專利名稱:一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法
技術領域:
本發(fā)明屬于材料加工工程技術領域,涉及一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法。
背景技術:
鎂合金具有高比強度、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,在汽車工業(yè)、電子工業(yè)及航空航天等領域具有廣闊的應用前景,被譽為21世紀最輕的綠色結構材料。然而,由于鎂的化學活潑性很高,并且形成的氧化膜疏松多孔,對基體沒有足夠的保護能力,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用的關鍵問題之一,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發(fā)應用潛力,為解決腐蝕和加工問題,采用耐蝕和加工性能好的鋁合金包覆在鎂合金表面進行軋制,獲得的包鋁鎂板層狀復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,為此許多研究者進行了大量的嘗試。例如西安建筑科技大學應用累積復合軋制工藝制備了 Al/Mg/Al多層結構復合板[CN 1850383A];太原理工大學應用擴散連接工藝通過在鋁合金與鎂合金板材間添加低熔點的鋅錫連接材料,制備了具有連接層的鎂合金與鋁合金復合板材[CN 1709688A];西南大學應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層狀復合材料的制備主要依靠軋制和擴散連接等工藝,尚存在成材率低,工藝參數(shù)控制困難,界面結合強度低等問題。應用鑄造復合法制備錠坯再加后續(xù)熱軋方法制備復合板材,由于成材率高,復合板結合強度大等優(yōu)點而受到廣泛關注。如解國良等采用包覆鑄造加熱軋工藝制備了 Q235/ CrWMn刀具材料[解國良,劉靖,韓靜濤等.包覆鑄造和熱軋工藝制備Q235/CrWMn刀具材料,北京科技大學學報,2010,32 (3)],其工藝步驟如下(1)將CrWMn鋼棒材在真空感應爐中加熱到1500°C左右重熔,隨后將其澆注成錠,再經(jīng)機械加工制成50mmX 70mmX 80mm的心部材料,并用丙酮進行超聲清洗;( 將方形鑄鐵模具預熱500°C左右,放入芯材和支架,將 Q235鋼棒材在真空感應爐中加熱到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鋼復合鑄錠;(3)將復合鑄錠在箱式電阻爐中加熱至1150°C,保溫 Ih后進行熱軋,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澆注包覆層金屬來制備復合錠坯的方法,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)有技術存在的不足,提供一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法。通過鑄造復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合板帶存在的成材率低、界面結合能力差的問題。本發(fā)明的技術方案如下一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,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)焊接成一側開口的預制鋁板盒, 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)對預制鋁板盒的型腔進行機械打磨、化學清洗,去除表面油污及氧化物后置于通有保護氣氛的電阻烘箱中進行200°C預熱處理。機械打磨為用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位,使預制鋁板盒各個側面平整光滑;所述化學清洗為依次使用濃度5%Na0H溶液、5% 鹽酸溶液和無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&保護氣氛熔煉,或者采用真空熔煉爐在氬氣保護下熔煉;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合鑄錠。所述的模具為具有側面夾緊機構的碳鋼模具,保證復合鑄錠底面和四周側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十分接近,膨脹系數(shù)相差不大并且都屬于低熔點金屬。本發(fā)明通過往預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合鑄錠。此外所制備的包鋁鎂合金復合鑄錠可形成多重復雜的冶金結合界面結構,為后續(xù)熱軋包鋁鎂合金復合板帶提供了高質(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合鑄錠的金屬模具的立體結構圖。
具體實施例方式實施例1
包覆層鋁合金牌號及成分
1060 純鋁板,其質(zhì)量分數(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。芯材鎂合金牌號及成分
ADl 鎂合金錠,其質(zhì)量分數(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且一側開口的預制鋁板盒;
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位,使鋁板盒各個側面平整光滑;依次使用5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無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氣氛的電阻烘箱中進行200°C預熱處理;
(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,取出經(jīng)預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。整個熔煉和澆注過程中用C02+0. 2% SF6(體積分數(shù))混合氣體進行保護。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,形成多層過渡的冶金結合界面結構。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,消除了其對界面的有害影響。實施例2:
包覆層鋁合金牌號及成分
