专利名称：一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法
技术领域：
本发明涉及一种提高镁合金力学性能的制备方法，特别提供了一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，可以大幅度地提高加钙阻燃镁合金铸态力学性能。
背景技术：
镁合金与钢铁、铝合金、工程塑料等材料相比，表现出轻质、高阻尼性、抗振、高导热性、抗电磁干扰、高电负性和易于回收等一些非常明显的性能优势，使得镁合金在交通工具、3C产品、阳极材料等领域受到越来越多的关注，被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。
镁合金制备的难题是易氧化和燃烧，这是与其他工程材料尤其是铝合金的一个重要差别。这给镁合金的生产带来了众多不便例如，要增加辅助设备和措施以防止燃烧等，因此限制了镁合金的应用和发展。
镁的化学活性很强，在空气中极易氧化，高温时氧化更为强烈。由于镁的氧化膜不致密且导热性很差，氧化反应释放出的热量无法及时散失，这就会引起熔体温度的升高，从而使氧化反应速度加快，释放更多的热量，形成恶性循环，燃烧反应更加剧烈。
进入20世纪90年代之后，镁合金的熔液保护技术不断提高和成熟。目前，阻止镁合金熔炼及其铸造时燃烧的主要方法有SF6混合气体保护、熔剂保护和合金化阻燃。镁合金熔剂主要有两种作用(1)覆盖作用熔融的熔剂借助表面张力的作用，在镁熔液表面形成连续、完整的覆盖层，隔绝空气，阻止Mg-O2、Mg-H2O反应，防止了镁的氧化，也能扑灭镁的燃烧。(2)精炼作用熔融的熔剂对非金属夹杂物具有良好的润湿、吸附能力，并利用熔剂与金属的密度差，把金属夹杂物随同熔剂自熔液中排除。熔剂保护法一个很大的缺陷是不能进行动态保护，这会给浇注过程带来太多不便，而且还会影响铸件的质量。这是因为镁合金铸件中的氧化夹杂和熔剂夹杂往往来自于浇注过程，浇注时熔剂很容易随熔液混入铸型中而形成熔剂夹杂。
合金化阻燃是在镁合金熔体中加入合金元素来起到阻燃作用。工业生产中常将Be添加到镁合金熔体中生成保护性氧化膜，提高熔体的抗氧化性能，阻止其燃烧。添加少量的Be能够提高镁合金的阻燃性能，但是Be含量过高会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。一般镁合金中Be的含量限定在0.02％以内，但是这一含量不足以实现镁合金的无保护熔炼。还有一个严重的问题是Be有毒，不仅对人体有害，而且废渣还危害环境。在镁合金熔液中加入大量的钙，可提高镁合金的起燃温度，阻止熔炼和浇注时的燃烧，日本学者秋山茂等人的研究结果表明当向纯镁熔体中添加钙含量达到5wt％时，第一个氧化燃烧点出现时的温度比纯镁高250℃，而且只要不发生机械破坏，燃烧就难以产生；同时，还证实镁-钙二元合金液的表面生成了一层致密氧化膜，其主要成分为氧化钙。虽然研究表明少量的钙(钙含量小于0.5wt％)能细化铸态组织和提高蠕变性能，可是加入少量钙时不能阻止镁合金熔体的燃烧。大量的研究证实当钙含量大于0.5wt％，随着钙含量的增加镁合金的力学性能会急剧恶化，这主要是由于钙含量过高导致在晶界出现了富钙的金属间化合物，极大地降低镁合金的力学性能，从而无法利用钙能提高镁合金燃点这一特性。因此，钙的阻燃一直没有得到实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，其工艺简单有效，适用范围广，能耗和成本低。
本发明的技术方案是本发明提供了一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，镁合金熔体在0.2-1.0T的磁场下凝固，对镁合金熔体添加钙进行合金化阻燃，钙加入量是镁合金重量的2-5％，阻止镁合金熔炼和浇注时的氧化和燃烧，并提高镁合金的强度和塑性。
本发明采用加入一定含量的钙，比如2-5wt％，能显著提高镁合金的燃点，从而实现镁合金在大气条件下的无保护熔炼和浇注。同时，应用磁场可以抑制熔体的对流，减少吸气和夹杂等缺陷，并且在磁场作用下凝固的材料具有择优取向，能明显提高材料的力学性能。
本发明具有下列优点1)本发明施加磁场后室温和高温的强度指标提高非常显著，高于未加磁场的铸态室温抗拉强度。
2)本发明加入2-5wt％的Ca不但可实现镁合金熔体在大气条件下的熔炼及浇注等动态过程保护，安全可靠；而且还有细化铸态组织和改善蠕变性能的作用。另外，钙价格低廉，不会增加太大的成本。
3)本发明磁场和钙的联合作用，既提高了镁合金的力学性能，又起到了阻燃效果，且工艺简单、操作方便。该方法只需在普通铸造的基础上增加一个磁场发生装置即可，相比常用的SF6气体保护法和熔剂保护法在工艺上简化很多。
4)本发明由于不需要任何搅拌，熔体凝固时液穴平稳，能有效避免金属的吸气和夹渣，有利于提高产品质量。
5)本发明装置简单，所用磁场可以用带有铁芯的线圈通直流电产生。不需要任何的变压器，直接采用工业电源即可使用。
