專利名稱：一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有高比強(qiáng)度、比剛度，良好的阻尼減震性、易切屑加工性和可回收性等特點(diǎn)，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為21世紀(jì)最輕的綠色結(jié)構(gòu)材料。然而，由于鎂的化學(xué)活潑性很高，并且形成的氧化膜疏松多孔，對(duì)基體沒(méi)有足夠的保護(hù)能力，不適用于大多數(shù)腐蝕性環(huán)境，鎂合金的腐蝕已成為限制鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，此外，鎂合金的加工變形能力差也限制了變形鎂合金的發(fā)展。鎂合金軋制板材具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力，為解決腐蝕和加工問(wèn)題，采用耐蝕和加工性能好的鋁合金包覆在鎂合金表面進(jìn)行軋制，獲得的包鋁鎂板層狀復(fù)合材料既具有良好的耐腐蝕能力，又可大大改善鎂合金的加工成型性能，為此許多研究者進(jìn)行了大量的嘗試。例如西安建筑科技大學(xué)應(yīng)用累積復(fù)合軋制工藝制備了 Al/Mg/Al多層結(jié)構(gòu)復(fù)合板[CN 1850383A]；太原理工大學(xué)應(yīng)用擴(kuò)散連接工藝通過(guò)在鋁合金與鎂合金板材間添加低熔點(diǎn)的鋅錫連接材料，制備了具有連接層的鎂合金與鋁合金復(fù)合板材[CN 1709688A]；西南大學(xué)應(yīng)用熱軋退火工藝制備了 Al/Mg/Al三層包鋁鎂板帶[CN101804710A]。然而，目前Mg/Al層狀復(fù)合材料的制備主要依靠軋制和擴(kuò)散連接等工藝，尚存在成材率低，工藝參數(shù)控制困難，界面結(jié)合強(qiáng)度低等問(wèn)題。應(yīng)用鑄造復(fù)合法制備錠坯再加后續(xù)熱軋方法制備復(fù)合板材，由于成材率高，復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。如解國(guó)良等采用包覆鑄造加熱軋工藝制備了 Q235/ CrWMn刀具材料[解國(guó)良，劉靖，韓靜濤等.包覆鑄造和熱軋工藝制備Q235/CrWMn刀具材料，北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32 (3)]，其工藝步驟如下(1)將CrWMn鋼棒材在真空感應(yīng)爐中加熱到1500°C左右重熔，隨后將其澆注成錠，再經(jīng)機(jī)械加工制成50mmX 70mmX 80mm的心部材料，并用丙酮進(jìn)行超聲清洗；( 將方形鑄鐵模具預(yù)熱500°C左右，放入芯材和支架，將 Q235鋼棒材在真空感應(yīng)爐中加熱到1500°C左右重熔，然后將Q235鋼液澆注到模具中，制備了 CrWMn鋼外包覆Q235鋼復(fù)合鑄錠；(3)將復(fù)合鑄錠在箱式電阻爐中加熱至1150°C，保溫 Ih后進(jìn)行熱軋，熱軋溫度為90(Γ1150 ，單道次變形量為10%，累積變形量約90%。軋制后， 緩冷至600°C左右再冷至室溫。由于采用固定芯材再通過(guò)澆注包覆層金屬來(lái)制備復(fù)合錠坯的方法，要求包覆層金屬的厚度大于某一臨界值，否則易導(dǎo)致鑄件充型困難，鑄件界面易產(chǎn)生裂紋、孔隙等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法。通過(guò)鑄造復(fù)合法制備包鋁鎂合金錠坯，旨在解決傳統(tǒng)工藝制備鎂基包鋁復(fù)合板帶存在的成材率低、界面結(jié)合能力差的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)將厚度為廣3 mm的鋁合金板材經(jīng)氬弧焊方法連續(xù)焊接成一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒， 作為鋁板包覆層；所述鋁板包覆層厚度占包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠總厚度的109Γ20%;所述的鋁合金板材為純鋁系列、鋁-錳系列合金或鋁-鎂系列合金。(2)對(duì)預(yù)制鋁板盒的型腔進(jìn)行機(jī)械打磨、化學(xué)清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200°C預(yù)熱處理。機(jī)械打磨為用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位，使預(yù)制鋁板盒各個(gè)側(cè)面平整光滑；所述化學(xué)清洗為依次使用濃度5%Na0H溶液、5% 鹽酸溶液和無(wú)水乙醇清洗鋁板盒型腔，去除表面油污及氧化物。