一種對鎂合金晶粒進行鋯細化的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鎂合金凝固組織的細化工藝方法，具體的說，涉及的是一種鎂合金晶粒鋯細化方法。
【背景技術】
[0002]鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、導熱性好、機加工性能優良等優點，在汽車、國防軍工、航空、航天、電子等工業領域有著十分廣泛的應用前景。鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，而我國是鎂資源和鎂合金生產大國，占全球產量的40%，被譽為“鎂的資源大國、生產大國、出口大國”。但鎂合金是密排六方(HCP)晶體結構，室溫下只有3個獨立的滑移系，鎂合金的塑性變形能力較差，其晶粒大小對力學性能的影響十分顯著。鎂合金結晶溫度范圍較寬，熱導率較低，體收縮較大，晶粒粗化傾向嚴重，凝固過程中易產生縮松、熱裂等缺陷。因此，為了改善鎂合金的力學性能，減少縮松、減小第二相的大小和改善鑄造缺陷，可通過細化晶粒來調整材料的組織和性能，改善鎂合金的強韌性和塑性變形能力。
[0003]按照鎂合金的相狀態，細化領域可分為液態細化、半固態細化、固態細化和非平衡細化。(I)液態細化主要是指，鑄造時加入細化元素、晶粒細化劑；或借助外部能量使枝晶破碎或促進形核，如超聲、脈沖電流；澆鑄采用快速冷卻等；(2)半固態成形細化，是利用半固態區間的細小球形晶粒組織；(3)固態細化，即鑄錠進行大塑性變形(SPD)處理，如等通道擠壓(ECAE)和軋制等；(4)非平衡細化:是指偏離平衡狀態的情況，如快速凝固、甩帶、粉末冶金等。其中，液態細化是最基礎的環節。
[0004]鎂合金鑄造過程中添加有效的晶粒細化劑是非常基礎的環節，除含Al、Mn、S1、Fe等元素的鎂合金外(鋯會與它們反應而失效)，鎂合金中一般都添加鋯以細化晶粒，可以減小熱裂傾向、提高組織均勻性，提高合金的強度、塑性和抗蠕變性、耐蝕性，可以說，鋯(Zr)是鎂合金最有效的細化劑之一。常用的鋯加入方法包括:(I)使用不同形式的金屬Zr ; (2)使用海綿Zr ； (3)使用Zn-Zr中間合金，適合于含Zn的鎂合金；(4)使用Zr02 ； (5)使用某種Zr的鹵鹽，或是鹵鹽與其他鹽的混合物；(6)使用Mg-Zr中間合金。目前主要是以二元Mg-Zr中間合金的形式加入，Mg-Zr中間合金的生產方法主要有鋯粉與鎂對摻法(摻熔法)、液態鎂陰極電解法、鎂還原ZrC14法和鎂還原K2ZrF6法。經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利號為ZL200410020594.9的專利公開了一種鎂鋯中間合金的生產方法，生產工藝簡單，操作容易。不過，該鎂鋯中間合金的生產方法需要將還原爐抽真空并加入惰性氣體，質量難以控制，合金雜質偏高；同時，該鑄態鎂鋯中間合金晶粒粗大，鋯分布不均勻，當鋯加入鎂合金中呈固態，難于溶解，且鋯在鎂合金中分布不均勻，細化效果較差；加之和鎂液比重差大，易于沉淀或形成比重偏析。上述問題的存在導致在實際生產中大量稀有金屬Zr的浪費，提高了合金鑄造成本，成為獲得穩定晶粒細化效果的瓶頸。

【發明內容】

[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種鎂合金晶粒鋯細化方法。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0007]一種對鎂合金晶粒進行鋯細化的方法，其包括如下步驟:
[0008]a、將鋯氟酸鉀或四氯化鋯和鎂錠分別進行烘干后，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護下，于900?1300°C進行還原反應35?45min后，在10?15kg/min的澆鑄速度、1040?1070°C的澆鑄溫度、200?400Hz的電磁振動頻率下澆鑄4?5min，得到鎂鋯中間合金錠；
[0009]b、將所述鎂鋯中間合金錠進行預變形處理，得到鎂鋯中間合金細化劑；
[0010]C、將鎂合金原料進行熔煉后，在750?780°C下加入所述鎂鋯中間合金細化劑，撇去表面浮渣后，進行攪拌、扒渣、去皮處理即可。
[0011]作為優選方案，所述鎂錠:四氯化鋯:NaCl:KC1的重量比為1:(1?2): (0.5?1.5):(0.5?1.5)。優選地，所述鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的重量比為1: (I?1.8):(0.5 ?1.5): (0.5 ?1.5)。
[0012]作為優選方案，步驟b中所述預變形處理方法為擠壓或軋制。
[0013]作為優選方案，所述擠壓的方法為將所述鎂鋯中間合金在300?400 °C下預熱2?3h后，于300?500°C下，以8?30的擠壓比進行擠壓。
[0014]作為優選方案，所述軋制的方法為將所述鎂鋯中間合金在450?550°C的溫度下預熱2?3h后，于300?500°C下，以4?15道次進行軋制。
[0015]作為優選方案，步驟c中所述的攪拌時間為3?6min。
[0016]對于鎂鋯中間合金，影響鎂合金細化效果的主要因素為鎂鋯中間合金內的Zr粒子尺寸分布狀態。5 μπι以內的Zr粒子數量密度越高，則細化效果越強。大塑性變形因其強力的破碎及變形作用，可細化材料組織。若采用大塑性變形工藝(如擠壓和軋制等)對鎂鋯中間合金進行預變形處理，細化鎂鋯中間合金晶粒，特別使鎂鋯中間合金中的Zr團完全被碎化為細小的Zr粒子，大幅度增加5 μ m以下Zr粒子所占的比例。然后使用各種大塑性變形工藝制備的鎂鋯中間合金細化鎂合金，產生更多可形核Zr粒子，從而提高了細化效果O
