专利名称：消失模铸造镁铝系镁合金复合变质处理方法
技术领域：
本发明涉及的是一种消失模铸造镁铝系镁合金复合变质处理方法，属于金属材料及冶金类领域。
背景技术：
镁合金是实际应用中最轻的结构材料，它具有比重轻、比强度高、比刚度高、阻尼性能、切削性能好等优点。镁合金在汽车、航空航天、电讯等行业获得了日益广泛的应用。铸造是镁合金的主要成形方法。目前镁合金主要采用压铸及带有粘结剂的砂型进行铸造。消失模铸造(简称LFC或EPC)被认为是替代传统铸造工艺生产高质量精密成型铸件的一种经济有效的绿色铸造新工艺，是铸造工艺的一个重要发展方向。LFC的基本原理是采用与所需铸件形状、尺寸完全相同的泡沫塑料模进行造型，模样不取出呈实体铸型，浇入的金属液使泡沫塑料模样热解，并充填泡沫模样所占据的空间，金属液冷却后便形成理想的铸件。镁合金消失模铸造是先进材料与先进工艺结合的新技术，在具有复杂内腔、分型困难、薄壁、小直径孔的零件生产应用上将显示巨大的潜力。目前消失模铸造主要集中在铸铁、铸钢和铸铝上，有关消失模铸造镁合金方面的研究报道极少。
尽管消失模铸造具有一系列独特的技术优势，但由于消失模铸造在金属充型和凝固期间，金属-铸型(包括涂料)界面间的泡沫塑料模样会发生热解形成液态及气态热解产物，热解产物的存在不仅增加了金属-铸型间的传热热阻，而且液态产物排除后增大了因金属表面凝固收缩而形成的金属-铸型界面的间隙，从而大大降低了金属-铸型界面传热系数，以致铸件冷却速度较慢。又由于消失模铸造采用的是无粘结剂的干砂造型，没有粘结剂填充在砂粒之间，浇注时传热只能通过砂粒之间极小的近于点接触的导热面传出，因干砂蓄热系数低，进一步降低了铸型的冷却速度，因此消失模铸造的冷却速度明显低于普通粘土砂型铸造。反映在组织上，消失模铸造镁合金的晶粒粗大，β析出相呈粗大网状形态。粗大的组织降低了材料的机械性能，从而制约了镁合金消失模铸造技术在实际生产中应用。尤其对于目前应用最广的Mg-Al系镁合金而言(如AZ91镁合金)，较宽的结晶温度范围不仅使铸件的组织粗大，而且较大的体收缩(约5-7.5％)也易使铸件出现严重的缩松缺陷。因此，采用变质处理技术细化基体相并改善第二相的形态和分布状况成为消失模铸造镁合金铸件生产的关键。
目前镁合金的变质处理主要有过热变质法、加锆变质法与加碳变质法(陆树荪，顾开道，郑来苏.有色铸造合金及熔炼.北京国防工业出版社，1983)。由于过热变质处理增大了镁合金液的氧化损失和吸气量，并且增加了能量和坩埚的消耗，因而生产上已很少使用。加锆变质法对纯镁和含Zn、Ag的镁合金具有极为显著地晶粒细化作用，Zr已成为目前应用最广泛的镁合金晶粒细化剂之一。但因Zr与Al、Si、Fe、Mn、某些稀土元素等结合形成化合物而沉淀到坩埚底部，使锆不起晶粒细化作用，因此，Zr不能作为Mg-Al系铸造镁合金的晶粒细化剂。加碳变质法是在熔体中加入含碳化合物(如二氧化碳、乙炔、碳酸钙、碳酸镁、六氯乙烷、六氯苯等)以细化晶粒的工艺，该法因操作温度低、细化效果衰退小已在Mg-Al类镁合金中得到应用。但目前使用的单纯的加碳变质法的细化效果不太理想。
综上所述，尽管目前已有镁合金变质方法的报道，但几乎均是针对传统空腔铸造工艺而制定的，而且大多采用单一变质的方法，变质效果较差，不适于消失模铸造慢冷条件下的变质需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种适用于消失模铸造慢冷条件下镁铝系镁合金的复合变质处理方法，使消失模铸造镁合金的晶粒得到有效细化，从而使镁合金铸件的机械性能得到大幅度的提高，具有良好的市场应用前景。
为实现这样的目的，本发明针对消失模铸造的特点，采用Sr、AlTiC和/或C2Cl6对镁铝系镁合金进行复合变质处理，以细化消失模铸造镁合金的晶粒，提高其机械性能。采用的复合变质处理工艺如下在730-760℃温度下，先以Al-10Sr中间合金的形式加入0.05-0.15％Sr进行第一步变质处理，再以AlTiC中间合金的形式加入0.05-0.2％Ti和/或加入0.4-0.6％C2Cl6进行第二步变质处理，达到消失模铸造镁合金晶粒细化的目的。
