年來，隨著能源供求的緊張，不可再生能源的大量消耗，能源危機(jī)逐漸凸顯；而且當(dāng)今世界上環(huán)境污染日益嚴(yán)重，減少廢氣排放十分迫切。為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，各國對 新材料的需求更加急切，尤其是輕合金材料，如鎂及鎂合金材料。鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的工程金屬材料，具有密度小、比強(qiáng)度比剛度高、阻尼減振降噪能力強(qiáng)、液態(tài)成型性能優(yōu)越、切削加工性能良好、能屏蔽電磁輻射和易于回收利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車、軌道車輛、3C產(chǎn)品、手動工具、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，鎂合金存在加工成形困難、抗腐蝕性能差、絕對強(qiáng)度低等問題，很大程度上限制了鎂合金產(chǎn)品的實(shí)際工程應(yīng)用。近年來，為解決上述問題，人們在合金化、熱處理、晶粒細(xì)化等方面做了許多研究工作，并取得了重要進(jìn)展。除此之外，鎂合金的純度也是影響鎂合金性能的最重要因素之一，尤其鎂合金中Fe、Si、Ni、Cu等有害雜質(zhì)元素的含量。雜質(zhì)主要通過原材料劑熔煉工具帶入鎂熔體中。研究表明，有害雜質(zhì)元素的存大大降低鎂合金鑄錠的品質(zhì)，會嚴(yán)重影響鎂合金材料的組織狀態(tài)、耐腐蝕性能、機(jī)械性能和加工成形性能，而且在鎂合金的這些金屬雜質(zhì)中，F(xiàn)e是危害最大的元素。例如,文獻(xiàn)(Kainer K U. Magnesiumalloys and technology, ffeinheim: WILEY- VCH Verlag GmbH, 2003.)比較了高純續(xù)合金與普通AZ91合金的鹽霧腐蝕速率，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)含量更高的普通AZ91合金的鹽霧腐蝕速率為高純AZ91合金的19倍。因此，純凈的鎂熔體是獲得綜合性能良好的優(yōu)質(zhì)鎂合金材料的基本前提。研究和開發(fā)鎂合金熔體純化技術(shù)，有效地減少鎂合金鑄坯中Fe、Si、Ni、Cu等雜質(zhì)元素的含量刻不容緩?，F(xiàn)今，鎂合金熔煉中通常采用B、Ti、Zr、Be、Mn等元素的單質(zhì)或化合物作為熔劑以達(dá)到除雜的目的。但是這些熔劑在除雜的同時會帶入新的雜質(zhì)或夾雜，這會對熔體的純度和鎂合金材料的整體性能有不利影響。有鑒于此，十分有必要開發(fā)一種高效的、不使用熔劑的純化鎂合金的新工藝，這對提高鎂合金的品質(zhì)和擴(kuò)大鎂合金材料的工程應(yīng)用具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種在常規(guī)熔鑄工藝基礎(chǔ)之上不額外添加任何除雜熔劑的鎂合金熔體純化新工藝，本發(fā)明效果好，可以有效去除Fe、Si、Ni、Cu等雜質(zhì)元素，且不帶入新的雜質(zhì)或夾雜，顯著提高了鎂合金材料的純度與性能，所用工藝設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，成本較低，容易操作，工業(yè)上易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種純化鎂合金的新工藝，本工藝是在常規(guī)鎂合金熔鑄工藝基礎(chǔ)之上，不額外添加任何除雜熔劑，只通過采用優(yōu)化的熔體保溫靜置處理工藝，并結(jié)合合理的熔體冷卻方式，實(shí)現(xiàn)合金的有效純化，具體工藝步驟為
1)將精煉處理后且化學(xué)成分符合要求的合金熔體進(jìn)行保溫靜置處理，熔體的保溫溫度為730-780°C，保溫時間為30-100分鐘；
