一種提高鎂合金熔體流動性的方法及專用攪拌裝置的制作方法

專利名稱：一種提高鎂合金熔體流動性的方法及專用攪拌裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于鎂合金生產技術領域，涉及鎂合金熔體的黏度變化規律及加工處理方 法，尤其是涉及一種提高鎂合金熔體流動性的方法及專用攪拌裝置。
背景技術：
鎂合金因具有優異的減震性能、良好的鑄造性能、高的比強度和比剛度而被廣泛 應用于汽車、通訊、電子等領域。當前，隨著輕量化技術的迅速發展，對鎂合金的綜
合性能提出了更高的要求，如何進一步改善合金組織、提高成形性能是廣大研究工作 者所共同關注的問題。
AZ91D鎂合金是一類應用最為廣泛的鑄造鎂合金，僅在壓力鑄造鎂合金中的用量 就占近90%，表現出強勁的發展勢頭。但是，由于鎂合金固-液相變體積變化較大、 熱強度低、凝固潛熱和熱容量小，導致鎂合金熔體充型薄壁零件(尤其"3C"產品殼 體)的能力較弱，有形成縮孔、縮松及熱裂的傾向，影響了產品的質量，所以進一步 提高鎂合金熔體的流動性顯得十分緊迫，這也是當前鎂合金產業發展的內在需求。
液態金屬(或合金)本身的流動能力即流動性，由其成分、溫度和雜質含量等決 定，如圖1所示，在外界條件確定的情況下，加入提高鎂合金熔體流動性的合金元素 是提高其充型性能的有效途徑。通過提高AZ91D鎂合金中Al的含量可以改善其流動 性，但是當A1的含量超過10X會大大降低鎂合金的塑性；在AZ91D鎂合金中添加少 量的鈣元素可顯著降低其氧化傾向，細化晶粒及晶界組織，改善流動性和降低熱處理 敏感性，但當添加的鈣元素超過一定量時會大大增加合金產生脆性和熱裂的傾向；而 通過合金元素復合添加的方法也可以提高AZ91D鎂合金熔體的流動性，但所添加元 素的配比不容易合理控制，甚至會帶來其他影響，如Ti元素對耐蝕性不利、Be元素 有毒性等。因此，單一地通過合理控制合金元素的添加量往往達不到理想效果，需要 輔以其它熔體加工處理方式。
機械攪拌法是制備半固態漿料的常用方法，也是合金熔體加工處理的有效方式之 一。在液相線以上不高溫度區間內，對過熱的合金熔體施加攪拌作用，通過改變其熔 體初始結構狀態，加速了熔體中原子或原子集團的擴散與重新組合，使熔體中溫度場 和濃度場的分布更加均勻，進而改善了熔體的流動狀態，同時攪拌剪切還對凝固組織 起到細化和均勻化作用。因此，本發明以鈣作為合金化元素，以機械攪拌為外力作用， 通過"變質+攪拌"的復合工藝方法對鎂合金熔體進行加工處理，提高了其流動性，同時揭示出合金熔體等溫黏度隨鈣添加量的變化規律。

發明內容
本發明的目的是在揭示含鈣鎂合金熔體的等溫黏度變化規律的基礎上，提供一種 提高鎂合金熔體流動性的方法及專用攪拌裝置。
本發明提供的提高鎂合金熔體流動性的方法，包括如下步驟
1) 鈣元素變質處理將鎂合金和Mg-Ca中間合金進行加熱熔煉，得到含鈣元素 的過熱鎂合金熔體；
2) 過熱熔體的攪拌處理將含鈣元素的過熱鎂合金熔體進行攪拌處理，得到鎂 合金熔體。
