专利名称：一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法
技术领域：
本发明涉及一种Mg-Mn系铸态镁合金晶粒的细化方法，属于金属材料及冶金领 域。
背景技术：
镁及其合金以其密度小、比强度比刚度高、导电导热性能好、电磁屏蔽能力强、易 于回收以及色泽美观等优良特性得到人们的广泛关注，尤其是在汽车减重方面具有极大潜 力，可以节能、降耗、减排。镁被誉为二十一世纪最轻的绿色金属结构材料。
镁能够广泛用于结构材料的前提之一是应具有良好的抗腐蚀性能。锰是提高镁耐 腐蚀性能的最有效的合金元素。因而镁锰系镁合金作为最早的商业化合金，在铸造产品如 核反应器构件，以及变形产品，包括板材、棒材、管材等方面均得到了应用。该系列最早的 商用合金牌号为MB1，含有1.3-2. 5wt^的Mn元素。合金的室温组织由a (Mg)固溶体和 13 (Mn)两相组成。但是，这类合金的缺点是铸态组织晶粒粗大，强度和塑性不高。
目前克服Mg-Mn合金上述缺点的方法是加入少量稀土元素Ce，形成Mg-Mn-Ce三元 合金，其商用合金牌号为MB8(0. 15-0. 35wt% )和MB14(2. 5-3. 5wt% )。与MB1相比，MB8 和MB14的强度和高温性能有明显改善。合金中的Ce —部分溶解于固溶体中，另一部分与 镁形成Mg12Ce强化相。但是，这种Mg12Ce相是通过L — a (Mg) +Mg12Ce的共晶反应以晶界粗 大共晶产物形式存在的，该相与基体之间不存在共格关系，其强化机制为过剩相强化，因此 强化作用有限；在一定范围内适当提高Ce含量，虽然可进一步提高合金强度，但是Mg^Ce相 体积分数的增加将大幅度降低合金的塑性，恶化合金的加工性能和使用性能。另外，Ce对 铸态合金晶粒没有明显的细化效果，某些研究表明Ce的加入反而使晶粒粗大。
众所周知，无论是铸件还是变形产品，总是希望得到细小晶粒的铸态组织。晶粒细 化不仅可以均匀组织、降低偏析程度、减少縮孔和疏松，还可以明显改善铸锭的后续加工性 能和使用性能，同时提高材料的强度和塑性。因此，铸态组织晶粒粗大已成为制约Mg-Mn系 合金广泛用于各种铸造产品和变形产品的关键因素。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明所解决的技术问题是提供一种晶粒细化效
果好，使铸件性能得到有效提高的用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的
晶粒细化方法，其特点在于，在Mg-Mn基体合金熔炼过程中加入总重量百分含量为0. 1
1. lX的Al元素和Er元素进行复合合金化，并且所加入的两种元素的原子百分比为3 : 1。
所述原子百分比即指原子百分含量之比。 本发明提供的采用Al、 Er元素复合合金化来细化Mg-Mn系铸态镁合金晶粒的方 法，具体包括以下步骤 1.在坩埚中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到75(TC ; 2.待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至300 350°C的Mg-Mn中间合金，全 部熔融后，搅拌3 5min，使合金液均匀化； 3.将合金液温度调整到75(TC，然后同时加入预先配置好的一定重量和比例的 Mg-Er中间合金和纯铝，Mg-Er中间合金和纯铝均预先加热至300 350°C ;所述一定重量 和比例，是指此步骤中加入Mg-Er中间合金和纯铝之后，应该使得Al元素和Er元素的比例 含量符合前述技术方案中的比例和含量。 4.待加入的Mg-Er中间合金和纯铝完全熔化后，搅拌20_30秒。调整合金液温度 到750°C ，保温5min，然后加入RJ-2进行精炼。在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部 翻上来的新的金属液面上； 5.调整合金液温度至75(TC静置30min ; 6.降温至715-725"，在C02+SF2气体保护下浇注。 相比现有技术，本发明具有如下有益效果 1.本发明在Mg-Mn基体合金中加入原子百分比为3 : 1的微合金化元素Al和Er， 使其在凝固过程中优先生成大量细小的异质相粒子Al3Er从合金液中析出，后凝固的镁熔 体将以这些异质相为形核核心生长，从而达到细化晶粒的目的。
本方法能细化Mg-Mn铸态合金晶粒的原理在于 在Mg-Mn合金中同时加入Al、Er元素，根据Mg、Mn、Al、Er四种元素之间的电负性 可知，A1-Er之间的电负性差值为0. 4，大于其余元素组合之间的差值，因此Er将首先与Al 元素结合形成Al3Er相。该相的晶体结构为面心立方(Ll2型)，晶格常数a二0.4215nm，其 次密排面(110)与镁基体的(llSl)面的晶面间距错配度为3.3%，而且八1，(110)面上的 最密排晶向d[TlO]与镁基体的(1151)的d[Slll]方向上的原子间距错配度为2.8%。根 据目前形核理论中的边对边匹配模型(Edge-to-edge mathcing model)，如果镁基体与异 质相颗粒沿某方向的原子间距错配度小于10%，并且包含这些匹配方向的匹配面之间的晶 面间距错配度小于6%，那么该颗粒将是镁晶粒的良好异质核心。根据这个模型可以推断 Al3Er可作为镁晶粒的有效异质核心。 在合金凝固过程中，由于A^Er熔点高(1067°C )，八1^1~将首先从熔体中弥散析出， 这些粒子为镁熔体凝固提供了大量的异质形核核心，并且Al3Er的熔点远远高于基体的熔 点，形成后不会回熔，稳定性好，可以起到良好的非均质晶核作用，从而使铸态晶粒得到有 效细化。 2.本发明采用一定比例的Al、 Er元素复合合金化、通过生成Al3Er异质核心质点 来细化晶粒的方法，不形成粗大共晶化合物相、不增加第二相的体积分数，避免了目前商业 应用中添加Ce对合金性能带来的不良影响。 3.本发明采用一定比例的Al、 Er元素复合合金化、通过生成Al3Er异质核心质点 来细化晶粒的方法，简单实用、易于操作。 4.本发明Mg-Mn系镁合金晶粒细化的方法可以在常规铸造设备上实现，不增加额 外投资，适用范围广。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明的实施工艺和效果作进一步说明。 实施例1 :基体合金为Mg-1. 8Mn，加入0. 1 % Er和0. 049% Al (比例为重量百分
