專利名稱：鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基中間合金在金屬加工中的應(yīng)用，尤其是一種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
鎂及鎂合金的工業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，由于鎂及鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳、 機(jī)加工性能優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定、易回收等優(yōu)點(diǎn)，使鎂及鎂合金特別是變形鎂合金在交通工具、工程結(jié)構(gòu)材料和電子領(lǐng)域等中的應(yīng)用潛力非常巨大。變形鎂合金是指可用擠壓、軋制、 鍛造等塑性成型方法加工成形的鎂合金。然而，由于受到材料制備、加工技術(shù)、抗腐蝕性能以及價(jià)格等因素制約，鎂合金尤其是變形鎂合金的應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋼鐵和鋁合金，在金屬材料領(lǐng)域里還沒有任何一種材料像鎂那樣，其發(fā)展?jié)摿蛯?shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀之間存在如此大的差異。鎂與鐵、銅、鋁等常用的金屬不同，鎂合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下只有3個(gè)獨(dú)立的滑移系，合金的塑性變形能力較差，其晶粒大小對(duì)力學(xué)性能影響十分顯著。鎂合金結(jié)晶溫度范圍較寬，熱導(dǎo)率較低，體收縮較大，晶粒粗化傾向嚴(yán)重，凝固過程中易產(chǎn)生縮松、熱裂等缺陷；細(xì)小的晶粒有助于減少縮松、減小第二相的大小和改善鑄造缺陷；鎂合金晶粒細(xì)化能縮短晶間相固溶所需的擴(kuò)散距離，提高熱處理效率；另外，細(xì)小的晶粒還有助于改善鎂合金的耐腐蝕性能和加工性能。應(yīng)用晶粒細(xì)化劑對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行細(xì)化處理是提高鎂合金綜合性能和改善鎂合金成形性能的重要手段，通過細(xì)化晶粒不僅可以提高鎂合金材料的強(qiáng)度，還可以大大改善其塑性和韌性，使鎂合金材料的塑性加工大規(guī)?；⒌统杀井a(chǎn)業(yè)化成為可能。對(duì)純鎂晶粒有明顯細(xì)化效果的元素是^ ，這是1937年發(fā)現(xiàn)的。有研究表明ττ能有效抑制鎂合金晶粒的生長，從而細(xì)化晶粒。^ 可以在純Mg、Mg-ai系和Mg-RE系中使用； 但是ττ在液態(tài)鎂中的溶解度很小，發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)鎂液中僅能溶解0. 6wt%Zr,而且rLr與 Al、Mn會(huì)形成穩(wěn)定的化合物而沉淀，不能起到細(xì)化晶粒的效果，因此，在Mg-Al系和Mg-Mn系合金中不能加入&。Mg-Al系合金是目前最流行的商用鎂合金，Mg-Al系合金鑄態(tài)晶粒比較粗大，有時(shí)甚至呈粗大的柱狀晶和扇狀晶，這使得鑄錠變形加工困難、易開裂、成材率低、力學(xué)性能低下，且塑性變形時(shí)速率很低，嚴(yán)重影響了工業(yè)化生產(chǎn)。因此要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，必須首先解決鎂合金鑄態(tài)晶粒細(xì)化的問題。Mg-Al系合金的晶粒細(xì)化方法主要有過熱法、添加稀土元素法和碳質(zhì)孕育法等。過熱法雖有一定效果，但熔體氧化更嚴(yán)重。添加稀土元素法， 其效果既不穩(wěn)定也不理想。而碳質(zhì)孕育法原料來源廣泛，操作溫度較低，已成為Mg-Al系合金最主要的晶粒細(xì)化方法，傳統(tǒng)的碳質(zhì)孕育法采用添加MgCO3或C2Cl6等，其原理是在熔體中形成大量彌散的Al4C3質(zhì)點(diǎn)，而Al4C3是鎂合金較好的非均質(zhì)晶核，因而大量彌散的Al4C3 晶核使鎂合金晶粒細(xì)化。但是這種細(xì)化劑加入時(shí)熔體易沸騰，因此生產(chǎn)上也很少采用?？傊?，與鋁合金工業(yè)相比，鎂合金工業(yè)目前尚未發(fā)現(xiàn)通用的晶粒中間合金，各種晶粒細(xì)化方法的使用范圍還取決于合金系或合金成分。