一種對鎂合金晶粒進(jìn)行鋯細(xì)化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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，涉及的是一種鎂合金晶粒鋯細(xì)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性好、導(dǎo)熱性好、機(jī)加工性能優(yōu)良等優(yōu)點，在汽車、國防軍工、航空、航天、電子等工業(yè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，而我國是鎂資源和鎂合金生產(chǎn)大國，占全球產(chǎn)量的40%，被譽為“鎂的資源大國、生產(chǎn)大國、出口大國”。但鎂合金是密排六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)，室溫下只有3個獨立的滑移系，鎂合金的塑性變形能力較差，其晶粒大小對力學(xué)性能的影響十分顯著。鎂合金結(jié)晶溫度范圍較寬，熱導(dǎo)率較低，體收縮較大，晶粒粗化傾向嚴(yán)重，凝固過程中易產(chǎn)生縮松、熱裂等缺陷。因此，為了改善鎂合金的力學(xué)性能，減少縮松、減小第二相的大小和改善鑄造缺陷，可通過細(xì)化晶粒來調(diào)整材料的組織和性能，改善鎂合金的強(qiáng)韌性和塑性變形能力。
[0003]按照鎂合金的相狀態(tài)，細(xì)化領(lǐng)域可分為液態(tài)細(xì)化、半固態(tài)細(xì)化、固態(tài)細(xì)化和非平衡細(xì)化。(I)液態(tài)細(xì)化主要是指，鑄造時加入細(xì)化元素、晶粒細(xì)化劑；或借助外部能量使枝晶破碎或促進(jìn)形核，如超聲、脈沖電流；澆鑄采用快速冷卻等；(2)半固態(tài)成形細(xì)化，是利用半固態(tài)區(qū)間的細(xì)小球形晶粒組織；(3)固態(tài)細(xì)化，即鑄錠進(jìn)行大塑性變形(SPD)處理，如等通道擠壓(ECAE)和軋制等；(4)非平衡細(xì)化:是指偏離平衡狀態(tài)的情況，如快速凝固、甩帶、粉末冶金等。其中，液態(tài)細(xì)化是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。
[0004]鎂合金鑄造過程中添加有效的晶粒細(xì)化劑是非常基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，除含Al、Mn、S1、Fe等元素的鎂合金外(鋯會與它們反應(yīng)而失效)，鎂合金中一般都添加鋯以細(xì)化晶粒，可以減小熱裂傾向、提高組織均勻性，提高合金的強(qiáng)度、塑性和抗蠕變性、耐蝕性，可以說，鋯(Zr)是鎂合金最有效的細(xì)化劑之一。常用的鋯加入方法包括:(I)使用不同形式的金屬Zr ; (2)使用海綿Zr ； (3)使用Zn-Zr中間合金，適合于含Zn的鎂合金；(4)使用Zr02 ； (5)使用某種Zr的鹵鹽，或是鹵鹽與其他鹽的混合物；(6)使用Mg-Zr中間合金。目前主要是以二元Mg-Zr中間合金的形式加入，Mg-Zr中間合金的生產(chǎn)方法主要有鋯粉與鎂對摻法(摻熔法)、液態(tài)鎂陰極電解法、鎂還原ZrC14法和鎂還原K2ZrF6法。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利號為ZL200410020594.9的專利公開了一種鎂鋯中間合金的生產(chǎn)方法，生產(chǎn)工藝簡單，操作容易。不過，該鎂鋯中間合金的生產(chǎn)方法需要將還原爐抽真空并加入惰性氣體，質(zhì)量難以控制，合金雜質(zhì)偏高；同時，該鑄態(tài)鎂鋯中間合金晶粒粗大，鋯分布不均勻，當(dāng)鋯加入鎂合金中呈固態(tài)，難于溶解，且鋯在鎂合金中分布不均勻，細(xì)化效果較差；加之和鎂液比重差大，易于沉淀或形成比重偏析。上述問題的存在導(dǎo)致在實際生產(chǎn)中大量稀有金屬Zr的浪費，提高了合金鑄造成本，成為獲得穩(wěn)定晶粒細(xì)化效果的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種鎂合金晶粒鋯細(xì)化方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一種對鎂合金晶粒進(jìn)行鋯細(xì)化的方法，其包括如下步驟:
[0008]a、將鋯氟酸鉀或四氯化鋯和鎂錠分別進(jìn)行烘干后，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護(hù)下，于900?1300°C進(jìn)行還原反應(yīng)35?45min后，在10?15kg/min的澆鑄速度、1040?1070°C的澆鑄溫度、200?400Hz的電磁振動頻率下澆鑄4?5min，得到鎂鋯中間合金錠；
[0009]b、將所述鎂鋯中間合金錠進(jìn)行預(yù)變形處理，得到鎂鋯中間合金細(xì)化劑；
[0010]C、將鎂合金原料進(jìn)行熔煉后，在750?780°C下加入所述鎂鋯中間合金細(xì)化劑，撇去表面浮渣后，進(jìn)行攪拌、扒渣、去皮處理即可。
[0011]作為優(yōu)選方案，所述鎂錠:四氯化鋯:NaCl:KC1的重量比為1:(1?2): (0.5?1.5):(0.5?1.5)。優(yōu)選地，所述鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的重量比為1: (I?1.8):(0.5 ?1.5): (0.5 ?1.5)。
[0012]作為優(yōu)選方案，步驟b中所述預(yù)變形處理方法為擠壓或軋制。
[0013]作為優(yōu)選方案，所述擠壓的方法為將所述鎂鋯中間合金在300?400 °C下預(yù)熱2?3h后，于300?500°C下，以8?30的擠壓比進(jìn)行擠壓。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述軋制的方法為將所述鎂鋯中間合金在450?550°C的溫度下預(yù)熱2?3h后，于300?500°C下，以4?15道次進(jìn)行軋制。
[0015]作為優(yōu)選方案，步驟c中所述的攪拌時間為3?6min。
[0016]對于鎂鋯中間合金，影響鎂合金細(xì)化效果的主要因素為鎂鋯中間合金內(nèi)的Zr粒子尺寸分布狀態(tài)。5 μπι以內(nèi)的Zr粒子數(shù)量密度越高，則細(xì)化效果越強(qiáng)。大塑性變形因其強(qiáng)力的破碎及變形作用，可細(xì)化材料組織。若采用大塑性變形工藝(如擠壓和軋制等)對鎂鋯中間合金進(jìn)行預(yù)變形處理，細(xì)化鎂鋯中間合金晶粒，特別使鎂鋯中間合金中的Zr團(tuán)完全被碎化為細(xì)小的Zr粒子，大幅度增加5 μ m以下Zr粒子所占的比例。然后使用各種大塑性變形工藝制備的鎂鋯中間合金細(xì)化鎂合金，產(chǎn)生更多可形核Zr粒子，從而提高了細(xì)化效果O
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018]本發(fā)明采用的細(xì)化劑是預(yù)變形處理的鎂鋯中間合金，鋯顆粒細(xì)小且分布均勻，當(dāng)該鎂鋯中間合金加入到鎂合金熔體后，細(xì)小的鋯顆粒在鎂合金熔體中分布均勻，且不宜沉淀，鋯元素收得率高，抗衰退性更強(qiáng)，減少鋯的損耗，細(xì)化效果好，鎂合金組織分布均勻，提高了鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量，適合實驗和工業(yè)應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0020]圖1為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片；
[0021]圖2為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片；
[0022]圖3為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-6Zn-0.5Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片；
[0023]圖4為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片；
[0024]圖5為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片；
[0025]圖6為經(jīng)本發(fā)明制備Mg-6Zn-0.5Zr鎂合金的鑄態(tài)的金相組織照片。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]實施例1
