专利名称：电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金凝固组织的细化工艺方法，具体的说，涉及一种电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，属于金属材料与冶金技术领域。
背景技术：
镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高以及原材料价格较低等显著优点，受到越来越广泛的重视。镁合金在汽车、航空航天、军工、3C产品等领域具有广阔的应用前景。我国是镁资源和镁合金生产大国，镁和镁合金锭产量占世界总产量的一半以上，进一步开发镁合金新型强化技术符合镁合金国家工程研究发展战略需要。众所周知，晶粒细化技术是在不牺牲强度指标前提下有效提高材料塑性的唯一途径，无论是铸态组织还是经过热处理后的热处理组织。目前，铸造镁合金主要通过添加Zr以实现凝固组织的细化。在熔炼过程中，Zr收得率极低，一般小于30%，因此，Zr对镁合金 凝固组织细化程度的影响也非常有限。有研究表明，电流以其特有的能量输出方式能够更有效地细化合金凝固组织，其作用机理为降低相变驱动力，提高形核率；磁致收缩效应与剪切应力破碎枝晶、球化晶粒、抑制长大、降低偏析。电流本身具有环境友好、施加简便、效果显著的特点，在钢铁、铝合金、钛合金凝固组织细化领域已有少量应用，但在镁合金领域尚处于科学研究阶段。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术单一使用Zr对镁合金凝固组织进行细化的不足，提供一种电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，采用物理细化与化学细化相结合的复合方法，达到爆发形核、晶核增殖的效果，进一步细化镁合金凝固组织，提高镁合金力学性能，拓宽镁合金的应用范围。为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题—种电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于在镁合金熔炼过程中添加Zr细化剂，在镁合金凝固过程中通入电流直至镁合金完全凝固。本发明所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其包括以下具体步骤(I)在模具的铸型中安置电极，并将电极与电源相接，预先调节好电流参数；(2)依次通过常规的熔化、精炼、扒渣和去皮工序对镁合金进行熔炼；(3)待镁合金母液温度调整至设定温度，添加Zr细化剂并进行搅拌、静置；(4)向模具的铸型中浇注镁合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，得到细化的镁合金凝固组织。所述电极的材料为镁、铝、锌、铜、石墨或钢。所述步骤(3)中的设定温度为780 800°C。所述Zr细化剂为海绵Zr、化合物加Zr、混合盐加Zr和中间合金加Zr中的一种或几种的混合物。所述电流为直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流。所述的直流电流为60A。所述的脉冲电流为峰值100A，频率为200Hz。所述的交流电为1000A，1000Hz。本发明思路新颖，集化学、物理细化技术于一体，具有复合细化功能，采用基本的铸造工艺方法与简单的生产设备，实现了镁合金凝固组织的细化，因而本发明具有以下优
点
I、本发明首次将Zr细化方法与电流细化技术进行融合，实现了第二相的弥散分布，通过电流的扰动更好地减少了冷隔、缩松与偏析等铸造固有缺陷，显著提高了镁合金铸锭的品质及铸件的强度与韧性。2、通电过程中，电极材料的扩散对镁合金起到了少量补偿合金元素的作用。
图I为电流处理装置示意图。图2为实施例一中，相同Zr含量不同处理工艺下得到的WE43镁合金凝固组织，其中，图2 (a)为Zr细化处理得到的1#铸件，图2 (b)为电流和Zr复合细化处理得到的2#铸件。图3为实施例二中相同Zr含量不同处理工艺得到的ZM6镁合金凝固组织，其中，图3 (a)为Zr细化处理得到的1#铸锭，图3 (b)为电流和Zr复合细化处理得到的2#铸锭。图4为实施例三中相同Zr含量不同处理工艺得到的ZM2镁合金凝固组织，其中，图4 (a)为Zr细化处理得到的1#铸件，图4 (b)为电流和Zr复合细化处理得到的2#铸件。上述图中，I-保护气混合装置，2-电阻炉温控器，3-热电偶，4-吹气管，5-熔炼坩埚，6-电极夹具，7-电极，8-铸型，9-电源。