2)對熔煉爐斷電，使合金液降溫，并采取不同的冷卻方式凝固熔體，獲得所需的鎂合金鑄錠。進(jìn)一步，步驟2)熔煉爐斷電后，熔體需30-40min降溫至710_730°C，然后把熔體澆鑄到結(jié)晶器中水冷凝固獲得鎂合金鑄錠，澆鑄過程中熔體的降溫速率為45-60°C /min。步驟2)熔煉爐斷電后，對合金熔體直接采用風(fēng)冷冷卻而獲得鑄錠，熔體的降溫速率為 I. 2-2. 0°C /min。本發(fā)明通過采用優(yōu)化的熔體保溫靜置處理工藝參數(shù)，并輔以合理的凝固冷卻方式而達(dá)到去除雜質(zhì)的目的。在Mg-Zn-Zr系鎂合金中，Zr是作為合金元素加入的。從相關(guān)相圖可知，Zr能夠與Fe、Si、Ni等雜質(zhì)元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物(如FeZr2),這些化合物的密度明顯高于鎂液，這樣在保溫靜置和冷卻凝固過程中它們會逐漸下沉至坩堝底部。因而，在熔鑄過程中優(yōu)化熔體保溫靜置溫度、時間及熔體冷卻方式很重要，優(yōu)化的工藝條件可以使熔體中雜質(zhì)與Zr充分反應(yīng)并有效沉降，從而顯著提高合金的整體純度。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明純化效果明顯本發(fā)明通過優(yōu)化熔體保溫靜置處理工藝參數(shù)，能夠顯著降低鎂合金中Fe、Si、Ni等雜質(zhì)含量，另外此純化方法無需加入常規(guī)除雜熔劑，從而不會引入新的熔劑夾雜和雜質(zhì)，避免了二次污染，可在鎂合金中取得很好的整體純化效果。2.本發(fā)明操作簡單、成本較低本發(fā)明利用常規(guī)鎂合金熔鑄技術(shù)，只需在熔體精煉之后增加優(yōu)化的保溫靜置處理工藝，控制保溫溫度和時間，另外再選擇適當(dāng)?shù)娜垠w冷卻方式，即可達(dá)到降低雜質(zhì)含量的目的，所用設(shè)備均為常規(guī)鎂合金熔鑄所涉及的通用工藝設(shè)備，生產(chǎn)成本較低，在工業(yè)生產(chǎn)中易于實(shí)現(xiàn)。3.本發(fā)明適用面廣本發(fā)明可適用于多種牌號商用鎂合金體系，如ZK系、AZ系、ZM系、AM系等。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明的限制，在本發(fā)明的構(gòu)思前提下對本發(fā)明制備方法的簡單改進(jìn)，都屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。實(shí)施例I
采用常規(guī)重力鑄造方法熔鑄Mg-Zn-Zr鎂合金。I)原材料采用鎂錠、鋅錠及Mg-28%Zr中間合金，合金元素的設(shè)計(jì)成分為5. 8% Zn和 0. 65% Zr ；
2)在石墨坩堝中熔煉，升溫將純鎂熔化，溫度為740-750°C時，加入鋅錠及Mg-Zr中間合金，合金化完成后攪拌合金液使成分均勻；、3)合金液在750-760°C溫度下進(jìn)行精煉，精煉時間為5min左右，之后除渣；
4)爐前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后繼續(xù)下一步；
5)在730-740°C溫度條件下，對熔體進(jìn)行保溫靜置處理30min；
6)保溫靜置處理完畢后，斷開熔煉爐電源，用電風(fēng)扇對準(zhǔn)爐膛吹風(fēng)冷卻熔體，45-60min后，熔體完全凝固獲得鎂合金鑄錠，鑄錠為近圓柱體，直徑為120mm，高度為140mm。在距離鑄錠頂部IOmm處取樣，用光電光譜儀試樣的化學(xué)成分，如表I所示?？梢郧宄乜闯?，F(xiàn)e、Si、Cu、Ni等雜質(zhì)元素的含量含量非常低。Fe含量只有0.0005%，雜質(zhì)元素總含量僅為0. 0088%。這是由于Zr能與Fe、Si、Cu、Ni等元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物(如FeZr2),這些化合物的密度明顯高于鎂，這樣在靜置和冷卻凝固過程中它們會逐漸下沉至熔煉坩堝底部，從而使合金得以顯著純化。實(shí)施例2
采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備Mg-Zn-Zr鎂合金。 I)原材料為鎂錠、鋅錠和Mg-28%Zr中間合金，合金元素的設(shè)計(jì)成分為5. 5% Zn和0. 6% Zr ；