因此，發(fā)明一種鎂及鎂合金凝固時(shí)可通用且能有效細(xì)化鑄態(tài)晶粒的晶粒細(xì)化劑及在連續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)用它的方法，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)鎂合金產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有存在的問題，提供了一種鋁-鋯-碳(Al-Zr-C)中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的晶粒細(xì)化用途。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，所述鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金以重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為0.01%至 10%Zr、0. 01%至0. 3%C，余量為Al ；所述變形加工為塑性成型方法；所述應(yīng)用為使鎂或鎂合金晶粒細(xì)化。優(yōu)選的，所述鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金以重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為0. 1% 至10%Zr、0. 01%至0. 3%C，余量為Al。更優(yōu)選的化學(xué)成分為1%至5%Zr、0. 1%至0. 3%C，余量為Al。優(yōu)選的，所述鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金中雜質(zhì)含量以重量百分比計(jì)為Je 不大于0. 5%、Si不大于0. 3%、Cu不大于0. 2%、Cr不大于0. 2%，其他單個(gè)雜質(zhì)元素不大于
0. 2%ο優(yōu)選的，所述塑性成型方法采用擠壓、軋制、鍛造或者它們的結(jié)合。所述塑性成型方法采用軋制時(shí)，優(yōu)選連鑄連軋成板材或者線材。連鑄連軋過程包括依次連續(xù)進(jìn)行的鎂或鎂合金熔化、調(diào)溫和鑄軋步驟。較佳地，所述鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金在調(diào)溫步驟之后、鑄軋步驟之前加入鎂或鎂合金熔體中。更佳地，調(diào)溫步驟采用電阻爐，所述鑄軋步驟采用鑄軋輥，所述電阻爐側(cè)壁底部具有出液口，所述鑄軋輥具有咬入?yún)^(qū)，在所述出液口和咬入?yún)^(qū)之間連接有熔體輸送管，所述熔體輸送管上部具有晶粒細(xì)化劑加入口，所述鋁-鋯-碳中間合金從所述晶粒細(xì)化劑加入口加入鎂或鎂合金熔體中。最好，在晶粒細(xì)化劑加入口中設(shè)置有攪拌器，通過攪拌使溶入鎂或鎂合金熔體中的鋁-鋯-碳中間合金均勻分散。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述晶粒細(xì)化劑加入口中鎂或鎂合金熔體上方充有保護(hù)氣，所述保護(hù)氣為SF6和C02 的混合氣體。更優(yōu)選的，所述鋁-鋯-碳中間合金為線材，其直徑為9mm至10mm。本發(fā)明的技術(shù)效果是提出了一種鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金在鎂及鎂合金塑性變形加工中用作晶粒細(xì)化劑的應(yīng)用途徑，這種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金中的形核能力強(qiáng)，晶粒細(xì)化效果好；進(jìn)一步提出了在鎂及鎂合金連鑄連軋生產(chǎn)中的使用方法，采用該方法可實(shí)現(xiàn)鎂及鎂合金變形材料的連續(xù)、規(guī)?；a(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金連鑄連軋生產(chǎn)中的使用方法示意圖。
具體實(shí)施例方式通過下面給出的本發(fā)明的具體實(shí)施例可以進(jìn)一步清楚地了解本發(fā)明，但它們不是對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例1
按重量百分比為96. 85%的Al、3%的^ 和0. 15%的C的比例稱取工業(yè)純鋁、鋯屑和石墨粉，石墨粉的平均粒徑為0. 27mm至0. 83mm。將石墨粉加入濃度為2g/L的KF水溶液中浸泡， 在65士3°C溫度下浸泡M小時(shí)后過濾濾去溶液；然后將經(jīng)浸泡過的石墨粉置于120士5°C 溫度下烘干20小時(shí)后冷卻至室溫備用。將鋁加入感應(yīng)爐中熔化并升溫至770士 10°C，加入鋯屑并不斷攪拌使之完全溶化入鋁液中，再加入經(jīng)浸泡處理的石墨粉，同樣邊加邊攪拌使之完全溶于鋁液中，保溫并連續(xù)機(jī)械攪拌均化，最后采用連鑄連軋工藝加工成直徑為9. 5mm 的成盤線材。實(shí)施例2