具体实施例方式本发明首次将物理细化与化学细化进行融合，通过电流与Zr联合使用细化镁合金凝固组织，即在镁合金熔炼过程中添加Zr，在镁合金凝固过程中通入电流直至镁合金完全凝固。下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。本发明所述电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法采用如图I所示的电流处理装置实现。该电流处理装置包括保护气混合装置I、电阻炉温控器2、热电偶3、吹气管4、熔炼坩埚5、电极夹具6、电极7、铸型8和电源9。熔炼坩埚5用于熔炼镁合金，其放置于电阻炉中；电阻炉温控器2用以控制熔炼坩埚5中熔体的温度，并且与安置在熔炼坩埚5中的热电偶3相连；保护气混合装置I用以混合保护气体，并且与通入熔炼坩埚5中的吹气管4相连；铸型8用以浇注铸件；电极7安置于铸型8中，并且与电源9连接以通入电流；电极夹具6用以夹持电极7。本发明所述方法的具体步骤简述如下(I)在模具的铸型8中安置电极7，并将电极7与电源9相接，预先调节好电流工艺参数；(2)依次通过常规的熔化、精炼、扒渣和去皮工序，对熔炼坩埚5中的镁合金内进行熔炼；(3)待镁合金母液温度稳定至设定温度，添加一定量的Zr并进行搅拌、静置；(4)待母液温度降至740 760°C时，向模具的铸型8中浇注镁合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，即可得到晶粒细小、第二项弥散、组织均匀的细化的镁合金凝固组织。 下面通过一些常见铸造镁合金的实施例，对本发明作进一步的说明。为了对结果进行对比分析，实施例中与本发明所述方法同时实施的还有用常规Zr细化工艺浇注的铸件。实施例一WE43 续合金(Mg-4wt. % Y~2wt. % Nd-lwt. % Gd_0. 5wt. % Zr，其中，wt. %是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)配料熔化精炼过程如下所有工具提前刷涂料，工具、炉料、精炼剂均在180°C烘干4小时以上；开启电阻炉，预热不锈钢熔炼坩埚5至暗红色后，加入镁锭，500°C时开始通过保护气混合装置I和吹气管4通入体积比为100 I的C02+5F6保护气体直至熔铸工作全部完成；将熔炼坩埚5升温至690°C直至纯镁全部熔化，将温度调整至720 740°C，温度稳定后加入Mg-25wt. % Y中间合金；待其完全熔化，熔体温度稳定在720 740°C时，加入混合稀土中间合金(Mg-25wt. % Nd和Mg_25wt. % Gd)，完全融化后通过精炼勺搅拌2分钟；将温度调整至800°C加入质量为合金总量I. 5%的混合Zr盐(质量比为K2ZrF6 ZrCl4 KCl = 2 2 I)，待完全熔化后捞底搅拌7 10分钟，然后静置5 lOmin，待温度降至750 760°C范围内进行精炼，用精炼勺沉入距合金液面三分之二处精炼搅拌8 lOmin，捞底清渣；将温度调整至795°C静置10 15min，降温至760°C清除液面熔渣后进行浇注。常规方法浇铸得到铸件1#。另在铸型8中安置石墨电极7，打开电源9，采用直流电流，调节电流为60A，将母液浇注至铸型8中，从浇注开始保持电流的持续工作直至整个凝固过程结束，关闭电源开关，得到铸件2#。选取两铸件相同部位进行组织分析，如图2所示，图2 (a)为采用Zr细化的WE43镁合金凝固组织，图2 (b)是电流与Zr复合细化的WE43镁合金凝固组织。ICP-MS成分检测结果表明，Zr的质量百分比含量1#为0. 48wt. %,2#为 0. 49wt. %。结果表明，与单一使用Zr细化得到的WE43镁合金凝固组织相比，采用本发明方法得到的WE43镁合金组织中初生a-Mg相与共晶组织均得到明显细化，其中初生a-Mg相晶粒更加圆整、尺寸减少为前者的2/3，共晶组织呈弥散分布。实施例二ZM6 镁合金(Mg_2. 6wt. % Nd-O. 6wt. % Zn-O. 8wt. % Zr)配料熔化精炼过程如下所有工具提前刷涂料，工具、炉料、精炼剂均在180°C烘干4小时以上；开启电阻炉，预热不锈钢熔炼坩埚5至暗红色后，加入镁锭，500°C时开始通入体积比为100 I的0)2+5 6保护气体直至熔铸工作全部完成；将熔炼坩埚5升温至690°C直至纯镁全部熔化，将温度调整至720 740°C，温度稳定后加入Zn ;待Zn完全熔化，熔体温度稳定在720 740°C时，力口A Mg-30wt. % Nd中间合金，完全融化后通过精炼勺搅拌2分钟；将温度调整至790°C加入质量为合金总量3. 5%的含Zr化合物(质量比为K2ZrF6 NaCl KCl = 2 I 1)，待完全熔化后捞底搅拌7 10分钟；静置5 lOmin，待温度降至750 760°C范围内进行精炼，用精炼勺沉入距合金液面三分之二处精炼搅拌8 lOmin，捞底清渣；将温度调整至790°C静置10 15min，降温至750°C清除液面熔渣后进行浇注。常规浇铸得到铸锭1#。另在铸型8中安置钢电极7，打开电源9，采用交流电流，调节电流为100A，频率为200Hz，将母液浇注至铸型8中，从浇注开始保持电流的持续工作直至整个凝固过程结束，关闭电源开关，得到铸锭2#。选取两铸锭相同部位进行组织分析，如图3所示，图3 (a)为采用Zr细化的ZM6镁合金凝固组织，图3 (b)是电流与Zr复合细化的 ZM6镁合金凝固组织。ICP-MS成分检测结果表明，Zr的质量百分比含量:1#为0. 41wt. %,2# 为 0. 43wt. %0与单一使用Zr细化得到的ZM6镁合金凝固组织相比，采用本发明方法得到的ZM6镁合金组织中初生a -Mg相与共晶组织均得到明显的细化，其中初生a -Mg相晶粒更加圆整、尺寸减少为前者的1/2，共晶组织呈弥散分布、多为短棒状、且含量有所降低。实施例三ZM2 镁合金(Mg_4. 2wt. % Zn-NdI. 5wt. % -0. 6wt. % Zr)配料熔化精炼过程如下所有工具提前刷涂料，工具、炉料、精炼剂均在180°C烘干4小时以上；开启电阻炉，预热不锈钢熔炼坩埚5至暗红色后，加入镁锭，500°C时开始通入体积比为100 I的C02+SF6保护气体直至熔铸工作全部完成；将熔炼坩埚5升温至690°C直至纯镁全部熔化，将温度调整至720 740°C，温度稳定后加入Zn ;待Zn完全熔化，熔体温度稳定在720 740°C时，加入富铈混合稀土，完全融化后通过精炼勺搅拌2分钟；将温度调整至780°C加入质量为合金总量