2)在鋼制坩堝中熔煉，升溫將純鎂熔化，溫度為760-770°C時，加入鋅錠及Mg-Zr中間合金，合金化完成后攪拌合金液使成分均勻；
3)合金液在750-760°C溫度下進(jìn)行精煉，精煉時間為3-5min左右，之后除渣；
4)爐前分析合金液成分，主要合金元素成分合格后繼續(xù)下一步；
5)在750-760°C溫度條件下，對熔體進(jìn)行保溫靜置處理30min；
6)保溫靜置處理完畢后，斷開熔煉爐電源，熔體降溫至720-730°C，在結(jié)晶器中澆注，采用水冷方式凝固獲得鎂合金鑄棒，鑄棒直徑90mm，長度I. 5m。采用光電光譜儀測量合金的化學(xué)成分，結(jié)果如表I所示?？梢钥吹街苽涞暮辖鸺兌雀?，F(xiàn)e、Si、Ni、Cu等雜質(zhì)含量少，雜質(zhì)元素總含量低小于0. 00631%，純化的內(nèi)在機(jī)理與實(shí)施I相同。實(shí)施例3
采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備Mg-Zn-Zr鎂合金。與實(shí)施例2不同之處只在于制備工藝步驟5)中的熔體靜置時間，此合金熔體的保 溫靜置時間為45min。獲得的鎂合金鑄錠化學(xué)成分分析結(jié)果如表I所示?？梢姶撕辖鸬募兌雀?，常見雜質(zhì)元素量很少，F(xiàn)e雜質(zhì)含量為0. 0013%,合金的雜質(zhì)元素總含量小于0. 00425%,比實(shí)施例2更低，適當(dāng)延長保溫靜置時間更有利于雜質(zhì)元素沉降，從而純化效果更明顯。實(shí)施例4
采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備Mg-Zn-Zr鎂合金。與實(shí)施例2不同之處只在于制備工藝步驟5)中的熔體靜置時間，此合金熔體的保溫靜置時間為60min。化學(xué)成分分析結(jié)果如表I所示?？梢钥吹酱撕辖鸬募兌雀?，合金的雜質(zhì)元素總含量小于0. 0049%。實(shí)施例5
采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備Mg-Zn-Zr鎂合金。
與實(shí)施例2不同之處只在于制備工藝步驟5)中的熔體靜置時間，此合金熔體的保溫靜置時間為75min。化學(xué)成分分析結(jié)果如表I所示?？梢钥吹酱撕辖鸬募兌雀?，合金的雜質(zhì)元素總含量小于0. 00632%。比較例I
重慶大學(xué)王敬豐等人公開了“一種提高強(qiáng)度變形鎂合金阻尼性能的塑性加工工藝”(專利號為CN200810070092. 5)，所涉及的鎂合金為采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備的Mg-Zn-Zr合金，該合金的雜質(zhì)含量為0. 020%。比較例2
上海交通大學(xué)杜林等人公開了一種“Mg-Zn-Zr變形鎂合金制備方法”(專利號為 CN200710046148. 9)，制備的Mg-Zn-Zr鎂合金純度較低，總雜質(zhì)含量高達(dá)0. 022%。表I不同保溫靜置工藝制備的ZK60鎂合金雜質(zhì)成分(wt%)
1 丨靜置溫度丨靜置時間丨冷卻方式|Si[Fe[Cu[Ni丨總雜質(zhì)含量
蛋施例 IHb-74CTC 30minM冷5~5o70. 00050. 0008— 0. 0005— 0. 0088一
女施例 2~0-760°C 30min泳冷5~5。320. 00200. 00061— <0.0005— 0. 00631一
女施例 3~0-760°C 45min泳冷5~5q200. 00130. 00045— <0.0005— 0. 00425一
女施例 4~0-760°C 60min泳冷5~5。230. 00160.00050— <0. 0005— 0. 0049一
女施例 5~0-760°C 75min泳冷pQ320. 00200.00062— <0. 0005— 0. 00632一
T匕較例 I~0. 0050.015— 0.002— 0. 022一
TE較例 2--------------------- |o. 020
