专利名称：高流动性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铸造镁合金，尤其是一种高流动性消失模铸造镁合金及其熔炼方法，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、阻尼性能好、切削性能好以及可再生利用等优点。正越来越广泛地应用于汽车、电子、家电、通信、仪表及航天航空等领域。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，被誉为“21世纪的铸造技术”[黄乃瑜，罗吉荣，叶升平。面向21世纪的消失模铸造技术。特种铸造及有色合金，1998(4)37-40]。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，浇入的金属液使泡沫塑料模样汽化并取代泡沫模样所占据的空间后形成理想的铸件。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，但由于消失模铸造充型过程中，镁熔体首先必须使泡沫塑料模样热解，泡沫塑料模样热解将消耗大量的镁液热量，使镁液充型前沿温度下降，而降低镁熔体的流动性[Zili Liu，JingyuHu，Wenjiang Ding，etc.Effect of Processing Parameters on Mold Fillingin Magncsium Alloy EPC Process.AFS Transactions，2001，1091425-1438]。另一方面，镁熔体的热含量较低，且由于具有较宽的结晶温度范围，以致本身的流动性较差。综合上述因素，消失模铸造镁合金往往由于流动性不足，充型能力差，铸件易产生浇不足、缺肉等缺陷，从而制约了镁合金消失模铸造技术在实际生产中应用。
目前最常用的镁合金是Mg-Al-Zn系列的AZ91合金，该合金因具有优良的综合机械性能和低廉的价格得到了广泛的应用。但在消失模铸造过程中，仍然显得流动性差、充型能力不足，成品率低。事实上，镁合金材料的特性对铸造工艺的制定是非常重要的，甚至在某种程度上决定了铸件的性能。因此，镁合金的铸造流动性自然是生产厂家关注的热点。合金流动性依赖于许多因素，包括合金的化学成分、组织结构、铸造温度以及铸模温度等。而在铸造温度及铸模温度一定的情况下，流动性主要取决于合金的化学成分及组织结构。因此，为了提高消失模铸造镁合金的流动性，提高铸件的成品率，很有必要对现有的镁合金的化学成分进行调整，开发出新型的高流动性消失模镁合金。
发明内容
本发明的目的在于针对现有镁合金流动性的不足，提出一种高流动性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，本发明从提高消失模铸造镁合金的流动性出发，在现有的Mg-Al-Zn系列的AZ91合金的基础上，对合金的成分进行了重新设计，提高了合金中的Al含量、降低了Zn含量，加入了富Ce混合稀土RE以及Ti元素，适量增加了Be元素的含量，以改善镁合金铸造性能，提高其流动性，并使之具有高的抗拉强度和屈服强度。
本发明的成分配方(质量百分比)为7.5-10％Al，0.2-0.45％Zn，0.1-0.5％Mn，0.05-0.2％Be，0.6-1.2％RE(富Ce混合稀土)，0.05-0.2％Ti，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
本发明的高流动性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，在炉内撤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、Be、Ti，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，Be以纯Be或AlBe中间合金的形式加入，Ti以AlTi中间合金的形式加入。将合金液升温到710-740℃，加入精炼剂精炼5-15分钟，静置10-20分钟后，撇去浮渣。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。
研究表明，Al和Be元素的含量是影响合金流动性的主要因素，它们分别通过改变熔化温度下的过热度和抗氧化性能而影响该合金熔体的流动性。增加铝的含量有利于提高合金的流动性。Mg-Al-Zn系列镁合金的流动性还与其抗氧化性有着密切的关系，抗氧化能力越强，熔体流动性越好，由于铍对于镁是表面活性元素，故在镁合金中加入微量铍时，可以提高镁液的抗氧化能力。但铍的加入量不宜过多，过多将引起晶粒粗化，恶化合金的机械性能，并增大热裂倾向。因此，通过添加Be元素可有效增强该合金的抗氧化性能，从而提高其熔体流动性。
RE能改善镁合金铸造性能，减少晶界低熔点析出物，增加流动性，并能提高合金综合力学性能，而且RE在我国储量丰富，成本低。本发明通过RE对晶界的强化，并利用其与Zn，、Al、Be等合金元素的合理搭配，获得了抗拉强度和屈服强度与AZ91镁合金相当，而流动性优于AZ91镁合金的消失模铸造镁合金。且该合金中不含贵重元素，成本低廉。在相同的浇注温度下，本镁合金的流动性好，成型能力强。一方面是由于阻燃元素的加入，合金熔体流动过程中氧化夹杂减少，从而减少了液体的粘度，提高了流动性；另一方面，合金中出现的稀土相Al1RE形成温度高于Mg17Al12的形成温度约100℃，接近于合金液相线温度，且在合金凝固过程中放出大量的热量，减缓了凝固速度，使流动性提高。
