专利名称：消失模铸造镁合金及其熔炼方法
技术领域：
本发明涉及的是一种消失模铸造镁合金及其熔炼方法，属于金属材料及冶金类技术领域。
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)目前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，被誉为“21世纪的铸造技术”、“铸造中的绿色工程”。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代替铸模进行造型，模样不取出呈实体铸型，浇入金属液汽化并取代泡沫模样后形成理想的铸件。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。目前有关消失模铸造研究和应用主要集中在铸铁、铸钢和铸铝上，有关镁合金方面的报道极少。
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同时进行着金属-铸型(包括涂料)界面间的泡沫塑料模样液态热解产物的排除过程。液态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。又由于消失模铸造的浇注温度比传统空腔铸造浇注温度高得多，且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，铸型冷却慢，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，易出现严重的缩松缺陷，β析出相呈粗大网状形态，铸件致密性差。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。
总之，由于消失模铸造是一项全新的技术，有关消失模铸造镁合金的研究极少，晶粒粗大和缩松是制约消失模铸造镁合金应用的主要技术障碍。目前有关消失模铸造镁合金的研究集中在铸型充型方面[Zili Liu，Jingyu Hu，QudongWang，etc.Evaluation of Vacuum on Mold Filling in Magnesium EPC Process.Journal of Materials Processing Technology.2002，120/1-394-100]，尚未见到有关消失模铸造镁合金材料的报道。因此，为了改善消失模铸造镁合金的组织性能，减少其缺陷，提高消失模镁铸件的成品率，很有必要对现有的镁合金的化学成分进行调整，开发出适合于消失模铸造的专用镁合金材料。
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的专用消失模铸造镁合金及其熔炼方法，使得到的镁合金具有良好的消失模铸造成型性能、较高的综合机械性能和价格低廉的特点，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，从细化消失模铸造镁合金的晶粒、减少镁合金的缩松缺陷出发，在镁合金的配方中降低了Zn的含量，并适量调整了Al、Mn元素的含量，加入了富Ce的混合稀土RE以及Ti和C元素，以细化消失模铸造镁合金的晶粒，减少其缩松缺陷，同时改善其铸造性能及力学性能。
本发明消失模铸造镁合金的成分配方(质量百分比)为7.5-10％Al，0.2-0.45％Zn，0.1-0.5％Mn，0.6-1.0％RE(富Ce混合稀土)，0.05-0.2％Ti，0.005-0.05％C，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
本发明的消失模铸造镁合金的熔炼方法如下在CO2+SF6气体保护下，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、RE、Ti、C，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，RE以纯RE或MgRE中间合金的形式加入，Ti以AlTi或AlTiC中间合金的形式加入，C以AlTiC中间合金的形式加入。当合金液升温到710-740℃，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710-750℃即可采用浇包浇注，或者在低压铸造炉内采用压缩气体进行低压铸造。
本发明的合金配方中，Zn可以提高熔体流动性，有明显的固溶强化效果，但Zn的加入会明显增大合金的热裂倾向性，恶化铸造成型性能。本发明中适当降低了Zn的含量。
RE在我国储量丰富，成本低。RE能改善镁合金的铸造性能，减少晶界低熔点析出物，增加流动性，有效地减少镁合金的缩松缺陷，提高综合力学性能和良好的固溶强化效果。通过RE对晶界的强化，及其与Zn、Al对合金的力学性能的有益作用，通过各种元素的合理搭配，使得消失模铸造镁合金具有更高的抗拉强度和屈服强度。
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作为铝合金细化剂的工业应用已经比较成熟，其中TiC粒子为主的Al-Ti-C中间合金，因其良好的形核能力、较小的尺寸和聚集倾向，成为目前研究和应用最为广泛的铝熔体形核剂。但有关Ti在镁合金中应用研究报道极少。
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。同时，Ti可能与镁熔体内的C形成TiC化合物，该化合物与镁的晶格常数错配度非常小，可作为异质形核的基底。当加入Al-Ti-C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。Al-Ti-C对消失模铸造镁合金中的晶粒细化和β相形态的改善，消除了粗大的化合物相对基体的割裂及对晶界的弱化作用，提高了合金中的滑移和孪生等塑性变形方式开动的可能性，所以合金的塑性得到提高。同时，由于拉伸试验中合金变形强化能力的提高，合金的总体抗拉强度也有所提高。