該方法的步驟1)中，鎂合金中各元素及其質量百分含量分別如下所示Ah 8.5 10.0%; Zm 0.60 0.90%; Mn: 0.15 0.35%; Sh 0.01 0.06%;余量為雜質及Mg; 其中，雜質為Fe、 Cu、 Ni、 Cl或Be中的任意一種或幾種的混合物，Fe元素的含量小 于0.008 %， Cu元素的含量小于0.025%， Ni元素的含量小于0.002%;雜質的總含量 小于0.05%。 Mg-Ca中間合金中，鈣元素的質量百分含量為12 45%，優選30%。
步驟2)中，攪拌處理方式可以為機械攪拌或電磁場攪拌；只要能使鎂合金熔體 均勻分布，各種常用的攪拌裝置，如旋轉式電磁攪拌裝置等均適用。本發明提供的專 用攪拌裝置僅是其中一種。利用該方法得到的鎂合金熔體中，鈣元素的質量百分含量 為0.1 1.8%。
實際操作中，本發明提供的方法具體可為在熔化電阻爐中，低碳鋼坩堝升溫至 350 400°C，放置鎂合金，通入保護氣體，設備采用PID多點控溫，保護氣氛為(202 與SF6混合氣體，其中SFe體積百分含量為0.5%;鈣元素以Mg-Ca中間合金的形式加 入；升溫至720 85(TC進行保溫，待中間合金溶解后，將添加鈣元素的鎂合金熔體轉 移至保溫爐中保溫20 40min，然后啟動攪拌裝置，在720 85(TC溫度區間內對合金 熔體進行攪拌，攪拌時間為50 180s，稍微靜置后進行澆注，澆注溫度為720 740°C， 或者直接澆入螺旋砂型(型砂為樹脂砂，試樣形狀及大小參照1979年版《鑄造工藝 基礎》的方法設計)中，獲得合金瑢體經復合工藝加工處理后的螺旋型試樣，或者澆 入到預熱溫度為250 35(TC的鋼制圓柱形模具中，獲得試樣進行黏度測試；通過控制 中間合金的添加量，獲得不含鈣及鈣添加量分別為0.1 0.2%、 0.3 0.4%、 0.5 0.6%、 0.7 0.8%、 0.9 1.0%的合金試樣；試樣經過機加工后，在不同溫度下進行黏度測量。
本發明還提供了一種用于上述方法攪拌步驟的機械攪拌裝置。該裝置包括外壁由 加熱元件組成的帶密封蓋的保溫爐；其中，保溫爐內腔中設有帶密封蓋的坩堝；攪拌 器穿過保溫爐的密封蓋和坩堝的密封蓋，置于坩堝腔內；攪拌器的游離端設有螺旋狀翼片；進氣管道和液體輸入管道均穿過保溫爐的密封蓋和坩堝的密封蓋，開口于坩堝 腔內；液體輸出管道開口于坩堝側壁底部，并穿過保溫爐壁與外部相通。
該攪拌裝置中，在攪拌器穿過坩堝的密封蓋的部位設有密封套筒，該密封套筒的 一端位于坩堝的密封蓋和保溫爐的密封蓋之間，另一端位于坩堝的密封蓋之內，且其 與密封蓋和攪拌器相接觸的部位可涂抹密封潤滑油或添加密封膠圈，以保證坩堝腔內 為密封環境，并保證攪拌器能夠無阻力運轉；攪拌器與電動機相連；穿出保溫爐壁后 的液體輸出管道上設有閥門；坩堝為鋼制坩堝。該攪拌裝置的尺寸，包括密封套筒的 直徑、螺旋狀翼片半徑等均可根據實際需要確定。
本發明具有以下優點-
1) "變質+攪拌"的復合工藝比單一熔體的加工處理方式具有優越性。對鎂合金 過熱熔體進行"變質+攪拌"復合工藝加工處理，所產生的效果不是一種簡單的累加 作用，而是一種疊加的復合作用，發揮了兩種熔體加工處理方法的優點，有效地提高 合金的組織性能和流動性，與單一熔體加工處理方法相比更具優越性。
2) 與其它合金化元素相比，鈣元素的成本比較低。鎂合金中所添加的l丐元素資 源豐富，與其它合金化元素相比，成本比較低，易于應用于生產實際。
3) 攪拌作用可以改善熔體流動狀態。在液相線以上不高溫度區間內對鎂合金過 熱熔體施加攪拌作用，促進熔體中溫度場和濃度場的均勻分布的同時，改善熔體的流 動狀態。
