Mg-Al-C中间合金及其制备方法和用途的制作方法

专利名称：Mg-Al-C中间合金及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种细化镁合金凝固晶粒的Mg-Al-C中间合金及其制备 方法和用途。本发明属于镁合金材料凝固技术领域。
背景技术：
用于细化镁合金凝固晶粒的镁基中间合金一直是人们关注的课题。 但目前除了专用于细化Mg-Zn系合金凝固晶粒的二元Mg-Zr中间合金 外，尚未有其它可用于细化凝固晶粒的镁基中间合金研发成功的报道。
镁合金中应用量大面广的合金为Mg-Al系合金。对Mg-Al系合金而 言，人们研究过各种物理化学方法来细化它的凝固晶粒，这些方法归根 结底都是想在镁合金熔体中引入AUC3相，这是因为Al4C3相与a-Mg同 为密排六方结构，晶格错配度也很小，所以很适合做镁的异质晶粒核心。 因此，历史上曾用MgC03、 CaC03或C2Cl6对Mg-Al系合金熔体进行过 细化处理；但是仍余留有如下问题 一是这些添加物虽然晶粒细化效果 较好，但是熔体翻巻严重，易产生氧化夹杂；二是用MgC03细化处理后 还要再进行二次精炼以去掉细化处理带入的夹杂物；三是二次精炼后又 进一步提高了 Mg的总烧损率；四是二次精炼后还要升温、保温、静置， 也延长了工艺时间。此外，用C2C16细化处理时有很大的环境污染，并 且反应剧烈，操作不安全，镁液烧损大，反应后熔渣粘稠，与合金液不 容易分离。如用CaC03细化，由于细化温度(760-780°C )显著高于通 常的精炼温度，所以精炼工序也就必须在细化之前进行。此时，如在细 化过程中产生新的氧化夹杂，就无法将其清除。用上述方法细化后熔体 必须在45分钟内浇铸完毕，否则容易细化失效、晶粒变粗。对Mg-Mn合金来说，碳化物细化晶粒的效应时间很短，不能适应 熔铸工艺时间长的要求，因此， 一直未能实用。
在本发明以前，针对上述问题，国内外采取的对策主要是采取加Sr 或加Ca的方法来细化凝固晶粒(这里主要是针对Mg-Al系合金)，但 晶粒细化效果很有限，而且在实际生产中使用时晶粒尺寸很不稳定，有 关细化机理也难以获得一致认可。

发明内容
本发明为解决上述一系列技术问题,发明了 一种Mg-A1-C中间合金， 其特征在于该中间合金包含95 50 wt%Mg、 3.75 37.5 wt%Al和 1.25~12.5 wt%C。
根据本发明的Mg-Al-C中间合金的第二相优选仅为AUC3相。
根据本发明的Mg-Al-C中间合金优选是采用粉末原位反应法与混合 粉末挤压法联合生产的。
根据本发明的Mg-Al-C中间合金可用于细化镁合金凝固晶粒。
根据本发明的Mg-Al-C中间合金中AUC3相的含量一般不低于5 wt %，否则在实际使用时会大大增加中间合金的用量，但是也不宜超过50 wt%,否则会降低中间合金中第二相的均匀性、增加挤压的难度。
本发明还涉及一种用于制备所述Mg-Al-C中间合金的方法，其特征 在于根据粉末原位反应法，将铝粉和石墨粉按A14C3化合物中Al与C 的质量比3:1称量，混合均匀，然后装入反应罐中，将反应罐置入气氛 保护炉中进行反应1 ~2小时，获得A14C3化合物粉体。
根据混合粉末挤压法，将5 50 wt%的AUC3化合物粉体与95~50 wt %的Mg粉一起混合均匀，然后进行热挤压。
在热挤压之前优选预先将粉末混合物压制成坯。进行热挤压获得杆 状物，挤压圆杆的直径为8 20mm。挤压比一般不超过50，否则会降低 杆状物表面质量，挤压比优选为8 50。优选将热挤压获得的杆状物进一步分切为每根重100g的短杆。
#^居本发明的方法特别优选地包括以下步骤
① 合成AUC3化合物。
将铝粉和石墨粉按AUC3化合物中Al与C的质量比3: 1称量好、混 合均匀，然后装入专用的、生产性反应罐中，将反应罐置入专用的、生 产性气氛保护炉中进行原位反应1 2小时，待反应完全并冷却后取出反 应罐中的AUC3化合物粉体并及时密封好。
② 混合Mg粉与A14C3粉。
将上述A14C3化合物粉体与Mg粉按一定比例装入专用的、可防止
Al4C3化合物粉体发生水解反应的混合罐中混合均匀。通常，AUC3粉与
Mg粉的质量比为(5~50 ) : ( 95~50 ),即最后Mg-Al-C中间合金的成 分为Mg: 95~90wt%， AI: 3.75 37.5 wt% , C: 1.25~12.5 wt% 。混合 结束后，立即取出粉体并及时密封好。
③ 预制挤压坯。