本发明的方法具体如下在熔炼炉中加入干燥的工业纯镁，同时，在炉内撒入少量镁合金熔炼用覆盖剂，待镁全部化清后，加入合金元素Al、Zn、Mn，其中Al、Zn分别以工业纯Al和工业纯Zn的形式加入，Mn以AlMn中间合金的形式加入，待合金元素全部熔化后，搅拌合金液使成分均匀，升温至730-760℃温度，以Al-10Sr中间合金的形式加入0.05-0.15％Sr进行第一步变质处理，静置10-20分钟，再以AlTiC中间合金的形式加入0.05-0.2％Ti和/或加入0.4-0.6％C2Cl6进行第二步变质处理。变质处理完成后，在720-740℃温度下，加入精炼剂精炼5-15分钟，静置10-20分钟后，撇去浮渣。铸造时，当合金液温度在730-750℃即可进行浇注。
Sr可以使镁铝系镁合金的晶粒细化，并使镁合金晶界上的β相由连续网状变为不连续的粒状和块状结构。
C2Cl6遇镁合金液后，分解成C2Cl4(四氯乙稀)和Cl2，而C2Cl4与镁合金液反应生成C，C与Al形成Al4C3(呈弥散的细小质点)，即作为结晶晶核，使晶粒细化。
Ti属于过渡族金属，其晶格与镁合金相同，也为hcp结构，晶格常数为a＝0.29512nm，c＝0.46845nm。Ti是镁的包晶系元素，包晶温度下(651℃)Ti在Mg中的固溶度为0.2wt％。Ti加入镁熔体内，在凝固过程中，Ti极低的溶解度使其在液固界面前沿扩散区内富集，这样不仅阻碍了界面前Al原子的扩散，从而抑制了枝晶的生长，而且在液固界面前产生较大的成分过冷，因而激活了成分过冷区内形核质点的形核。当加入AlTiC中间合金时，在熔体中将释放出TiC粒子，从而增加了镁合金凝固时异质核心的数量，使合金组织更加细化。AlTiC中间合金的加入提高了共晶反应的离异化程度，晶界上的β相由连续网状变成块状结构且分布均匀，在晶粒内出现了β相颗粒。AlTiC的晶粒细化作用是其晶粒生长抑制作用和引入形核质点综合作用的结果。
本发明具有实质性的进步和广阔的商业应用前景。在不明显提高合金成本的情况下，本发明提出的复合变质处理工艺可以使消失模铸造镁合金晶粒获得较好的细化，有效地提高了消失模铸造镁合金的机械性能，且具有价格低廉的特点，市场应用前景广阔。在消失模铸造条件下镁合金室温抗拉强度、屈服强度、伸长率分别大于155MPa、90MPa、2.0％。晶粒平均尺寸小于100μm。
具体实施例方式以下以镁铝系AZ91镁合金为例，通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1针对AZ91镁合金(其成分质量百分数如下90％Mg，9％Al，0.7％Zn，0.3％Mn)，其复合变质处理方法为合金熔化后，升温到730℃，以Al-10Sr中间合金的形式加入0.15％Sr进行第一步变质处理，之后再以Al5TiC中间合金的形式加入0.2％Ti进行第二步变质处理。
具体熔炼及变质处理工艺如下在电阻坩埚炉中加入工业纯镁9000克，之后在炉内撒入少量镁合金熔炼用覆盖剂，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝119克、工业纯锌70克、Al-10Mn合金300克(含铝270克、锰30克)，溶解后充分搅拌合金液使其成分均匀，升温到730℃，加入Al-10Sr中间合金150克(含铝135克、锶15克)进行第一步变质处理，静置15分钟；再加入Al5TiC中间合金400克(含铝376克、钛20克、碳4克)，进行第二步变质处理。变质处理完成后，在730℃温度下，加入精炼剂精炼10分钟，静置20分钟后，撇去浮渣。在750℃下进行浇注。
本实例得到的消失模铸造AZ91镁合金相比未经变质处理的AZ91镁合金，其性能有明显提高，合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为156MPa，90MPa，2.1％。晶粒平均尺寸为98μm。