按重量百分比為90. 0%的Al、9. 7%的rLr和0. 3%的C的比例稱取工業(yè)純鋁、鋯屑和石墨粉，石墨粉的平均粒徑為0. 27mm至0. 55mm。將石墨粉加入濃度為0. 5g/L的K2TiF6水溶液中浸泡，在95士3°C溫度下浸泡36小時(shí)后過濾濾去溶液；然后將經(jīng)浸泡過的石墨粉置于110士5°C溫度下烘干M小時(shí)后冷卻至室溫備用。將鋁加入感應(yīng)爐中熔化并升溫至 870士 10°C，加入鋯屑并不斷攪拌使之完全溶化入鋁液中，再加入經(jīng)浸泡處理的石墨粉，同樣邊加邊攪拌使之完全溶于鋁液中，保溫并連續(xù)電磁攪拌均化，最后采用連鑄連軋工藝加工成直徑為9. 5mm的成盤線材。實(shí)施例3
按重量百分比為99. 87%的A1、0. 1%的rLr和0. 03%的C的比例稱取工業(yè)純鋁、鋯屑和石墨粉，石墨粉的平均粒徑為0. 15mm至0. 25mm。將石墨粉加入濃度為0. 3g/L的KJrF6 水溶液中浸泡，在70士3°C溫度下浸泡48小時(shí)后過濾濾去溶液；然后將經(jīng)浸泡過的石墨粉置于170士5°C溫度下烘干12小時(shí)后冷卻至室溫備用。將鋁加入感應(yīng)爐中熔化并升溫至 760士 10°C，加入經(jīng)浸泡處理的石墨粉并不斷攪拌使之完全溶化入鋁液中，再加入鋯屑，同樣邊加邊攪拌使之完全溶于鋁液中，保溫并連續(xù)機(jī)械攪拌均化，最后采用連鑄連軋工藝加工成直徑為9. 5mm的成盤線材。實(shí)施例4
將Mg-5%A1合金在SF6和(X)2混合氣體保護(hù)下于感應(yīng)爐中熔融，升溫至740°C，加入1% 的實(shí)施例1制得的Al-Zr-C中間合金進(jìn)行晶粒細(xì)化，保溫并攪拌30分鐘后，直接澆鑄成錠。對(duì)晶粒細(xì)化前后的Mg-5%A1合金進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析對(duì)比，采用GB/T 6394-2002中的截點(diǎn)法進(jìn)行測量，測得同樣澆鑄條件下未進(jìn)行晶粒細(xì)化處理的合金晶粒平均直徑為150 μ m,經(jīng)Al-Zr-C中間合金晶粒細(xì)化處理后的Mg_5%Al合金的晶粒平均直徑為 50 μ m。測試結(jié)果表明本發(fā)明的A1-&-C中間合金對(duì)鎂合金具有很好的晶粒細(xì)化效果。實(shí)施例5
請(qǐng)參看圖1，其示出了鎂或鎂合金板加工中鋁-鋯-碳(A1-&-C)中間合金作為晶粒細(xì)化劑應(yīng)用的使用方法。經(jīng)熔融的鎂液或鎂合金液在電阻爐1中調(diào)溫，使熔液溫度均勻并達(dá)到鑄軋要求的溫度，電阻爐1中可設(shè)置多級(jí)調(diào)溫，如三級(jí)，各級(jí)之間用鐵板隔開，通過隔板上部溢流入下一級(jí)。在電阻爐1的一側(cè)壁底部設(shè)置有出液口 11，出液口 11連通熔體輸送管3，熔體輸送管3靠近出液口 11處設(shè)置有閥門31，熔體輸送管3中間上部設(shè)置有晶粒細(xì)化劑加入口 32，晶粒細(xì)化劑加入口 32中設(shè)置有攪拌器321，熔體輸送管3的前端為扁平的收縮口 33，收縮口 33伸入鑄軋輥71、72的咬入?yún)^(qū)6，鑄軋輥71、72后續(xù)還設(shè)置有一級(jí)軋輥81、82，也可根據(jù)需要設(shè)置多級(jí)軋輥。經(jīng)調(diào)溫后的鎂液或鎂合金液2的溫度控制在 700士 10°C，進(jìn)行鎂或鎂合金板鑄軋時(shí)，打開閥門31，鎂液或鎂合金液2流入熔體輸送管3， 因?yàn)槿垠w壓力的作用進(jìn)入到晶粒細(xì)化劑加入口 32，作為晶粒細(xì)化劑的由上述任一制備實(shí)施例制得的Al-Zr-C中間合金線4經(jīng)放卷盤放出插入晶粒細(xì)化劑加入口 32中的熔體中，其連續(xù)均衡地溶入鎂或鎂合金熔體并形成大量彌散的ZrC和Al4C3質(zhì)點(diǎn)成為晶核，通過攪拌器 321的攪拌，得到晶核分散均勻的澆鑄液5。在鎂及鎂合金鑄軋工藝中采用這種晶粒細(xì)化劑的加入方式，大大避免了在調(diào)溫步驟或更前的熔化步驟中加入A1-&-C晶粒細(xì)化劑由于晶核沉積和衰減而造成形核能力減弱，從而A1-&-C中間合金的晶粒細(xì)化效果得到極大體現(xiàn)。因?yàn)殒V液遇氧極氧燃燒的性質(zhì)，在晶粒細(xì)化劑加入口 32中熔體的上部充有8至15cm 厚的SF6和C02的混合氣體作為保護(hù)氣322，保護(hù)氣322可以通過設(shè)置在晶粒細(xì)化劑加入口 32中熔體上部的盤管通入，盤管的下部側(cè)壁開有細(xì)密小孔向熔體上部充氣。澆鑄液5流經(jīng)收縮口 33進(jìn)入鑄軋輥71、72的咬入?yún)^(qū)6開始鑄軋步驟，澆鑄液5的溫度控制在690士 10°C， 鑄軋輥71、72溫度控制在250至350°C，其軸向溫差不大于10°C。澆鑄液5經(jīng)鑄軋輥71、 72鑄軋成鎂或鎂合金坯板，鑄軋過程中晶粒得到細(xì)化，提高了鎂合金的綜合性能并改善了成型加工性能。坯板經(jīng)后續(xù)的一級(jí)或多級(jí)輥軋得到需要尺寸的鎂或鎂合金板9，輥軋過程中鎂或鎂合金晶粒會(huì)進(jìn)一步細(xì)化。