比，在误差范围内使其与i : 3的原子百分比保持一致)。 具体步骤为在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750°C 。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至30(TC的Mg-4. 4Mn(wt% )中间合金，全部熔融后，搅拌3min。将合金液温度调整到75(TC，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt^ )中间合金以及纯度为99.995%的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至300°C。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌30秒，在75(TC保温5min，然后加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为75(TC静置30min，最后冷却到725。C在C02+SF2气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为400 ii m。同样铸造条件下，Mg-l. 8Mn合金的晶粒尺寸约为800iim。 实施例2 :基体合金为Mg-l. 8Mn，加入0. 4% Er和0. 194% Al (比例为重量百分
比，在误差范围内使其与i : 3的原子百分比保持一致)。 具体步骤为在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750°C 。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至35(TC的Mg-4. 4Mn(wt% )中间合金，全部熔融后，搅拌5min。将合金液温度调整到75(TC，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt^ )中间合金以及纯度为99.995%的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至33(TC。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌20秒，在75(TC保温5min，加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为75(TC静置30min，最后冷却到72(TC在C02+SF2气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为150iim。同样铸造条件下，Mg-1.8Mn合金的晶粒尺寸约为800iim。 实施例3 :基体合金为Mg-l. 8Mn，加入0. 7% Er和0. 340% Al (比例为重量百分
比，在误差范围内使其与i : 3的原子百分比保持一致)。 具体步骤为在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750°C 。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至32(TC的Mg-4. 4Mn(wt% )中间合金，全部熔融后，搅拌5min。将合金液温度调整到75(TC，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt^ )中间合金以及纯度为99. 995%的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至350°C。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌30秒，在75(TC保温5min，加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为75(TC静置30min，最后冷却到715。C在C02+SF2气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为200ym。同样铸造条件下，Mg-1.8Mn合金的晶粒尺寸约为800iim。
权利要求
一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，其特征在于，在Mg-Mn基体合金熔炼过程中加入总重量百分含量为0.1～1.1％的Al元素和Er元素进行复合合金化。
2. 根据权利要求l所述的一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，其特征在于， 所述合金中加入的Al元素和Er元素的原子百分比为3 : 1。
3. 根据权利要求1所述的一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，其特征在于 包括以下步骤1) 在坩埚中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖 剂，并加热到75(TC ;2) 待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至300 35(TC的Mg-Mn中间合金，全部熔 融后，搅拌3 5min，使合金液均匀化；3) 将合金液温度调整到75(TC，然后同时加入预先配置好的一定重量和比例的Mg-Er 中间合金和纯铝，Mg-Er中间合金和纯铝均预先加热至300 350°C ;4) 待加入的Mg-Er中间合金和纯铝完全熔化后，搅拌20-30秒，调整合金液温度到 750°C ，保温5min，然后加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ_2覆盖剂洒在从底部翻上 来的新的金属液面上；5) 调整合金液温度至75(TC静置30min ;6) 降温至715-725t:，在C02+SF2气体保护下浇注。
全文摘要
本发明涉及一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，它是在Mg-Mn基体合金熔炼过程中复合加入总重量百分含量为0.1～1.1％的Al元素和Er元素，并且所加入的两种元素的原子百分比为3∶1，使其在凝固过程中优先生成大量细小的异质相粒子Al3Er从合金液中析出，这些粒子为镁熔体凝固提供了大量、有效的异质形核核心，从而使铸态晶粒得到明显细化。本发明提供的晶粒细化方法简单有效、易于操作，可以在常规铸造设备上实现，不增加额外投资，适用范围广；并且与目前Mg-Mn系合金商业应用中添加Ce的方法相比，不形成粗大共晶化合物相、不增加第二相的体积分数，可以避免因此而对合金性能带来的不良影响。
文档编号B22D1/00GK101712069SQ20091019191
公开日2010年5月26日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者廖爱林, 张静, 方超, 潘复生, 袁付庆 申请人:重庆大学