6)本发明可以生产大规格铸锭和铸件。
7)本发明无污染、能耗低，适用合金范围宽，生产方式灵活。
8)本发明适用于Mg-Al合金系镁合金，如AZ91、AZ91D、AZ31、AM100、AM20、AE42、AS21等；Mg-Mn系镁合金，如MB1、MB8；Mg-Zn系镁合金，如ZK51、ZK61；Mg-RE系镁合金，如EQ21。
图1磁场施加方式示意图。
具体实施例方式
下面通过附图及实施例详述本发明如图1所示磁场施加方式，基座4上的模具2置于磁场发生装置1中，磁场发生装置1可以对镁合金熔体3施加磁场。
实施例1将一种镁合金(AZ91D)置于坩埚中，放入井式炉加热到720℃并保温至原料熔化，加入3wt％左右的钙并搅拌均匀并保温，加入六氯乙烷精炼除气，然后浇注到模具中，模具放置在磁场发生装置内。浇注完毕后，接通磁场发生装置，使合金在磁场的作用下凝固，大气条件下空冷，凝固结束后关闭磁场发生装置，脱模即可。
AZ91D合金的化学成分(wt％)如表1所示表1
采用本发明方法，在0.6特斯拉的磁场作用下，加入3wt％的钙，镁合金AZ91D的室温抗拉强度从104MPa提高到了214MPa，增加了106％。一般AZ91D铸态室温抗拉强度均低于170MPa，因此，在磁场的作用下AZ91D+3wt％Ca阻燃镁合金相比AZ91D至少提高了26％。
将本发明方法和普通铸造方法制备的镁合金的力学性能比较，几种合金的室温抗拉强度和断面收缩率的比较如表2所示表2
采用本发明方法与通常凝固方法制备的镁合金的力学性能对比，本发明方法制备的镁合金的的高温(300℃)力学性能如表3所示表3
实施例2将一定量的AE42镁合金置于坩锅中，放入井式炉加热至原料熔化后，加入2wt％左右的钙，搅拌均匀，并在720℃下保温20分钟。除气精炼后浇注到模具中，并在大气条件下空冷，0.5T的磁场作用下凝固。加入2wt％的钙后，AE42镁合金在熔炼和浇注过程中均未燃烧。在磁场的作用下，加钙后AE42合金的室温抗拉强度同未经磁场处理的AE42合金相比提高了120％左右，同一般铸态AE42合金相比提高了20％左右，其高温力学性能也提高10～20％。
实施例3将一定量的MB1镁合金置于坩锅中，放入井式炉加热至原料熔化后，加入4wt％左右的钙，搅拌均匀，并在720℃下保温20分钟。除气精炼后浇注到模具中，并在大气条件下空冷，0.35T的磁场作用下凝固。加入4wt％的钙后，MB1镁合金在熔炼和浇注过程中均未燃烧。在磁场的作用下，加钙后MB1合金的室温抗拉强度同未经磁场处理的MB1合金相比提高了100％左右，同一般铸态MB1合金相比提高了10％左右，其高温力学性能也提高5～10％。
实施例4将一定量的ZK40A镁合金置于坩锅中，放入井式炉加热至原料熔化后，加入5wt％左右的钙，搅拌均匀，并在730℃下保温20分钟。除气精炼后浇注到模具中，并在大气条件下空冷，0.7T的磁场作用下凝固。加入5wt％的钙后，ZK40A镁合金在熔炼和浇注过程中均未燃烧。在磁场的作用下，加钙后ZK40A合金的室温抗拉强度同未经磁场处理的ZK40A合金相比提高了90％左右，同一般铸态ZK40A合金相比提高了12％左右，其高温力学性能也提高6～14％。
权利要求
1.一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，其特征在于镁合金熔体在0.2-1.0T的磁场下凝固，对镁合金熔体添加钙进行合金化阻燃，钙加入量是镁合金重量的2-5％。
2.按照权利要求1所述的加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，其特征在于所述镁合金为Mg-Al合金系、Mg-Mn合金系、Mg-Zn合金系或Mg-RE合金系。
3.按照权利要求2所述的加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，其特征在于所述Mg-Al合金系，包括AZ91、AZ91D、AZ31、AM100、AM20、AEA2、AS21；所述Mg-Mn合金系，包括MB1、MB8；所述Mg-Zn合金系，包括ZK51、ZK61；所述Mg-RE合金系，包括EQ21。
全文摘要
本发明涉及一种提高镁合金力学性能的制备方法，特别提供了一种加钙阻燃镁合金的磁场制备方法，该方法采用对镁合金添加钙进行合金化阻燃，熔炼时钙加入量是镁合金重量的2－5％，以阻止镁合金熔炼和浇注时的氧化和燃烧，并使镁合金熔体在0.2－1.0T的磁场下凝固，从而阻止镁合金熔炼和浇注时的氧化和燃烧，并提高镁合金的强度和塑性；本发明装置简单，操作方便，能显著提高镁合金的室温和高温力学性能。
文档编号C22C23/00GK1847431SQ20051004626
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者杨院生, 唐军立, 周全, 胡壮麒 申请人:中国科学院金属研究所