變形鎂合金大型件坯料的制備方法技術

本發明專利技術涉及變形鎂合金大型件坯料的制備方法，包括如下關鍵措施：（１）采用阻燃型砂；（２）采用冷鐵控制凝固方向和凝固速度；（３）采用開放式下注澆注系統等平穩熔體流動措施；（４）采用大尺寸補縮冒口；（５）對型腔和注流采用氣體保護；（６）對冒口適時采用高溫熔體點注，充分進行補縮。當熱裂傾向高的鎂合金難于采用半連鑄法生產時，采用本方法可以制備出符合要求的坯料。采用平穩澆注、快速冷卻、適當補縮和周密阻燃等措施，減少大型鑄造件組織粗大、疏松、力學性能低等缺陷和鑄造過程中出現的燃燒問題，制備出合格的大型變形件坯料。本方法適用于大型鎂合金鑄件。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鎂合金大型鑄件的制備技術，具體是制備鎂合金坯料，特別是直徑大于300mm變形鎂合金大型件坯料的制備方法。
技術介紹
鎂合金具有比重低、比強度和比剛度高、減震性能好以及成本低、回收率高和無污染等特點，被譽為“綠色材料”。用鎂合金替代鋁和鋼(特別是大的承載結構件)可大大減重，減重對航天、航空和交通運輸工具具有重要的經濟意義，另外減重可直接減少燃料消耗從而改善人類生存的環境。同時開發和利用鎂合金還有利于我國從鎂的資源優勢向技術優勢發展，進而向經濟優勢轉化。由于鎂合金的六方晶體結構，其有限的滑移系統導致室溫變形難、韌性低(一般延伸率僅為2-4％)。目前鎂合金的應用主要以鑄造件為主，但是鑄造件存在較多的孔洞和疏松等缺陷，使其力學性能較差，特別是疲勞強度不高；同時由于工藝上的原因，壓鑄法只能制成較小的構件，并只能在室溫非動態載荷條件下使用。比較起來，變形鎂合金力學性能均勻穩定，具有較高的強度、較好的延展性和表面質量。同時變形鎂合金可實現無余量加工，后續機加工量小，并可通過變形制成各種型材、管材、板材和鍛件。變形鎂合金可廣泛用于制造航天、航空、汽車、其它交通運輸工具、家電、通信、醫療、戶外休閑用品等部件，特別是在動態載荷條件下使用的結構件，其潛在的應用市場非常巨大。目前使用的鎂合金結構件，小尺寸件多，鑄件多，使用范圍有限，用途和用量遠低于鋼鐵、鋁等金屬結構材料。與鑄件相比，變形件的組織均勻致密，力學性能高而穩定，更適于規模化生產。同時變形鎂合金適于制造大型的結構件、特別是承載結構件。因此發展變形件將使鎂合金的應用在數量上和質量上得到大幅度提升，是大規模應用鎂合金的主要途徑。通常，變形件坯料的截面要比變形件本身截面大8-10倍，才能獲得滿意的性能。因此制備大型坯料，是發展和應用變形鎂合金的前提。大截面坯料常存在一些質量問題有害的金屬間化合物顆粒污染、晶粒粗大、組織疏松等；在砂型鑄造中，還存在鑄件燃燒問題，這不只是液面上可見的燃燒，還有鑄型內部潛在的燃燒，致使直徑超過200mm的鑄件難于生產。半連續鑄造方法有助于解決上述問題，成為制備大型坯料的通用方法。對于凝固過程中收縮量不大的合金，半連鑄方法可以制備出符合要求的大型坯料，其最大直徑在國內達到480mm，在英國達到609mm(24時)，在美國達到812mm(32時)。半連鑄方法生產中坯料有出現心部裂紋或表面裂紋的傾向。隨著坯料尺寸增加，開裂的傾向增大。對于凝固過程中收縮大的合金，這種開裂傾向尤其嚴重，致使對直徑大于250mm的坯料難于生產，成為新的生產難題。因此，開發新的大型坯料的制備方法，成為發展變形鎂合金的迫切需要解決的關鍵問題之一。鎂合金中添加稀土元素，能提高使用性能和熱變形能力，耐腐蝕性能也會大幅提高，拓寬了變形鎂合金的發展和應用的途徑。然而，稀土使合金的凝固收縮量增加，從而增加半連鑄方法生產的難度；對于直徑大于300mm的坯料，難度更大。