将混合均匀的上述粉体装入圆筒形模具中压实至理论密度的60 80 %,坯料直径一般为40-100 mm，坯料高度根据具体的挤压比来决定。
加热、挤压预制坯。
在水平挤压机上加热、挤压上述预制坯，挤出品为圆杆状，杆直径 即为目前习惯的尺寸8 20mm，挤压比一般为8~50。挤压时，可连续挤 压预制坯料。
⑤切杆。
最后，将上述挤压杆按每根100克重分切成短杆，并包装。 这里将上述预制坯加工成杆状， 一是为了得到变形组织，使A14C3 化合物分布更均匀，二是为了应用的方便。例如，以每根杆重100克作 为计量单位，符合工业上的使用习惯，添加使用时会比较方便。
本发明生产Mg-Al-C中间合金的方法，其特征还在于严格按照上 述工艺方法生产的Mg-Al-C中间合金，其中笫二相仅包括AUC3相，不含有游离态的Al。
本发明中介绍的Mg-Al-C中间合金的使用方法与各类晶粒细化用中 间合金的使用方法没有不同，即根据添加比例直接将中间合金加入熔化 或保温炉中并搅拌均匀即可。


图1为制备的Mg-Al-C中间合金的X射线衍射谱，经标定，其中含 有即3相。
图2(a)、 2(b)为纯Mg经Mg-Al-C中间合金细化处理前后凝固晶粒 大小的宏观对比图,图2(a)表示细化处理前的纯Mg的宏观凝固晶粒大小， 图2(b)表示细化处理后的纯Mg+0.6wty。Mg-Al-C的宏观凝固晶粒大小。
图3(a)、 3(b)为Mg-Al系的AZ31合金经Mg-Al-C中间合金细化处 理前后合金凝固晶粒大小的宏观对比图，图3(a)表示细化处理前的AZ31 的宏观凝固晶粒大小，图3(b)表示细化处理后的AZ31+0.4wt%Mg-Al-C 的宏观凝固晶粒大小。
图4(a)、 4(b)为Mg-Zn系的Mg-5 %Zn合金经Mg-Al-C中间合金细 化处理前后合金凝固晶粒大小的宏观对比图，图4(a)表示细化处理前的 Mg-5 %Zn的宏观凝固晶粒大小，图4(b)表示细化处理后的Mg-5 %Zn + 0.4wt%Mg-Al-C宏观凝固晶粒大小。
具体实施例方式
①将0.75 kg铝粉与0.25 kg石墨粉混合均勻，并将之置入反应罐中 高温(例如1000 20001C)反应1小时，然后将反应形成的化合物A14C3 与15.67 kg镁粉迅速混合均匀(即6 wt% A14C3与94 wt%Mg混合)，并 分批压成预制坯料，每个坯料重为0.5kg，直径为84mm，长度约为84 mm;然后加热每个坯料至320。C并按才齐压比49挤压成直径为12 mm的 Mg-Al-C中间合金杆，挤出长度约为2457mm。随后，切成5根490mm 长的杆状产品，每根100g。该批原料共可加工约160根、每根100g的 杆状中间合金。也可将上述加热过的预制坯连续送入挤压筒进行连续挤压，从而得 到连续长度更长的挤压杆，以利提高生产效率。以下实施例相同。
② 将1.5 kg铝粉与0.5 kg石墨粉混合均匀，并将之置入反应罐中高 温(例如1000 ~ 20001C )反应2小时，然后将反应形成的化合物A14C3 与31.33kg镁粉迅速混合均匀(即6 wt% A14C3与94 wt%Mg混合)，并 分批压成预制坯料，每个坯料重为0.5 kg，直径为84 mm,长度为84 mm; 然后加热每个坯料至320。C并按挤压比49挤压成直径为12 mm的 Mg-Al-C中间合金杆，挤出长度为4914 mm长。随后，切成10根490 mm 长的杆状产品，每根100g。该批原料共可加工160根、每才艮100g的杆 状中间合金。该批原料共可加工330根、每根100 g的杆状中间合金。
③ 将0.75 kg铝粉与0.25 kg石墨粉混合均匀，并将之置入反应罐中 高温(例如1000 20001C)反应1小时，然后将反应形成的化合物A14C3 与15.67 kg镁粉迅速混合均匀(即6 wt% A14C3与94 wt%Mg混合)，并 分批压成预制坯料，每个坯料重为0.5 kg,直径为70 mm,长度为120 mm; 然后加热每个坯料至320。C并按挤压比49挤压成直径为10 mm的 Mg-Al-C中间合金杆，挤出长度约为3540mm。随后，切成5根707 mm 长的杆状产品，每根100g。该批原料共可加工约160根、每根100g的 杆状中间合金。