[0028]步驟一，鎂鋯中間合金的制備:(a)對鋯氟酸鉀和鎂錠在150°C下預(yù)熱40分鐘去游離水；(b)將經(jīng)烘干預(yù)處理后的鋯氟酸鉀和鎂錠放入溫控保溫翻轉(zhuǎn)爐內(nèi)的不銹鋼坩禍中進(jìn)行還原反應(yīng)，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護(hù)下，一步還原成形生產(chǎn)出鎂鋯中間合金錠，鋯含量15wt.% ;鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的用量比為1:1:0.5:0.5 ;還原溫度為900°C，還原時間為35分鐘；還原反應(yīng)結(jié)束后控制反應(yīng)物成形，電磁振動澆鑄模系統(tǒng)澆鑄速度為10kg/min，澆鑄溫度為1040°C，電磁振動頻率為200Hz，時間4min ； (c)使用擠壓設(shè)備對所述鎂鋯中間合金錠進(jìn)行預(yù)變形處理，擠壓工藝為:鎂鋯中間合金預(yù)熱溫度400°C，預(yù)熱時間2小時，擠壓模具溫度500°C，擠壓溫度300°C，擠壓比30 ；
[0029]步驟二，Mg-10Gd-3Y-0.5Zr (GW103K)鎂合金的熔煉和制備:所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時以上。開啟電阻爐，預(yù)熱不銹鋼坩禍至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時開始通入體積比為100:1的0)2+5?6保護(hù)氣體直至熔鑄工作全部完成。將坩禍電阻爐升溫至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-30% Gd中間合金，熔化后熔體溫度回升至720?740°C時再加入Mg-25% Y中間合金，將爐溫升至750°C后加入擠壓處理的Mg-15wt% Zr中間合金，待其熔化后撇去表面浮渣，攪拌3min，再將爐溫升至780°C保溫1min后降溫至750_760°C不斷電精煉6_10min，撈底清渣。將溫度調(diào)整至780°C _800°C靜置10-15min，降溫至740°C清除液面熔渣后進(jìn)行鑄造，即獲得晶粒細(xì)小且分布均勻的Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(GW103K)鎂合金，微觀組織見圖1所不O
[0030]實施例2
[0031]步驟一，鎂鋯中間合金的制備:(a)對鋯氟酸鉀和鎂錠在150°C下預(yù)熱40分鐘去游離水；(b)將經(jīng)烘干預(yù)處理后的鋯氟酸鉀和鎂錠放入溫控保溫翻轉(zhuǎn)爐內(nèi)的不銹鋼坩禍中進(jìn)行還原反應(yīng)，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護(hù)下，一步還原成形生產(chǎn)出鎂鋯中間合金錠，鋯含量40wt.% ;鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的用量比為1:1.8:1.5:1.5 ;還原溫度為1300°C，還原時間為45分鐘；還原反應(yīng)結(jié)束后控制反應(yīng)物成形，電磁振動澆鑄模系統(tǒng)澆鑄速度為15kg/min，澆鑄溫度為1070°C，電磁振動頻率為400Hz，時間5min ； (c)使用軋制設(shè)備對所述鎂鋯中間合金錠進(jìn)行預(yù)變形處理，乳制工藝為:鎂鋯中間合金預(yù)熱溫度550°C，預(yù)熱時間2小時，軋制溫度500°C，軋制道次4。
[0032]步驟二，Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr (ZM6)鎂合金的熔煉和制備:所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時以上。開啟電阻爐，預(yù)熱不銹鋼坩禍至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時開始通入體積比為100:1的C02+SF6保護(hù)氣體直至熔鑄工作全部完成。將坩禍電阻爐升溫至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，加入Mg_30 % Nd中間合金，完全融化后通過精煉勺攪拌2分鐘。將爐溫升至750°C后加入軋制處理的Mg-40wt%Zr中間合金，待其熔化后撇去表面浮渣，攪拌3min，再將爐溫升至780 V保溫1min后降溫至750?760 °C不斷電精煉6?lOmin，撈底清渣。將溫度調(diào)整至780?800 °C靜置10?1