3) 機械攪拌裝置(如套筒螺旋式攪拌裝置)可有效避免組織缺陷的產生。采用 套筒螺旋式機械攪拌的方式，不會使鎂合金熔體液面受到強烈擾動，如產生漩渦等， 從而避免合金熔體容易巻入氣體、熔渣而造成組織產生缺陷。
4) 工藝簡單，適用范圍廣。該工藝簡單，能耗和成本均比較低，易于在生產中 實現，不僅適用于砂型、金屬型鑄造，而且還適用于低壓鑄造及半固態鑄造。


圖1為鎂合金熔體充型性能的影響因素框圖。 圖2為本發明提供的機械攪拌裝置的結構示意圖。 圖3為不同工藝條件下AZ91D鎂合金熔體的流動指數。 圖4為不同鈣添加量下AZ91D鎂合金的微觀組織。 圖5為AZ91D鎂合金熔體等溫黏度-鈣添加量關系曲線F(w)。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。 實施例1試驗用合金為AZ91D鎂合金，其化學成分如表l所示；鈣元素以中間合金Mg-30y。 Ca的形式加入到合金中。本試驗中鎂合金的用量為12Kg，鎂合金中的鎂元素與Mg-Ca 中間合金中鈣元素的摩爾比為(0.15 1.5) X103，優選摩爾比為(2.1 3.7) X102。
表l AZ91D鎂合金的化學成分(質量百分含量，％)
AlZnMnSiClBeFeCuNiMg
9.000.730.190.0580扁70細30.0070.00360扁9余量
本實施例所用攪拌裝置為本發明提供的套筒螺旋式機械攪拌裝置。該裝置包括外
壁由加熱元件3組成的帶密封蓋的保溫爐4;其中，保溫爐內腔中設有帶密封蓋的坩 堝17;攪拌器穿過保溫爐4的密封蓋和坩堝17的密封蓋，置于坩堝17腔內;攪拌器
14的游離端設有螺旋狀翼片18;進氣管道2和液體輸入管道9均穿過保溫爐4的密 封蓋和坩堝17的密封蓋，開口于坩堝腔內；液體輸出管道6開口于坩堝側壁底部，
并穿過保溫爐壁與外部相通。
該攪拌裝置中，塒堝17的密封蓋上設有密封套筒16;攪拌器14與電動機1相連；
穿出保溫爐壁后的液體輸出管道6上設有閥門5，鎂合金熔體8經閥門5流出后澆入 螺旋砂型7。該攪拌裝置的尺寸，包括密封套筒的直徑、螺旋狀翼片半徑等均可根據
實際需要確定。
如圖2所示，將低碳鋼坩堝放入熔煉爐11中，當升溫至40(TC時，放置AZ91D 鎂合金和一定配比的中間合金，加蓋密封后，通入CO2+0，/。SF6混合氣體12進行保 護，設備采用PID多點控溫，當升溫至73(TC進行保溫，待AZ91D鎂合金熔化以后打 開柱塞13，將合金熔體10通過液體輸入管道9轉移至保溫爐4中，熔體8的保溫溫 度為730±2°(:，保溫25min后開啟套筒螺旋式機械攪拌裝置，在73(TC對AZ91D鎂合 金熔體攪拌120s，降溫至720'C，靜置10min，然后開始進行澆注，打開單向閥門5， 合金熔體8通過液體輸出管道6直接澆入螺旋砂型7中凝固，砂型的型砂為樹脂砂(為 防止鎂合金澆入型腔后產生燃燒，在型砂中加入氟硼酸鉀及硼酸等阻燃劑)，螺旋型 試樣的形狀及大小參照《鑄造工藝基礎(1979年，北京出版社)》的方法進行設計， 每間隔50mm刻有標記。