(3)鎂合金芯材采用井式電阻爐并通入0)2+0.2%3&保護(hù)氣氛熔煉，或者采用真空熔煉爐在氬氣保護(hù)下熔煉；所述鎂合金芯材為鎂-鋁系列合金、鎂-錳系列合金、鎂-鋰系列合金、鎂-鋅系列合金或鎂-稀土系列合金。( 4 )取出經(jīng)預(yù)熱的鋁板盒將其裝卡在模具中，將熔融鎂合金液澆注于鋁盒型腔內(nèi)， 澆注溫度66(T720°C，冷卻后即得包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠。所述的模具為具有側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)的碳鋼模具，保證復(fù)合鑄錠底面和四周側(cè)面與模具的緊密貼合，控制鑄錠冷卻速度，有效防止鋁板盒燒穿。由于鋁合金與鎂合金的熔點(diǎn)十分接近，膨脹系數(shù)相差不大并且都屬于低熔點(diǎn)金屬。本發(fā)明通過(guò)往預(yù)制鋁板盒型腔澆注熔融的鎂合金芯材的方法，利用裝卡模具良好的散熱作用，可以制備充型能力好、鋁合金包覆層厚度小的包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠。此外所制備的包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠可形成多重復(fù)雜的冶金結(jié)合界面結(jié)構(gòu)，為后續(xù)熱軋包鋁鎂合金復(fù)合板帶提供了高質(zhì)量的錠坯。


圖1是本發(fā)明的鑄造1060/AZ31包鋁鎂合金界面的顯微組織圖。圖2是本發(fā)明的鑄造1060/Mg-2. OMn-O. 6Ca包鋁鎂合金界面的顯微組織圖。圖3是后續(xù)熱軋1060/AZ31包鋁鎂合金板材界面的顯微組織圖。圖4為鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的金屬模具的立體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
包覆層鋁合金牌號(hào)及成分
1060 純鋁板，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含 Fe 0. 21%, Si 0. 09%, Cu 0. 01%, Mn 0. 01%, Mg 0. 01%, Zn 0. 02%, Ti 0. 17%，其余為 Al。芯材鎂合金牌號(hào)及成分
ADl 鎂合金錠，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含 Al 3. 06%, Zn 1. 18%, Mn 0. 47%, Si 0. 016%, Cu (0. 002%, Fe ( 0. 002%, Ni ( 0. 0001%，其余為 Mg。具體步驟
(1)將厚度為1.6 mm的1060純鋁板用氬弧焊連續(xù)焊接成尺寸為300 mmX150 mmX20 mm且一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒；
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位，使鋁板盒各個(gè)側(cè)面平整光滑；依次使用5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無(wú)水乙醇清洗鋁板盒的型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200°C預(yù)熱處理；
(3)采用井式電阻加熱爐，不銹鋼坩堝熔煉AZ31鎂合金。將計(jì)量好的AZ31合金加熱至720°C熔化后攪拌5、min，靜置保溫30 min后出爐并除渣。待溫度冷卻至680°C時(shí)，取出經(jīng)預(yù)熱處理的鋁盒并將其裝夾在金屬模具中，再將熔融的鎂合金液澆注到鋁盒型腔中并隨模具冷卻后即可。整個(gè)熔煉和澆注過(guò)程中用C02+0. 2% SF6(體積分?jǐn)?shù))混合氣體進(jìn)行保護(hù)。以上鑄造所得的1060/AZ31包鋁鎂合金界面的顯微組織如圖1所示。后續(xù)熱軋 1060/AZ31包鋁鎂合金板材界面的顯微組織如圖3所示。由圖1看以看出，鑄造1060/AB1 包鋁鎂合金界面依次由α -Mg固溶體層，共晶層，β -Mg17Al12化合物層及AlMg化合物層組成，形成多層過(guò)渡的冶金結(jié)合界面結(jié)構(gòu)。而由圖3可以看出，軋制后的1060/ΑΖ31包鋁鎂合金界面呈波紋狀，界面處未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋和孔隙，脆性的金屬間化合物層在軋制作用下發(fā)生破碎，消除了其對(duì)界面的有害影響。實(shí)施例2:
包覆層鋁合金牌號(hào)及成分
1060 純鋁板，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含 Fe 0. 21%, Si 0. 09%, Cu 0. 01%, Mn 0. 01%, Mg 0. 01%, Zn 0. 02%, Ti 0. 17%，其余為 Al。芯材鎂合金成分