技術實現思路
針對上述問題，本專利技術提供一種經濟實用、鑄件質量符合要求的變形鎂合金大型件坯料的制備方法，本專利技術涉及變形鎂合金大型件坯料的砂型鑄造方法。對于凝固過程收縮量大的合金，當采用半連鑄方法由于開裂傾向大致使生產合格率下降甚至難于生產時，采用本方法可以制備出大型坯料。本方法通過平穩澆注、快速冷卻、適當補縮和周密阻燃等步驟，克服大型坯料的質量缺陷和鑄鎂燃燒問題，可以制備出符合要求的大型坯料。本專利技術的技術方案是一種變形鎂合金大型件坯料的制備方法，具體步驟如下(1)采用阻燃型砂，在型砂中加入阻燃劑，阻燃劑為烷基磺酸鈉、硼酸、菱鎂礦、氟化物中一種或幾種的配合物，烷基磺酸鈉28％的水溶液重量百分含量為2.5～4％、硼酸重量百分含量為2～3.5％、菱鎂礦重量百分含量為3～8％、氟化物重量百分含量為6～8％；(2)采用冷鐵控制凝固方向和凝固速度，在圓柱坯料柱面上，各冷鐵互相接觸，封閉分布，在底面采用整體冷鐵；(3)采用開放式下注澆注系統；(4)采用大尺寸補縮冒口，冒口根部直徑與坯料直徑相等，冒口為上大下小的錐形結構，冒口錐度為1∶(4～7)，冒口高度與冒口根部直徑比值為1∶(1～1.2)；(5)對型腔和注流采用氣體保護，鑄前對鑄型充保護氣體SF6，并在澆注過程中采用保護氣體SF6保護注流；(6)在凝固末期，對冒口進行高溫熔體點注，充分進行補縮。所述步驟(1)中，氟化物為酸性氟化銨、中性氟化銨或氟硼酸銨。所述步驟(2)中，由式B2+DB-0.195D2＝0得到不同坯料直徑D的對應冷鐵厚度B值，坯料底面和柱面被冷鐵包圍，底面整體冷鐵直徑與壞料直徑相同，厚度為2B。所述步驟(3)中，澆道截面尺寸為直澆道∶橫澆道∶內澆道＝1∶(2.5-3)∶(5.5-6)，直澆道與橫澆道連接采用搭接方式，且在搭接處安置過濾網。本專利技術具有如下優點1、本專利技術所用材料價格低廉，設備也比半連鑄簡便，方法經濟實用。2、本專利技術凝固過程比半連鑄方法緩慢，降低鑄坯中熱應力，減少坯料的開裂傾向。對于凝固過程收縮量大的合金，當坯料尺寸大到難于采用半連鑄方法生產時，采用本方法可以生產出合格的坯料。3、本專利技術采用阻燃型砂、使用冷鐵、對型腔和注流采用氣體保護等綜合阻燃措施，效果良好，適用于大尺寸鑄件的阻燃，實現安全生產。4、對同種合金，本方法制備坯料的鍛造加工試驗及其鍛造材料的力學性能試驗的對比結果表明，鍛造坯料無熱裂發生，鍛造坯料的質量達到甚至超過半連鑄方法的鍛造坯料的水平。5、本專利技術方法適用于大型鎂合金鑄件。附圖說明圖1為冷鐵在壞料柱面上的配置示意圖，其中1、2、3、4、5、6代表冷鐵。圖2為開放式下注澆注系統結構示意圖，其中7為直澆道，8為分型面，9為橫澆道，10為濾網，11為搭接橫澆道，12為內澆口。圖3為圖2中A-A剖視圖。具體實施例方式本專利技術技術關鍵如下1、采用阻燃型砂；2、采用冷鐵控制冷卻過程，控制凝固方向和凝固速度，同時減少熔體與型砂的接觸面積，做為阻燃的補充手段；3、采用平穩澆注系統；4、采用大尺寸補縮冒口，充分對坯料進行補縮；5、對型腔和注流采用氣體保護；6、在凝固末期，對冒口采用熱熔體點注補縮。