0.8%的Mg-30wt. % Zr中间合金，待完全熔化后捞底搅拌7 10分钟；静置5 IOminJt温度降至750 760°C范围内进行精炼，用精炼勺沉入距合金液面三分之二处精炼搅拌8 lOmin，捞底清渣；将温度调整至780°C静置10 15min，降温至740°C清除液面熔渣后进行浇注。常规浇铸得到铸件1#。另在铸型8中安置锌电极7，打开电源9，采用脉冲电流，电流为1000A，频率为1000Hz，将母液浇注至铸型8中，从浇注开始保持电流的持续工作直至整个凝固反应过程结束，关闭电源开关，得到铸件2#。选取两铸件相同部位进行组织分析，如图4所示，图4(a)为采用Zr细化的ZM2镁合金凝固组织，图4(b)是电流与Zr复合细化的ZM2镁合金凝固组织。ICP-MS成分检测结果表明，Zr的质量百分比含量:1#为0. 65wt. %,2# 为 0. 66wt. %。与单一使用Zr细化得到的ZM2镁合金凝固组织相比，采用本发明方法得到的ZM2镁合金组织中初生a-Mg相与共晶组织均得到明显细化，初生a-Mg相晶粒更加圆整、尺寸减少为前者的1/3，共晶组织呈弥散分布、多为密集短棒状、且含量有所降低。综合上述的三个实施例，实验结果证明相比使用Zr单独细化处理得到的镁合金凝固组织，通过本发明所述方法得到的凝固组织更加细小，球化程度更高，第二相实现了弥散的分布状态，冷隔、缩松与偏析等铸造固有缺陷均有不同程度的改善。权利要求
1.一种电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于在镁合金熔炼过程中添加Zr细化剂，在镁合金凝固过程中通入电流直至镁合金完全凝固。
2.根据权利要求I所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述方法包括以下具体步骤 (1)在模具的铸型中安置电极，并将电极与电源相接，预先调节好电流参数； (2)依次通过常规的熔化、精炼、扒渣和去皮工序对镁合金进行熔炼； (3)待镁合金母液温度调整至设定温度，添加Zr细化剂并进行搅拌、静置； (4)向模具的铸型中浇注镁合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，得到细化的镁合金凝固组织。
3.根据权利要求2所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述电极的材料为镁、铝、锌、铜、石墨或钢。
4.根据权利要求2所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述步骤(3)中的设定温度为780 800°C。
5.根据权利要求I或2所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述Zr细化剂为海绵Zr、化合物加Zr、混合盐加Zr和中间合金加Zr中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求I和2所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述电流为直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流。
7.根据权利要求6所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述的直流电流为60A。
8.根据权利要求6所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述的脉冲电流为峰值100A，频率为200Hz。
9.根据权利要求6所述的电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于所述的交流电为1000A，1000Hz。
全文摘要
一种电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，在镁合金熔炼过程中添加Zr细化剂，在镁合金凝固过程中通入电流直至镁合金完全凝固；其具体步骤如下(1)在铸型中安置电极，并将电极与电源相接，预先调节好电流参数；(2)通过常规的熔化、精炼、扒渣和去皮工序对镁合金进行熔炼；(3)待镁合金母液温度调整至设定温度，添加Zr细化剂并进行搅拌、静置；(4)向铸型中浇注镁合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，得到细化的镁合金凝固组织。本发明采用物理细化与化学细化相结合的复合方法，能够获得晶粒更细小、组织更均匀和缺陷明显降低的镁合金组织，提高了镁合金力学性能，所述方法适用于镁合金的凝固细化。
文档编号C22C1/02GK102672146SQ20121013936
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者丁文江, 刘文才, 吴国华, 庞松, 魏广玲 申请人:上海交通大学