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，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。TiC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，大大提高了合金的流动性、消失模铸造成型性能和合金的综合力学性能，且合金价格低廉。合金流动性能采用螺旋试验法进行分析，流动指数由该合金在螺旋模中的凝固长度确定。熔炼采用低碳坩埚，在保护气氛下，将熔体升温到720℃，保温20分钟，直接浇入树脂砂螺旋模中，每种样品浇铸5次，每次的浇入量保持不变，模具的预热温度每次均为250℃，按上述方法测得的合金的流动性高于280mm。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％，合金的流动性长度大于290mm。
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，0.45％Zn，0.3％Mn，0.05％Be，0.6％RE(富Ce混合稀土)，0.2％Ti，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8550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180克、工业纯锌45克、Al-10Mn合金300克、Mg-10RE合金600克、Al-10Ti合金200克、Al-4Be合金125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158MPa，97MPa，2.7％。合金的流动性长度为298mm，消失模铸造充型能力良好。
实施例2合金成分(重量百分比)8％Al，0.2％Zn，0.5％Mn，0.2％Be，1.2％RE(富Ce混合稀土)，0.05％Ti，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8985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305克、工业纯锌20克、Al-10Mn合金500克、RE合金120克、Al-10Ti合金50克、Be合金20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750℃，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165MPa，103MPa，3.1％。合金的流动性长度为305mm，消失模铸造充型能力良好。
实施例3合金成分(重量百分比)9.5％Al，0.3％Zn，0.1％Mn，0.15％Be，0.8％RE(富Ce混合稀土)，0.1％Ti，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8185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410克、工业纯锌30克、Al-10Mn合金100克、Mg-10RE合金800克、Al-10Ti合金100克、Al-4Be合金375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169MPa，99MPa，2.9％。合金的流动性长度为310mm，消失模铸造充型能力良好。
权利要求
1.一种高流动性消失模铸造镁合金，其成分配方质量百分比为7.5-10％Al，0.2-0.45％Zn，0.1-0.5％Mn，0.05-0.2％Be，0.6-1.2％富Ce混合稀土RE，0.05-0.2％Ti，限制杂质元素Si≤0.01％，Fe≤0.004％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。
2.一种权利要求1的高流动性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、Be、Ti，当合金元素全部熔化后，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的高流动性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，Be以纯Be或AlBe中间合金的形式加入，Ti以AlTi中间合金的形式加入。
全文摘要
一种高流动性消失模铸造镁合金及其熔炼方法，在现有Mg－Al－Zn系列的AZ91合金的基础上，对合金的成分进行了重新设计，提高了合金中的Al含量、降低了Zn含量，加入了富Ce混合稀土RE以及Ti元素，适量增加了Be元素的含量，以改善镁合金铸造性能，提高其流动性，并使之具有高的抗拉强度和屈服强度。熔炼后采用浇包浇注，或者在低压铸造炉内采用压缩气体进行低压铸造。在不明显提高合金成本的情况下，本发明提出的高流动性消失模铸造镁合金的充型能力强，具有铸件成形性好、综合机械性能高和价格低廉的特点，市场应用前景广阔。
文档编号B22D21/04GK1523128SQ0315092
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