對以上項目，做以下具體說明1、用添加阻燃劑制備型砂。阻燃劑為烷基磺酸鈉、硫磺、硼酸、菱鎂礦、氟化物中一種或幾種的配合物。其中氟化物為酸性氟化銨(NH4HF)、中性氟化銨(NH4F)或氟硼酸銨(NH4BF4)。典型的型砂配比見表1表1(wt％) 2、冷鐵控制冷卻狀態，同時盡可能減少熔體與型砂直接接觸的面積，降低熔體與型砂發生反應的機會。在圓柱坯料柱面上，冷鐵分布近乎封閉(見圖1)，在底面采用整體冷鐵，為了實現自下而上的凝固過程，底部冷鐵厚度大于柱面的冷鐵厚度。不同直徑D坯料的冷鐵的厚度B值，可以按熱平衡條件估算，數值見圖1說明。圖1說明采用凝固過程熱平衡條件對冷鐵厚度進行估算。熔體由澆注溫度t澆降到固相線溫度t固釋放熱量Q1為Q1＝(t澆-t固)CMgWMg熔體在t固溫度凝放熱量Q2為Q2＝RWMg冷鐵由室溫t室升高到t固吸收熱量Q3為Q3＝(t固-t室)CFeWFe以上諸式中CMg＝1.406kJ/kgk為鎂合金的比熱，R＝318kJ/kg為鎂合金凝固潛熱，CFe＝481J/kgk為鐵合金的比熱，WMg和WFe分別為鎂合金和冷鐵的重量，它們可由本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種變形鎂合金大型件坯料的制備方法，其特征在于具體步驟如下：（１）采用阻燃型砂，在型砂中加入阻燃劑，阻燃劑為：烷基磺酸鈉、硼酸、菱鎂礦、氟化物中一種或幾種的配合物，含烷基磺酸鈉２８％的水溶液重量百分含量為２．５～４％、硼酸重量百分含 量為２～３．５％、菱鎂礦重量百分含量為３～８％、氟化物重量百分含量為６～８％；（２）采用冷鐵控制凝固方向和凝固速度，在圓柱坯料柱面上，各冷鐵互相接觸，封閉分布，在底面采用整體冷鐵；（３）采用開放式下注澆注系統；（４） 采用大尺寸補縮冒口，冒口根部直徑與坯料直徑相等，冒口為上大下小的錐形結構，冒口錐度為１∶（４～７），冒口高度與冒口根部直徑比值為１∶（１～１．２）；（５）對型腔和注流采用氣體保護，鑄前對鑄型充保護氣體ＳＦ↓［６］，并在澆注過程中采用 保護氣體ＳＦ↓［６］保護注流；（６）在凝固末期，對冒口進行高溫熔體點注，充分進行補縮。

【技術特征摘要】
1.一種變形鎂合金大型件坯料的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)采用阻燃型砂，在型砂中加入阻燃劑，阻燃劑為烷基磺酸鈉、硼酸、菱鎂礦、氟化物中一種或幾種的配合物，含烷基磺酸鈉28％的水溶液重量百分含量為2.5～4％、硼酸重量百分含量為2～3.5％、菱鎂礦重量百分含量為3～8％、氟化物重量百分含量為6～8％；(2)采用冷鐵控制凝固方向和凝固速度，在圓柱坯料柱面上，各冷鐵互相接觸，封閉分布，在底面采用整體冷鐵；(3)采用開放式下注澆注系統；(4)采用大尺寸補縮冒口，冒口根部直徑與坯料直徑相等，冒口為上大下小的錐形結構，冒口錐度為1∶(4～7)，冒口高度與冒口根部直徑比值為1∶(1～1.2)；(5)對型腔和注流采用氣體保護，鑄前對鑄型充保護氣體SF6，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉路，徐永波，高國忠，陳榮石，韓恩厚，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：89[中國|沈陽]