专利名称：变形镁合金大型件坯料的制备方法
技术领域：
本发明涉及镁合金大型铸件的制备技术，具体是制备镁合金坯料，特别是直径大于300mm变形镁合金大型件坯料的制备方法。
背景技术：
镁合金具有比重低、比强度和比刚度高、减震性能好以及成本低、回收率高和无污染等特点，被誉为“绿色材料”。用镁合金替代铝和钢(特别是大的承载结构件)可大大减重，减重对航天、航空和交通运输工具具有重要的经济意义，另外减重可直接减少燃料消耗从而改善人类生存的环境。同时开发和利用镁合金还有利于我国从镁的资源优势向技术优势发展，进而向经济优势转化。
由于镁合金的六方晶体结构，其有限的滑移系统导致室温变形难、韧性低(一般延伸率仅为2-4％)。目前镁合金的应用主要以铸造件为主，但是铸造件存在较多的孔洞和疏松等缺陷，使其力学性能较差，特别是疲劳强度不高；同时由于工艺上的原因，压铸法只能制成较小的构件，并只能在室温非动态载荷条件下使用。比较起来，变形镁合金力学性能均匀稳定，具有较高的强度、较好的延展性和表面质量。同时变形镁合金可实现无余量加工，后续机加工量小，并可通过变形制成各种型材、管材、板材和锻件。变形镁合金可广泛用于制造航天、航空、汽车、其它交通运输工具、家电、通信、医疗、户外休闲用品等部件，特别是在动态载荷条件下使用的结构件，其潜在的应用市场非常巨大。
目前使用的镁合金结构件，小尺寸件多，铸件多，使用范围有限，用途和用量远低于钢铁、铝等金属结构材料。与铸件相比，变形件的组织均匀致密，力学性能高而稳定，更适于规模化生产。同时变形镁合金适于制造大型的结构件、特别是承载结构件。因此发展变形件将使镁合金的应用在数量上和质量上得到大幅度提升，是大规模应用镁合金的主要途径。通常，变形件坯料的截面要比变形件本身截面大8-10倍，才能获得满意的性能。因此制备大型坯料，是发展和应用变形镁合金的前提。
大截面坯料常存在一些质量问题有害的金属间化合物颗粒污染、晶粒粗大、组织疏松等；在砂型铸造中，还存在铸件燃烧问题，这不只是液面上可见的燃烧，还有铸型内部潜在的燃烧，致使直径超过200mm的铸件难于生产。半连续铸造方法有助于解决上述问题，成为制备大型坯料的通用方法。对于凝固过程中收缩量不大的合金，半连铸方法可以制备出符合要求的大型坯料，其最大直径在国内达到480mm，在英国达到609mm(24时)，在美国达到812mm(32时)。半连铸方法生产中坯料有出现心部裂纹或表面裂纹的倾向。随着坯料尺寸增加，开裂的倾向增大。对于凝固过程中收缩大的合金，这种开裂倾向尤其严重，致使对直径大于250mm的坯料难于生产，成为新的生产难题。因此，开发新的大型坯料的制备方法，成为发展变形镁合金的迫切需要解决的关键问题之一。
镁合金中添加稀土元素，能提高使用性能和热变形能力，耐腐蚀性能也会大幅提高，拓宽了变形镁合金的发展和应用的途径。然而，稀土使合金的凝固收缩量增加，从而增加半连铸方法生产的难度；对于直径大于300mm的坯料，难度更大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种经济实用、铸件质量符合要求的变形镁合金大型件坯料的制备方法，本发明涉及变形镁合金大型件坯料的砂型铸造方法。对于凝固过程收缩量大的合金，当采用半连铸方法由于开裂倾向大致使生产合格率下降甚至难于生产时，采用本方法可以制备出大型坯料。本方法通过平稳浇注、快速冷却、适当补缩和周密阻燃等步骤，克服大型坯料的质量缺陷和铸镁燃烧问题，可以制备出符合要求的大型坯料。