從表I可以看出，本發(fā)明所述的實(shí)施例1-5制備的Mg-Zn-Zr鎂合金純度高，其雜質(zhì)含量僅為0. 00425-0. 0088%,明顯低于比較例I和2獲得的鎂合金雜質(zhì)含量，這說明本發(fā)明提出的熔體處理方法有效地去除了合金中存在的Fe、Si、Ni、Cu等雜質(zhì)，而采用常規(guī)鎂合金熔鑄工藝并不能取得等同的效果。通過上述實(shí)施例可知，普通商用鎂合金通過本發(fā)明所述的純化處理工藝，可顯著地提高合金熔體的純度，成功獲得了高品質(zhì)的鎂合金鑄錠。經(jīng)本發(fā)明所述的熔體純化處理工藝處理后的高純度鎂合金應(yīng)用范圍廣泛，可滿足軌道車輛、汽車、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)輕量化材料的實(shí)際需求。而且，本發(fā)明操作簡單，所用工藝設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，成本較低，易于操作。由于篇幅的原因，本發(fā)明僅以典型的高強(qiáng)度變形鎂合金Mg-Zn-Zr合金為實(shí)施對象，但并不排除本發(fā)明方法對其他類型的鎂合金具有等同的效果。例如對于AZ系、ZM系或AM系鎂合金，Mn是作為合金元素加入，根據(jù)相關(guān)相圖可知，Mn能夠與Fe、Si、Ni等雜質(zhì)元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物(如MnFe, (Fe，Mn) Al3),這些化合物密度也明顯高于鎂，通過優(yōu)化的保溫靜置處理工藝，它們同樣會沉降至熔體坩堝底部，從而使合金得以純化。因而，本發(fā)明所述工藝的適用面廣，能適用與ZK系、AZ系、ZM系或AM系等多種牌號的商用鎂合金體系o
權(quán)利要求
1.ー種純化鎂合金的新エ藝，其特征在干在常規(guī)鎂合金熔鑄エ藝基礎(chǔ)之上，不額外添加任何除雜熔劑，只通過采用優(yōu)化的熔體保溫靜置處理工藝，實(shí)現(xiàn)合金的有效純化，具體エ藝步驟為 1)將精煉處理后的合金熔體進(jìn)行保溫靜置處理，熔體的保溫溫度為730-780°C，保溫時間為30-100分鐘； 2)對熔煉爐斷電，使合金液降溫，并采取不同的冷卻方式凝固熔體，獲得所需的鎂合金鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的純化鎂合金的新エ藝，其特征在于步驟2)熔煉爐斷電后，熔體需30-40min降溫至710_730°C，然后把熔體澆鑄到結(jié)晶器中水冷凝固獲得鎂合金鑄錠，澆鑄過程中熔體降溫速率為45-60°C /min。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的純化鎂合金的新エ藝，其特征在于步驟2)熔煉爐斷電后，對合金熔體直接采用風(fēng)冷冷卻而獲得鑄錠，熔體的降溫速率為I. 2-2. 0°C /min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種純化鎂合金材料的新工藝，本工藝是在常規(guī)鎂合金熔鑄工藝基礎(chǔ)之上，不額外添加任何除雜熔劑，只通過采用優(yōu)化的熔體保溫靜置處理工藝，達(dá)到有效純化合金的目的。純化的具體步驟為1)將精煉處理后且化學(xué)成分符合要求的鎂合金熔體進(jìn)行保溫靜置處理，熔體的保溫靜置溫度為730-780℃，保溫靜置時間為30-100分鐘；2)對熔煉爐斷電，使熔體降溫至710-730℃澆鑄到模具并用水冷卻或者直接風(fēng)冷凝固獲得鎂合金鑄錠。本發(fā)明純化效果明顯，可顯著地降低鎂合金中Fe、Si、Ni、Cu等常見雜質(zhì)元素的含量，且不帶入新的雜質(zhì)或夾雜，明顯提高了鎂合金材料的品質(zhì)和整體性能，所用工藝設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，成本較低，容易操作，工業(yè)上易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號B22D27/04GK102672148SQ201210168499
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者毛建軍, 潘復(fù)生, 陳先華 申請人:重慶大學(xué)