实施例2针对AZ91镁合金(其成分质量百分数如下90％Mg，9％Al，0.7％Zn，0.3％Mn)，其复合变质处理方法为合金熔化后，升温到740℃，以Al-10Sr中间合金的形式加入0.1％Sr进行第一步变质处理，之后再加入0.6％C2Cl6进行第二步变质处理。
具体熔炼及变质处理工艺如下在电阻坩埚炉中加入工业纯镁9000克，之后在炉内撒入少量镁合金熔炼用覆盖剂，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝540克、工业纯锌70克、Al-10Mn合金300克，溶解后充分搅拌合金液使成分均匀，升温到740℃，加入Al-10Sr中间合金100克进行第一步变质处理，静置15分钟；在760℃下加入60克C2Cl6，进行第二步变质处理。变质处理完成后，在740℃温度下，加入精炼剂精炼10分钟，静置20分钟后，撇去浮渣。在740℃下进行浇注。
本实例得到的消失模铸造AZ91镁合金相比未经变质处理的AZ91镁合金，其性能有明显提高，合金常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为160MPa，95MPa，2.3％。晶粒平均尺寸为90μm。
实施例3针对AZ91镁合金(其成分质量百分数如下90％Mg，9％Al，0.7％Zn，0.3％Mn)，其复合变质处理方法为合金熔化后，升温到750℃，以Al-I0Sr中间合金的形式加入0.05％Sr进行第一步变质处理，之后再以Al5TiC中间合金的形式加入0.05％Ti和0.4％C2Cl6进行第二步变质处理。
具体熔炼及变质处理工艺如下在电阻坩埚炉中加入工业纯镁9000克，之后在炉内撒入少量镁合金熔炼用覆盖剂，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝491克、工业纯锌70克、Al-10Mn合金300克，溶解后充分搅拌合金液使成分均匀，升温到750℃，加入Al-10Sr中间合金50克进行第一步变质处理，静置15分钟；再先后加入100克Al5TiC中间合金及40克C2Cl6，进行第二步变质处理。变质处理完成后，在730℃温度下，加入精炼剂精炼10分钟，静置20分钟后，撇去浮渣。在740℃下进行浇注。
本实例得到的消失模铸造AZ91镁合金相比未经变质处理的AZ91镁合金，其性能有明显提高，合金常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为170Mpa，101Mpa，3.5％。晶粒尺寸为85μm。
权利要求
1.一种消失模铸造镁铝系镁合金复合变质处理方法，其特征在于在730-760℃温度下，先以Al-10Sr中间合金的形式加入0.05-0.15％Sr进行第一步变质处理，静置10-20分钟，再以AlTiC中间合金的形式加入0.05-0.2％Ti和/或加入0.4-0.6％C2Cl6进行第二步变质处理，变质处理完成后，在720-740℃温度下，加入精炼剂精炼5-15分钟，静置10-20分钟后，撇去浮渣，当合金液温度在730-750℃即可进行浇注。
2.如权利要求1的消失模铸造镁铝系镁合金复合变质处理方法，其特征在于Sr以Al-10Sr中间合金的形式加入，Ti以AlTiC中间合金的形式加入。
全文摘要
本发明提供一种消失模铸造镁铝系镁合金复合变质处理方法，在730－760℃温度下，先以Al－10Sr中间合金的形式加入Sr进行第一步变质处理，再以AlTiC中间合金的形式加入Ti和/或C
文档编号C22C23/02GK1546710SQ200310109068
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月4日 优先权日2003年12月4日
发明者吴国华, 丁文江 申请人:上海交通大学