本发明的技术方案是一种变形镁合金大型件坯料的制备方法，具体步骤如下(1)采用阻燃型砂，在型砂中加入阻燃剂，阻燃剂为烷基磺酸钠、硼酸、菱镁矿、氟化物中一种或几种的配合物，烷基磺酸钠28％的水溶液重量百分含量为2.5～4％、硼酸重量百分含量为2～3.5％、菱镁矿重量百分含量为3～8％、氟化物重量百分含量为6～8％；(2)采用冷铁控制凝固方向和凝固速度，在圆柱坯料柱面上，各冷铁互相接触，封闭分布，在底面采用整体冷铁；(3)采用开放式下注浇注系统；(4)采用大尺寸补缩冒口，冒口根部直径与坯料直径相等，冒口为上大下小的锥形结构，冒口锥度为1∶(4～7)，冒口高度与冒口根部直径比值为1∶(1～1.2)；(5)对型腔和注流采用气体保护，铸前对铸型充保护气体SF6，并在浇注过程中采用保护气体SF6保护注流；(6)在凝固末期，对冒口进行高温熔体点注，充分进行补缩。
所述步骤(1)中，氟化物为酸性氟化铵、中性氟化铵或氟硼酸铵。
所述步骤(2)中，由式B2+DB-0.195D2＝0得到不同坯料直径D的对应冷铁厚度B值，坯料底面和柱面被冷铁包围，底面整体冷铁直径与坏料直径相同，厚度为2B。
所述步骤(3)中，浇道截面尺寸为直浇道∶横浇道∶内浇道＝1∶(2.5-3)∶(5.5-6)，直浇道与横浇道连接采用搭接方式，且在搭接处安置过滤网。
本发明具有如下优点1、本发明所用材料价格低廉，设备也比半连铸简便，方法经济实用。
2、本发明凝固过程比半连铸方法缓慢，降低铸坯中热应力，减少坯料的开裂倾向。对于凝固过程收缩量大的合金，当坯料尺寸大到难于采用半连铸方法生产时，采用本方法可以生产出合格的坯料。
3、本发明采用阻燃型砂、使用冷铁、对型腔和注流采用气体保护等综合阻燃措施，效果良好，适用于大尺寸铸件的阻燃，实现安全生产。
4、对同种合金，本方法制备坯料的锻造加工试验及其锻造材料的力学性能试验的对比结果表明，锻造坯料无热裂发生，锻造坯料的质量达到甚至超过半连铸方法的锻造坯料的水平。
5、本发明方法适用于大型镁合金铸件。
图1为冷铁在坏料柱面上的配置示意图，其中1、2、3、4、5、6代表冷铁。
图2为开放式下注浇注系统结构示意图，其中7为直浇道，8为分型面，9为横浇道，10为滤网，11为搭接横浇道，12为内浇口。
图3为图2中A-A剖视图。
具体实施例方式
本发明技术关键如下1、采用阻燃型砂；2、采用冷铁控制冷却过程，控制凝固方向和凝固速度，同时减少熔体与型砂的接触面积，做为阻燃的补充手段；3、采用平稳浇注系统；4、采用大尺寸补缩冒口，充分对坯料进行补缩；5、对型腔和注流采用气体保护；6、在凝固末期，对冒口采用热熔体点注补缩。
对以上项目，做以下具体说明1、用添加阻燃剂制备型砂。阻燃剂为烷基磺酸钠、硫磺、硼酸、菱镁矿、氟化物中一种或几种的配合物。其中氟化物为酸性氟化铵(NH4HF)、中性氟化铵(NH4F)或氟硼酸铵(NH4BF4)。
典型的型砂配比见表1表1(wt％)
2、冷铁控制冷却状态，同时尽可能减少熔体与型砂直接接触的面积，降低熔体与型砂发生反应的机会。在圆柱坯料柱面上，冷铁分布近乎封闭(见图1)，在底面采用整体冷铁，为了实现自下而上的凝固过程，底部冷铁厚度大于柱面的冷铁厚度。不同直径D坯料的冷铁的厚度B值，可以按热平衡条件估算，数值见图1说明。