将1.5 kg铝粉与0.5 kg石墨粉混合均匀，并将之置入反应罐中高 温(例如1000~ 2000匸)反应2小时，然后将反应形成的化合物A14C3 与31.33 kg镁粉迅速混合均匀(即6 wt% A14C3与94 wt。/oMg混合)，并 分批压成预制坯料，每个坯料重为0.5 kg，直径为70 mm,长度为120 mm; 然后加热每个坯料至320。C并按挤压比49挤压成直径为10 mm的 Mg-Al-C中间合金杆，挤出长度为7080 mm长。随后,切成10才艮707 mm 长的杆状产品，每根100g。该批原料共可加工330根、每根IOOg的杆 状中间合金。
上述实施例①至④中，AUC3含量均为6wt%，挤压比均为49，区别仅在于预制坯料的长度和直径以及挤压圆杆的直径，但这并不意味着具
体实施形式仅限于上述四种。只要把A14C3含量控制在5 50 wt %范围内 以及挤压比选择在8 50内，均可加工成质量合格、使用效果好的、工业 使用规格的Mg-Al-C中间合金杆状物。然而，考虑到经济成本与生产效 率，AUC3含量优选下限值。
⑤ 将制备的Mg-Al-C中间合金加入纯Mg熔体，中间合金加入量为 纯Mg质量的0.2-0.8%，加入温度等同于纯Mg的熔炼温度。其凝固晶 粒细化效果如图2(b)所示，其中图2(a)为未添加Mg-Al-C中间合金时同 样凝固条件下纯Mg的凝固晶粒大小。
⑥ 将制备的Mg-Al-C中间合金加入Mg-Al系的AZ31合金，加入 量为AZ31合金质量的0.2-0.8%，加入温度等同于AZ31合金的熔炼温 度。其凝固晶粒细化效果如图3(b)所示，其中图3(a)为未添加Mg-Al-C 中间合金时AZ31合金的凝固晶粒大小。未添加中间合金时不同凝固条 件下AZ31合金的凝固晶粒大小各不相同，有发达的柱状晶，有因铸锭 小、凝固速度快而在一定程度上细化了的。此处仅表示了相对晶粒尺寸， 下同。
⑦将制备的Mg-Al-C中间合金加入Mg-Zn系合金，合金含Zn 量为5%，合金不含Zr，中间合金加入量为Mg-Zn合金质量的0.2-0.8 %,加入温度等同于Mg-Zn合金的熔炼温度。其凝固晶粒细化效果如 图4(b)所示，其中图4(a)为未添加Mg-Al-C中间合金时同样凝固条件 下Mg-Zn合金的凝固晶粒大小。
权利要求
1. 一种Mg-Al-C中间合金，其特征在于该中间合金包含95～50wt％Mg、3.75～37.5wt％Al和1.25～12.5wt％C。
2. 根据权利要求1所述的Mg-Al-C中间合金，其特征在于该中 间合金的第二相仅为AUC3相。
3. 根据权利要求1或2所述的Mg-Al-C中间合金，其特征在于 该中间合金是采用粉末原位反应法与粉末挤压法联合生产的。
4. 用于制备根据权利要求1至3之一所述的Mg-Al-C中间合金的 方法，其特征在于首先根据粉末原位反应法，将铝粉和石墨粉按AUC3 化合物中Al与C的质量比3 : 1称量，混合均匀，然后装入反应罐中， 将反应罐置入气氛保护炉中进行反应1~2小时，获得AUC3化合物粉体； 然后根据混合粉末挤压法，将5 50 wt%的AUC3化合物粉体与95~50 wt %的Mg粉一起混合均匀，然后进行热挤压。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于在热挤压之前预先将 粉末混合物压制成坯。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于进行热挤压获得 杆状物，挤压比为8~50，挤压圆杆的直径为8 20rnm。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于将热挤压获得的杆状 物进一步分切为每根重100 g的短杆。
8.根据权利要求1至3之一所述的Mg-Al-C中间合金用于细化 镁合金凝固晶粒的用途。
全文摘要
本发明涉及一种细化镁合金凝固晶粒的Mg-Al-C中间合金及其制备方法和用途。该合金是用粉末原位反应法与混合粉末热挤压法联合生产的。在该方法中，首先通过原位反应法制备Al₄C₃化合物粉体，然后将Mg粉与Al₄C₃粉按设定的比例混合，该比例为Mg95～50wt％，Al₄C₃5～50wt％；接着将混合好的粉末预制成挤压坯料，然后通过热挤压法将预制坯挤压成工业使用规格的杆材。该中间合金成分为Mg95～90wt％，Al3.75～37.5wt％，C1.25～12.5wt％，该中间合金相组成为α-Mg相与Al₄C₃相。
文档编号C22C1/05GK101519745SQ20081018245
公开日2009年9月2日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者李建国, 汪长安, 谭敦强 申请人:清华大学