[0017]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0018]本發明采用的細化劑是預變形處理的鎂鋯中間合金，鋯顆粒細小且分布均勻，當該鎂鋯中間合金加入到鎂合金熔體后，細小的鋯顆粒在鎂合金熔體中分布均勻，且不宜沉淀，鋯元素收得率高，抗衰退性更強，減少鋯的損耗，細化效果好，鎂合金組織分布均勻，提高了鎂合金產品質量，適合實驗和工業應用。
【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0020]圖1為經本發明制備Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片；
[0021]圖2為經本發明制備Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片；
[0022]圖3為經本發明制備Mg-6Zn-0.5Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片；
[0023]圖4為經本發明制備Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片；
[0024]圖5為經本發明制備Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片；
[0025]圖6為經本發明制備Mg-6Zn-0.5Zr鎂合金的鑄態的金相組織照片。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0027]實施例1
[0028]步驟一，鎂鋯中間合金的制備:(a)對鋯氟酸鉀和鎂錠在150°C下預熱40分鐘去游離水；(b)將經烘干預處理后的鋯氟酸鉀和鎂錠放入溫控保溫翻轉爐內的不銹鋼坩禍中進行還原反應，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護下，一步還原成形生產出鎂鋯中間合金錠，鋯含量15wt.% ;鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的用量比為1:1:0.5:0.5 ;還原溫度為900°C，還原時間為35分鐘；還原反應結束后控制反應物成形，電磁振動澆鑄模系統澆鑄速度為10kg/min，澆鑄溫度為1040°C，電磁振動頻率為200Hz，時間4min ； (c)使用擠壓設備對所述鎂鋯中間合金錠進行預變形處理，擠壓工藝為:鎂鋯中間合金預熱溫度400°C，預熱時間2小時，擠壓模具溫度500°C，擠壓溫度300°C，擠壓比30 ；
[0029]步驟二，Mg-10Gd-3Y-0.5Zr (GW103K)鎂合金的熔煉和制備:所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時以上。開啟電阻爐，預熱不銹鋼坩禍至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時開始通入體積比為100:1的0)2+5?6保護氣體直至熔鑄工作全部完成。將坩禍電阻爐升溫至690°C直至純鎂全部熔化，將溫度調整至720?740°C，溫度穩定后加入Mg-30% Gd中間合金，熔化后熔體溫度回升至720?740°C時再加入Mg-25% Y中間合金，將爐溫升至750°C后加入擠壓處理的Mg-15wt% Zr中間合金，待其熔化后撇去表面浮渣，攪拌3min，再將爐溫升至780°C保溫1min后降溫至750_760°C不斷電精煉6_10min，撈底清渣。將溫度調整至780°C _800°C靜置10-15min，降溫至740°C清除液面熔渣后進行鑄造，即獲得晶粒細小且分布均勻的Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(GW103K)鎂合金，微觀組織見圖1所不O
[0030]實施例2
[0031]步驟一，鎂鋯中間合金的制備:(a)對鋯氟酸鉀和鎂錠在150°C下預熱40分鐘去游離水；(b)將經烘干預處理后的鋯氟酸鉀和鎂錠放入溫控保溫翻轉爐內的不銹鋼坩禍中進行還原反應，在NaCl和KCl的混合熔鹽體系的保護下，一步還原成形生產出鎂鋯中間合金錠，鋯含量40wt.% ;鎂錠:鋯氟酸鉀:NaCl:KC1的用量比為1:1.8:1.5:1.5 ;還原溫度為1300°C，還原時間為45分鐘；還原反應結束后控制反應物成形，電磁振動澆鑄模系統澆鑄速度為15kg/min，澆鑄溫度為1070°C，電磁振動頻率為400Hz，時間5min ； (c)使用軋制設備對所述鎂鋯中間合金錠進行預變形處理，乳制工藝為:鎂鋯中間合金預熱溫度550°C，預熱時間2小時，軋制溫度500°C，軋制道次4。
[0032]步驟二，Mg-2.6Nd-0.6Zn_0.8Zr (ZM6)鎂合金的熔煉和制備:所有工具提前刷涂料，工具、爐料、精煉劑均在180°C烘干4小時以上。開啟電阻爐，預熱不銹鋼坩禍至暗紅色后，加入鎂錠，500°C時開始通入體積比為100:1的C02+SF6保護氣體直至熔鑄工作全部完成。將坩禍電阻爐升溫至690°C直至純鎂全部熔化，將溫度調整至720?740°C，溫度穩定后加入Zn。待Zn完全熔化，熔體溫度穩定在720?740°C時，加入Mg_30 % Nd中間合金，完全融化后通過精煉勺攪拌2分鐘。將爐溫升至750°C后加入軋制處理的Mg-40wt%Zr中間合金，待其熔化后撇去表面浮渣，攪拌3min，再將爐溫升至780 V保溫1min后降溫至750?760 °C不斷電精煉6?lOmin，撈底清渣。將溫度調整至780?800 °C靜置10?1