图1说明采用凝固过程热平衡条件对冷铁厚度进行估算。
熔体由浇注温度t浇降到固相线温度t固释放热量Q1为Q1＝(t浇-t固)CMgWMg熔体在t固温度凝放热量Q2为Q2＝RWMg冷铁由室温t室升高到t固吸收热量Q3为Q3＝(t固-t室)CFeWFe以上诸式中CMg＝1.406kJ/kgk为镁合金的比热，R＝318kJ/kg为镁合金凝固潜热，CFe＝481J/kgk为铁合金的比热，WMg和WFe分别为镁合金和冷铁的重量，它们可由图中相应的体积和比重(ρMg＝1.84g/cm3，ρFe＝7g/cm3)求出。
当取Q1+Q2＝Q3时，由式B2+DB-0.195D2＝0得到不同坯料直径D的对应冷铁厚度B值，如表2所示。
表2
在凝固过程中由于型砂和其中多种物质的气化会吸收大量热量，因此实际选用的冷铁厚度可以小于上述计算值。
3、采用开放式下注浇注系统，控制浇注液面平稳上升，如图2所示，浇道截面尺寸为直浇道∶横浇道∶内浇道＝1∶(2.5～3)∶(5.5～6)直浇道与横浇道连接采用搭接方式，且在搭接处安置过滤网，既可以滤渣，又能使浇注过程平稳。
4、采用大尺寸冒口，增加对坯料的补缩作用。冒口根部直径与坯料直径相等，冒口为上大下小的锥形结构，冒口锥度为1∶(4～7)，冒口高度与冒口根部直径相近，冒口高度与冒口根部直径比值为1∶(1～1.2)。
5、对型腔和注流采用气体进行保护。在浇注前二分钟之内，向型腔充填SF6气体；在浇注中用SF6气体保护注流。
6、在凝固末期，适时用高温熔体点浇冒口，延缓冒口凝固时间，增强冒口的补缩功能，充分进行补缩。
下面结合实施例详述本发明。
实施例1实施材料为稀土改性的ZK60合金，合金成份为wt％6.26Zn-0.78Zr-0.66Y-余Mg，坯料尺寸为直径350mm、高度为700mm的棒型坯料。
1、实施材料采用电阻炉熔炼，浇注温度为710℃。
2、型砂配比为wt％细石英砂85，膨润土3.5，菱镁矿6，烷基磺酸钠(重量百分含量为28％的水溶液)3，硼酸2，工业糖0.5。
3、采用开放式下注浇注系统，见图2、图3。直浇口Φ35mm；横浇道为梯形上、下底为32和40mm，高为40mm；四个矩形内浇口均匀分布，每个矩形浇口截面尺寸为120mm×12mm(高)。
4、冷铁在坯料周边的安放位置如图1。坯料底面和柱面基本被冷铁包围，使熔体基本不与型砂接触。柱面冷铁的厚度为40mm，比图1说明计算值略小。底面冷铁厚度为80mm，以保证坯料底部首先凝固。
5、冒口直径与坯料直径相等(350mm)，高度为300mm，冒口锥度为1∶6。在凝固末期，用高温熔体点浇冒口，增强补缩效果。
6、用本方法制备的坯料与半连铸方法坯料进行锻造加工性能的对比试验，结果二者具有相当的加工性能。
实施例2实施材料为稀土改性的ZK60合金，合金成份为wt％5.33Zn-0.89Zr-0.29Y-余Mg，坯料尺寸为直径350mm、高度为700mm的棒型坯料。
1、实施材料采用电阻炉熔炼，浇注温度为710℃。
2、型砂配比为wt％细石英砂89，膨润土4，酸性氟化铵(NH4HF)7。
3、采用开放式下注浇注系统，见图2、图3。直浇口Φ35mm；横浇道为梯形上、下底为32和40mm，高为40mm；四个矩形内浇口均匀分布，每个矩形浇口截面尺寸为120mm×12mm(高)。
4、冷铁在坯料周边的安放位置如图1。坯料底面和柱面基本被冷铁包围，使熔体基本不与型砂接触。柱面冷铁的厚度为40mm，比图1说明计算值略小。底面冷铁厚度为80mm，以保证坯料底部首先凝固。