圖3為鈣添加量對鎂合金熔體流動指數；(凝固后螺旋線型試樣的長度)的影響。 其中，澆注溫度720'C、攪拌溫度730。C、攪拌時間120s、鑄型性質、AZ91D鎂合金 的用量等相同情況下，通過改變中間合金Mg-30。/。的加入量(0 335g)，分別獲得鈣 添加量分別為0.0%、 0.2%、 0.4%、 0.6%和0.8%的鎂合金熔體。通過對比圖中不同合 金試樣的^可以看出，鈣添加量為0.4% 0.6%時，AZ91D鎂合金熔體顯示出良好的流動性，鈣添加量約為0.6%時，熔體的流動性比沒有添加鈣的AZ91D鎂合金提高近 35%，即對AZ91D鎂合金過熱熔體進行"變質+攪拌"復合工藝的加工處理可以明顯 提高其流動性。
同時，將復合工藝處理后的AZ91D鎂合金熔體8澆入預熱溫度為30(TC的鋼制圓 柱形模具中(直徑30mm、高度65mm)。通過控制Mg-30% Ca中間合金的添加量， 分別獲得不添加鈣及添加量分別為0.4%、 0.6%、 0.8%禾卩1.0%的合金試樣。圖4為不 同鈣添加量下AZ91D鎂合金試樣的微觀組織。其中，圖a) 、 b) 、 c) 、 d) 、 e)分 別為合金中不添加鈣元素及添加量02%、 0.4%、 0.6%、 1.0%。從圖中可以看出，隨 著鈣添加量的增大，AZ91D鎂合金的晶粒及晶界組織得到了明顯細化；隨Ca添加量 的進一步增加，晶界的MgnAh2相開始減少，而有新相(Al2Ca相面心立方結構、 熔點1079'C)在晶界析出。所獲得的試樣經過機加工后，進行熔體黏度測量。
利用鉗堝扭擺振動法對AZ91D鎂合金熔體的黏度進行測量，其測量溫度范圍為 600 87(TC。為了避免合金熔體中鎂的強烈蒸發對黏度測量產生影響，采用帶有螺旋 蓋密封的鋼制坩堝，同時抽真空后在坩堝中通入清潔的氦氣進行保護(latm)。以5 10°C/min的速度將液體合金試樣加熱至預先設定溫度U5(TC)，然后進行降溫過程 的黏度測量，分別在650°C、 700°C、 750°C、 800°C、 85(TC溫度點進行測量，每次測 量時間為12 15分鐘，對熔體每個溫度點的黏度均測量3次，取其平均值。圖5是 AZ91D鎂合金熔體等溫黏度-鈣添加量關系曲線F(w)，其中，橫坐標為鎂合金中鈣的 添加量W(Ca)，縱坐標為不同溫度下鎂合金熔體的黏度r(w)。從圖中黏度隨鈣添加量 的變化規律可以看出，AZ91D鎂合金熔體的等溫黏度對鈣元素的添加量有強烈的依賴 性，發生這樣規律性變化的原因與熔體中鈣原子與其它原子、原子集團之間的相互作 用及Al2Ca相的產生密切相關。當鈣添加量為0.4 0.7%時，合金熔體的黏度較小， 即流動性較好，這與螺旋流動試驗的結果基本相吻合。
權利要求
1、一種提高鎂合金熔體流動性的方法，包括如下步驟1)將鎂合金和Mg-Ca中間合金進行加熱熔煉，得到含鈣元素的過熱鎂合金熔體；2)將所述含鈣元素的過熱鎂合金熔體進行攪拌處理，得到鎂合金熔體。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟l)中，所述鎂合金包含 的各元素及其質量百分含量分別如下所示Al: 8.5 10.0%; Zn: 0.60 0.90%; Mn: 0.15 0.35%; Si: 0.01 0.06%;余量為雜質及Mg;其中，雜質為Fe、 Cu、 Ni、 Cl 或Be中的任意一種或幾種的混合物，Fe元素的含量小于0.008%， Cu元素的含量小 于0.025%, Ni元素的含量小于0.002%;雜質的總含量小于0.05%。