Mg-2. OMn-O. 6Ca合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含Mn 2. 0%，Ca 0. 6%，其余為Mg。具體步驟
(1)將厚度為1.6 mm的1060純鋁板用氬弧焊連續(xù)焊接成尺寸為300 mmX150 mmX20 mm且一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒；
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位，使鋁板盒各個(gè)側(cè)面平整光滑；依次使用 5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無(wú)水乙醇清洗鋁板盒型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200°C預(yù)熱處理；
(3)采用工業(yè)純Mg錠(純度彡99.8%)、Mg-Mn中間合金(含3. 44%Mn)和Mg-Ca中間合金(含17. 34%Ca)，在井式坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉合金。將計(jì)量好的Mg錠和Mg-Mn中間合金加熱至720°C熔化，然后加入Mg-Ca中間合金，全部溶化后攪拌5、min，靜置保溫30 min后出爐并除渣。待溫度冷卻至680°C時(shí)，取出經(jīng)預(yù)熱處理的鋁盒并將其裝夾在金屬模具中，再將熔融的鎂合金液澆注到鋁盒型腔中并隨模具冷卻后即可。整個(gè)熔煉和澆注過(guò)程中用C02+0. 2% SF6(體積分?jǐn)?shù))混合氣體進(jìn)行保護(hù)。以上制得的鑄造1060/Mg-2. OMn-O. 6Ca 包鋁鎂合金界面的顯微組織如圖2所示。實(shí)施例3:
包覆層鋁合金牌號(hào)及成分
1060 純鋁板，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含 Fe 0. 21%, Si 0. 09%, Cu 0. 01%, Mn 0. 01%, Mg 0. 01%, Zn 0. 02%, Ti 0. 17%，其余為 Al。芯材鎂合金成分
Mg-12Li合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含Li 12%，其余為Mg。具體步驟(1)將厚度為1.6 mm的1060純鋁板用氬弧焊連續(xù)焊接成尺寸為300 mmX150 mmX20 mm且一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒；
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位，使鋁板盒各個(gè)側(cè)面平整光滑；依次使用 5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無(wú)水乙醇清洗鋁板盒型腔，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200°C預(yù)熱處理；
(3)試驗(yàn)所用材料為工業(yè)純Mg(純度彡99. 8%),99. 99%Li。將計(jì)量好的合金在真空熔煉爐中氬氣保護(hù)條件下熔煉，熔煉溫度為68(T720°C。待溫度冷卻至660°C時(shí)，取出經(jīng)預(yù)熱處理的鋁盒并將其裝夾在金屬模具中，再將熔融的鎂合金液澆注到鋁盒型腔中，并隨模具冷卻后即可。整個(gè)澆注過(guò)程通氬氣保護(hù)。以上各例中采用的金屬模具的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖4 該模具包括模具座1、活動(dòng)插板2和側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)3。模具座1由底板7和三面?zhèn)劝?、5和6經(jīng)緊固螺栓連接形成一個(gè)頂面開(kāi)口和一側(cè)面開(kāi)口的方形結(jié)構(gòu)。其中相對(duì)的兩面?zhèn)劝?和5上對(duì)應(yīng)加工有豎向凹槽，活動(dòng)插板2插于其中，封閉側(cè)面開(kāi)口。其中兩面相連的側(cè)板4和6上加工有螺紋孔，分別安裝有一個(gè)側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)3。側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)3由夾緊板8 (或9)和螺紋推桿11連接組成，夾緊板8 (或9)位于模具座1中，分別與各自一側(cè)的側(cè)板4或6平行，螺紋推桿裝在各自一側(cè)的側(cè)板 4或6上的螺紋孔中，夾緊板上還連接有導(dǎo)向桿10，對(duì)應(yīng)在側(cè)板4和6上有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向桿 10穿過(guò)導(dǎo)向孔，對(duì)夾緊板8 (或9)進(jìn)行導(dǎo)向。