1060 純鋁板,其質(zhì)量分數(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)量分數(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且一側開口的預制鋁板盒;
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位,使鋁板盒各個側面平整光滑;依次使用 5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無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氣氛的電阻烘箱中進行200°C預熱處理;
(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行熔煉合金。將計量好的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,取出經(jīng)預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。整個熔煉和澆注過程中用C02+0. 2% SF6(體積分數(shù))混合氣體進行保護。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。實施例3:
包覆層鋁合金牌號及成分
1060 純鋁板,其質(zhì)量分數(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)量分數(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且一側開口的預制鋁板盒;
(2)用砂輪片打磨焊接接口的浮凸部位,使鋁板盒各個側面平整光滑;依次使用 5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無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氣氛的電阻烘箱中進行200°C預熱處理;
(3)試驗所用材料為工業(yè)純Mg(純度彡99. 8%),99. 99%Li。將計量好的合金在真空熔煉爐中氬氣保護條件下熔煉,熔煉溫度為68(T720°C。待溫度冷卻至660°C時,取出經(jīng)預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。整個澆注過程通氬氣保護。以上各例中采用的金屬模具的結構參見圖4 該模具包括模具座1、活動插板2和側面夾緊機構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頂面開口和一側面開口的方形結構。其中相對的兩面?zhèn)劝?和5上對應加工有豎向凹槽,活動插板2插于其中,封閉側面開口。其中兩面相連的側板4和6上加工有螺紋孔,分別安裝有一個側面夾緊機構3。側面夾緊機構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,分別與各自一側的側板4或6平行,螺紋推桿裝在各自一側的側板 4或6上的螺紋孔中,夾緊板上還連接有導向桿10,對應在側板4和6上有導向孔,導向桿 10穿過導向孔,對夾緊板8 (或9)進行導向。在裝夾經(jīng)預熱處理的鋁盒時,要先取出模具的活動插板2,再將鋁盒置于模具型腔中,安裝活動插板2并調(diào)節(jié)側面夾緊機構3,使鋁盒的底面及四周側面均與模具貼合。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)側面夾緊機構3,取出活動插板 2,才卸下包鋁鎂合金復合鑄錠。模具座、活動插板和側面夾緊機構采用導熱性好的鐵基或銅基合金,模具的尺寸由包鋁鎂合金復合鑄錠的外形尺寸確定。
權利要求
1.一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,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)焊接成一側開口的預制鋁板盒, 作為鋁板包覆層;所述鋁板包覆層厚度占包鋁鎂合金復合鑄錠總厚度的109Γ20%;(2)對預制鋁板盒的型腔進行機械打磨、化學清洗,去除表面油污及氧化物后置于通有保護氣氛的電阻烘箱中進行200°C預熱處理;(3)將鎂合金芯材采用井式電阻爐并通入C02+0.2%SF6保護氣氛熔煉,或者采用真空熔煉爐在氬氣保護下熔煉;(4 )取出經(jīng)預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合鑄錠。
2.根據(jù)權利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,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)權利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,其特征在于步驟(2) 所述機械打磨為用砂輪片打磨預制鋁板盒的焊接接口的浮凸部位,使預制鋁板盒各個側面平整光滑;所述化學清洗為依次使用5%Na0H溶液、5%鹽酸溶液和無水乙醇清洗鋁板盒型腔,去除表面油污及氧化物。
4.根據(jù)權利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,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)權利要求1所述的鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,其特征在于步驟(4) 所述的模具為具有側面夾緊機構的碳鋼模具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造包鋁鎂合金復合鑄錠的制備方法,屬于材料加工工程領域。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)焊接成一側開口的預制鋁板盒;所述鋁板包覆層厚度占包鋁鎂合金復合鑄錠總厚度的10%~20%;(2)預制鋁板盒型腔經(jīng)機械打磨、化學清洗,去除表面油污及氧化物后置于通有保護氣氛的電阻烘箱中進行200℃預熱處理;(3)鎂合金芯材采用氣體保護熔煉,澆注溫度660~720℃。(4)將預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合鑄錠可形成多重復雜的冶金結合界面結構,為后續(xù)熱軋包鋁鎂合金復合板帶提供了高質(zhì)量的錠坯。
文檔編號B22D19/16GK102350492SQ20111033974
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權日2011年4月23日
發(fā)明者于文斌, 李養(yǎng)良, 李坊平, 蔣顯全 申請人:西南大學