3、 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟2)中，保溫溫度為 720 850°C，保溫時間為20 40分鐘。
4、 根據權利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述步驟2)中，攪拌裝置 為套筒螺旋式機械攪拌裝置或旋轉式電磁攪拌裝置；所述攪拌溫度為720 85(TC，攪 拌時間為50 180秒。
5、 根據權利要求l-4任一所述的方法，其特征在于所述步驟l)中，Mg-Ca中 間合金中，鈣元素的質量百分含量為12 45%，優選30%;所述步驟2)得到的鎂合 金熔體中，鈣元素的質量百分含量為0.1 1.8%。
6、 根據權利要求1-5任一所述的方法，其特征在于所述步驟l)中，對鎂合金 和中間合金進行加熱熔煉的具體步驟是將熔煉爐升溫至350 40(TC后，放入鎂合金 和中間合金，通入保護氣體，繼續升溫至720 85(TC保溫，得到含鈣元素的過熱鎂合 金熔體。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述保護氣體為C02與SF6的混 合氣體；其中，SF6的體積百分含量為0.5。/。。
8、 權利要求l-7任一所述方法得到的鎂合金熔體。
9、 根據權利要求8所述的鎂合金熔體，其特征在于所述鎂合金熔體的等溫黏 度為8.0xl0-7 1.8xl(y6m2/s，流動指數為280 650mm。
10、 權利要求8或9所述鎂合金熔體在制造直接成形產品及鑄造鎂合金鑄錠中的 應用。
11、 一種用于權利要求l所述攪拌步驟的機械攪拌裝置，包括外壁由加熱元件組 成的帶密封蓋的保溫爐；其特征在于所述保溫爐內腔中設有帶密封蓋的坩堝；攪拌 器穿過所述保溫爐的密封蓋和所述坩堝的密封蓋，置于所述坩堝腔內；所述攪拌器的游離端設有螺旋狀的翼片；進氣管道和液體輸入管道均穿過所述保溫爐的密封蓋和所 述坩堝的密封蓋，開口于所述坩堝腔內；液體輸出管道開口于所述坩堝側壁底部，并 穿過所述保溫爐壁與外部相通。
12、根據權利要求11所述的裝置，其特征在于在所述攪拌器穿過所述坩堝的 密封蓋的部位設有密封套筒；所述攪拌器與電動機相連；所述穿出保溫爐壁后的液體 輸出管道上設有閥門；所述坩堝為鋼制坩堝。
全文摘要
本發明在揭示含鈣鎂合金熔體等溫黏度變化規律的基礎上公開一種提高鎂合金熔體流動性的方法，并公開一種專用攪拌裝置。該方法包括如下步驟1)將鎂合金和Mg-Ca中間合金進行加熱熔煉，得到含鈣元素的過熱鎂合金熔體；2)將含鈣元素的過熱鎂合金熔體移至保溫爐中進行攪拌處理。本發明對鎂合金過熱熔體進行“變質+攪拌”復合工藝加工處理，所產生的效果不是一種簡單的累加作用，而是一種疊加的復合作用，發揮了兩種熔體加工處理方法的優點，有效地提高合金的組織性能和流動性。該方法具有工藝簡單，適用范圍廣等優點。
文檔編號C22C1/03GK101487089SQ200910078629
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者何良菊, 弭光寶, 李培杰, 晶 王 申請人:清華大學