在裝夾經(jīng)預(yù)熱處理的鋁盒時(shí)，要先取出模具的活動(dòng)插板2，再將鋁盒置于模具型腔中，安裝活動(dòng)插板2并調(diào)節(jié)側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)3，使鋁盒的底面及四周側(cè)面均與模具貼合。再往鋁盒型腔內(nèi)勻速澆注熔融的鎂合金液，待合金錠冷卻后調(diào)節(jié)側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)3，取出活動(dòng)插板 2，才卸下包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠。模具座、活動(dòng)插板和側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)熱性好的鐵基或銅基合金，模具的尺寸由包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的外形尺寸確定。
權(quán)利要求
1.一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將厚度為廣3mm的鋁合金板材經(jīng)氬弧焊方法連續(xù)焊接成一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒， 作為鋁板包覆層；所述鋁板包覆層厚度占包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠總厚度的109Γ20%;(2)對(duì)預(yù)制鋁板盒的型腔進(jìn)行機(jī)械打磨、化學(xué)清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200°C預(yù)熱處理；(3)將鎂合金芯材采用井式電阻爐并通入C02+0.2%SF6保護(hù)氣氛熔煉，或者采用真空熔煉爐在氬氣保護(hù)下熔煉；(4 )取出經(jīng)預(yù)熱的鋁板盒將其裝卡在模具中，將熔融鎂合金液澆注于鋁盒型腔內(nèi)，澆注溫度66(T720°C，冷卻后即得包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于步驟(1) 所述的鋁合金板材為純鋁系列、鋁-錳系列合金或鋁-鎂系列合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于步驟(2) 所述機(jī)械打磨為用砂輪片打磨預(yù)制鋁板盒的焊接接口的浮凸部位，使預(yù)制鋁板盒各個(gè)側(cè)面平整光滑；所述化學(xué)清洗為依次使用5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無(wú)水乙醇清洗鋁板盒型腔，去除表面油污及氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于步驟(3) 所述鎂合金芯材為鎂-鋁系列合金、鎂-錳系列合金、鎂-鋰系列合金、鎂-鋅系列合金或鎂-稀土系列合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，其特征在于步驟(4) 所述的模具為具有側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)的碳鋼模具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠的制備方法，屬于材料加工工程領(lǐng)域。所述方法包括(1)將厚度為1~3mm的鋁或鋁合金板材經(jīng)氬弧焊方法連續(xù)焊接成一側(cè)開(kāi)口的預(yù)制鋁板盒；所述鋁板包覆層厚度占包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠總厚度的10%~20%；(2)預(yù)制鋁板盒型腔經(jīng)機(jī)械打磨、化學(xué)清洗，去除表面油污及氧化物后置于通有保護(hù)氣氛的電阻烘箱中進(jìn)行200℃預(yù)熱處理；(3)鎂合金芯材采用氣體保護(hù)熔煉，澆注溫度660~720℃。(4)將預(yù)熱的鋁板盒裝卡在自制模具中，再將熔融鎂合金液澆注于鋁盒型腔，冷卻后即得。所制備的包鋁鎂合金復(fù)合鑄錠可形成多重復(fù)雜的冶金結(jié)合界面結(jié)構(gòu)，為后續(xù)熱軋包鋁鎂合金復(fù)合板帶提供了高質(zhì)量的錠坯。
文檔編號(hào)B22D19/16GK102350492SQ20111033974
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月23日
發(fā)明者于文斌, 李養(yǎng)良, 李坊平, 蔣顯全 申請(qǐng)人:西南大學(xué)