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，本发明提出的消失模铸造镁合金晶粒获得了较好的细化，具有优良的消失模铸造成型性能及较高的综合机械性能和价格低廉的特点，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150MPa、95MPa、2.5％。
具体实施例方式以下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合金成分(重量百分比)7.5％Al，0.25％Zn，0.15％Mn，1.0％RE(富Ce混合稀土)，0.05％Ti，0.01％C，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
按照上述成分配置合金，在CO2+SF6气体保护下，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁8204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521克、工业纯锌25克、Al-10Mn合金150克、Mg-10RE合金1000克、Al-5Ti-C合金100克，溶解后充分搅拌合金液，持续升温到730℃时用精炼剂精炼10分钟，捞去表面浮渣，然后保温静止20分钟，当合金温度达740℃，即可用浇包浇注。本实例的镁合金常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为155MPa，98MPa，2.5％。晶粒尺寸为100μm。
实施例2合金成分(重量百分比)9％Al，0.35％Zn，0.45％Mn，0.8％RE(富Ce混合稀土)，0.1％Ti，0.02％C，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
按照上述成分配置合金，在CO2+SF6气体保护下，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁8928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307克、工业纯锌35克、Al-10Mn合金450克、混合RE合金80克、Al-5Ti-C合金200克，溶解后充分搅拌合金液，持续升温到730℃时用精炼剂精炼10分钟，捞去表面浮渣，然后保温静止20分钟，当合金温度达730℃，即可用浇包浇注。本实例的镁合金常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为162MPa，101MPa，2.6％。晶粒尺寸为90μm。
实施例3合金成分(重量百分比)10％Al，0.45％Zn，0.3％Mn，0.6％RE(富Ce混合稀土)，0.2％Ti，0.03％C，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
按照上述成分配置合金，在CO2+SF6气体保护下，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁8302克，之后在炉内撤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403克、工业纯锌45克、Al-10Mn合金300克、Mg-10RE合金600克、Al-5Ti-C合金300克、Al-10Ti合金50克，溶解后充分搅拌合金液，持续升温到740℃时用精炼剂精炼10分钟，捞去表面浮渣，然后保温静止20分钟，当合金温度达735℃，即可用浇包浇注。本实例的镁合金常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为168MPa，109MPa，3.0％。晶粒尺寸为75μm。
权利要求
1.一种消失模铸造镁合金，其特征在于成分配方质量百分比为7.5-10％Al，0.2-0.45％Zn，0.1-0.5％Mn，0.6-1.0％富Ce混合稀土RE，0.05-0.2％Ti，0.005-0.05％C，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.01 5％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
2.一种权利要求1的消失模铸造镁合金熔炼方法，其特征在于在CO2+SF6气体保护下，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的覆盖剂，待镁全部化清后，加入合金元素Al、Zn、Mn、RE、Ti、C，当合金元素全部熔化，合金液升温到710-740℃，加入精炼剂精炼5-10分钟，温度控制在710-740℃，保温静置20分钟，撇去浮渣，当合金液温度在710-750℃即可采用浇包浇注，或者在低压铸造炉内采用压缩气体进行低压铸造。
3.如权利要求2的消失模铸造镁合金熔炼方法，其特征还在于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，RE以纯RE或MgRE中间合金的形式加入，Ti以AlTi或AlTiC中间合金的形式加入，C以AlTiC中间合金的形式加入。
全文摘要
一种消失模铸造专用镁合金及其熔炼方法，在镁合金的配方中降低了Zn的含量，并适量调整了Al、Mn元素的含量，加入了富Ce的混合稀土RE以及Ti和C元素，以细化消失模铸造镁合金的晶粒，减少其缩松缺陷，同时改善其铸造性能及力学性能。熔炼时各种成分以不同形式加入，熔炼后在气体保护或熔剂保护的条件下进行浇注或低压铸造。本发明在不明显提高合金成本的情况下，镁合金晶粒获得了较好的细化，具有优良的消失模铸造成型性能及较高的综合机械性能和价格低廉的特点，市场应用前景广阔。
文档编号B22D21/00GK1523127SQ0315092
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月11日 优先权日2003年9月11日
发明者吴国华, 丁文江 申请人:上海交通大学