5、冒口直径与坯料直径相等(350mm)，高度为350mm，冒口锥度为1∶5。在凝固末期，用高温熔体点浇冒口，增强补缩效果。
6、用本方法制备的坯料与半连铸方法坯料进行锻造加工性能的对比试验，结果二者具有相当的加工性能。
对锻造材料的力学性能进行了对比试验，结果如表3所示表3
可见二者强度相当，砂铸材料塑性略优于半连铸材料。
权利要求
1.一种变形镁合金大型件坯料的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)采用阻燃型砂，在型砂中加入阻燃剂，阻燃剂为烷基磺酸钠、硼酸、菱镁矿、氟化物中一种或几种的配合物，含烷基磺酸钠28％的水溶液重量百分含量为2.5～4％、硼酸重量百分含量为2～3.5％、菱镁矿重量百分含量为3～8％、氟化物重量百分含量为6～8％；(2)采用冷铁控制凝固方向和凝固速度，在圆柱坯料柱面上，各冷铁互相接触，封闭分布，在底面采用整体冷铁；(3)采用开放式下注浇注系统；(4)采用大尺寸补缩冒口，冒口根部直径与坯料直径相等，冒口为上大下小的锥形结构，冒口锥度为1∶(4～7)，冒口高度与冒口根部直径比值为1∶(1～1.2)；(5)对型腔和注流采用气体保护，铸前对铸型充保护气体SF6，并在浇注过程中采用保护气体SF6保护注流；(6)在凝固末期，对冒口进行高温熔体点注，充分进行补缩。
2.按照权利要求1所述变形镁合金大型件坯料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，氟化物为酸性氟化铵、中性氟化铵或氟硼酸铵。
3.按照权利要求1所述变形镁合金大型件坯料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，由式B2+DB-0.195D2＝0得到不同坯料直径D的对应冷铁厚度B值，坯料底面和柱面被冷铁包围，底面整体冷铁直径与坏料直径相同，厚度为2B。
4.按照权利要求1所述变形镁合金大型件坯料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，浇道截面尺寸为直浇道∶横浇道∶内浇道＝1∶(2.5-3)∶(5.5-6)，直浇道与横浇道连接采用搭接方式，且在搭接处安置过滤网。
全文摘要
本发明涉及变形镁合金大型件坯料的制备方法，包括如下关键措施(1)采用阻燃型砂；(2)采用冷铁控制凝固方向和凝固速度；(3)采用开放式下注浇注系统等平稳熔体流动措施；(4)采用大尺寸补缩冒口；(5)对型腔和注流采用气体保护；(6)对冒口适时采用高温熔体点注，充分进行补缩。当热裂倾向高的镁合金难于采用半连铸法生产时，采用本方法可以制备出符合要求的坯料。采用平稳浇注、快速冷却、适当补缩和周密阻燃等措施，减少大型铸造件组织粗大、疏松、力学性能低等缺陷和铸造过程中出现的燃烧问题，制备出合格的大型变形件坯料。本方法适用于大型镁合金铸件。
文档编号B22D21/04GK1765545SQ20041005075
公开日2006年5月3日 申请日期2004年10月29日 优先权日2004年10月29日
发明者刘路, 徐永波, 高国忠, 陈荣石, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所