權(quán)利要求
1.一種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述鋁-鋯-碳中間合金以重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為0. 01%至10%Zr、0. 01%至0. 3%C，余量為Al ；所述變形加工為塑性成型方法；所述應(yīng)用為使鎂或鎂合金晶粒細(xì)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述鋁-鋯-碳中間合金中雜質(zhì)含量以重量百分比計(jì)為 不大于0. 5%、Si不大于0. 3%、Cu不大于0. 2%、Cr不大于0. 2%，其他單個(gè)雜質(zhì)元素不大于0. H
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用， 其特征在于所述塑性成型方法采用擠壓、軋制、鍛造或者它們的結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述塑性成型方法采用軋制，所述軋制為連鑄連軋成板材或者線材。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述連鑄連軋過程包括依次連續(xù)進(jìn)行的鎂或鎂合金熔化、調(diào)溫和鑄軋步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述鋁-鋯-碳中間合金在調(diào)溫步驟之后、鑄軋步驟之前加入鎂或鎂合金熔體中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述調(diào)溫步驟采用電阻爐，所述鑄軋步驟采用鑄軋輥，所述電阻爐側(cè)壁底部具有出液口，所述鑄軋輥具有咬入?yún)^(qū)，在所述出液口和咬入?yún)^(qū)之間連接有熔體輸送管，所述熔體輸送管上部具有晶粒細(xì)化劑加入口，所述鋁-鋯-碳中間合金從所述晶粒細(xì)化劑加入口加入鎂或鎂合金熔體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述晶粒細(xì)化劑加入口中設(shè)置有攪拌器，通過攪拌使溶入鎂或鎂合金熔體中的鋁-鋯-碳中間合金均勻分散。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用， 其特征在于所述鋁-鋯-碳中間合金為線材，其直徑為9至10mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，其特征在于所述晶粒細(xì)化劑加入口中鎂或鎂合金熔體上方充有保護(hù)氣，所述保護(hù)氣為 SF6和C02的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明屬于鎂及鎂合金加工技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種鋁-鋯-碳(Al-Zr-C)中間合金在鎂及鎂合金變形加工中的應(yīng)用，所述鋁-鋯-碳中間合金以重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為0.01%至10%Zr、0.01%至0.3%C，余量為Al；所述變形加工為塑性成型方法；所述應(yīng)用為使鎂或鎂合金晶粒細(xì)化。進(jìn)一步公開了這種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金連鑄連軋生產(chǎn)中的使用方法。本發(fā)明提出了一種鋁-鋯-碳(Al-Zr-C)中間合金在鎂及鎂合金塑性變形加工中用作晶粒細(xì)化劑的應(yīng)用途徑，這種鋁-鋯-碳中間合金在鎂及鎂合金中的形核能力強(qiáng)，晶粒細(xì)化效果好；可實(shí)現(xiàn)鎂及鎂合金變形材料的連續(xù)、規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C21/00GK102154567SQ20111006074
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者余躍明, 葉清東, 李建國, 陳學(xué)敏 申請(qǐng)人:新星化工冶金材料(深圳)有限公司