专利名称：一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法
技术领域：
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法。
背景技术：
镁合金因其密度小、比强高、易回收、阻尼减震性能良好等优点，被认为是21世纪 绿色工程材料，在汽车/摩托车/自行车、3C产品、航空航天领域等领域有着越来越广泛的 应用。随着镁及镁合金材料用途的不断扩大，用量不断增加，对其产品品种、规格和质量要 求也越来越高。在镁合金材料中，一般铸件和压铸件占90%以上，加工材不到10%。而在我国，铸 造产品高达95%以上，加工材仅占3%左右，此外，还有一部分制成粉材，这是由于镁及镁 合金基体为密排六方(HCP)结构，滑移系少使得镁合金产品在低温难以加工成型，而且存 在第二相与基体相的界面相容性和变形协调性问题，从而造成镁合金变形加工材料的生产 成本大幅度提高，远高于铝合金，成为进一步扩大其应用领域的瓶颈。因此，针对不同的变 形镁合金产品，开发高效、短流程、新型低成本成形加工技术成为各国的主要研究热点之。随着连续铸轧技术在钢铁材料和铝合金板材上的成功应用，这种短流程的加 工技术在镁合金材料上的应用也在展开，以替代目前镁合金板材复杂的加工流程，即 铸造/挤压镁合金锭坯、去皮加工、二次加热、高温轧制。澳大利亚的Commonwealth Scientific&Industry ResearchOrganization(CSIRO)对此技术进行了系统地研究，已成 功开发出双辊法水平连续铸轧镁合金带坯，能够生产厚度为2. 3 5. Omm的板材。而且中 国铝业洛铜公司和山西闻喜集团在国家科技部“十五”和“十一五”科技攻关项目的支持下， 已经掌握了这一关键技术，从而提升了我国镁合金板材产品在国际市场上的竞争力。由于 半固态加工技术能够大大地提高材料的力学性能，Watari等首次提出了一种镁合金板材半 固态连续铸轧工艺，采用冷却斜面，通过控制熔体熔化温度和上下辊子的转速，制备出了幅 宽300 600mm的AZ31B，AZ91D，AM50A和AM60B等镁合金半固态板材。南昌大学课题组把 半固态加工技术和水平连续铸轧技术相结合，生产出了 AZ91D镁合金板材，其再加工性能 优于普通工艺。对于另一类重要的变形镁合金制品，即棒/线/管/型材，其主要的加工手段还是 通过常规铸造镁合金锭坯、去皮加工、二次加热、高温挤压来实现的。然而，由于镁合金的 HCP结构、滑移系少，其挤压速度低，故其生产效率远远低于铝合金，使得镁合金同类制品的 价格远高于铝合金的，在市场上没有竞争力，从而限制了其应用。连续铸挤成形技术可以将 液态金属连续铸造与挤压合为一体，也可以实现半固态制备与成形的一体化和连续化，属 短流程，高效节能的先进工艺。连续铸挤技术同常规生产同类产品的塑性加工方法相比较， 具有如下优点大大提高产品的生产效率；可连续生产很长的产品；节约能源约30%，成品 率高达90%，降低成本约30%以上；产品精度高，表面光洁平整；设备结构紧凑，投资小；环 境污染小。目前该技术已经成功应用于铝及铝合金棒/线材、管/型材的生产，然而，镁合 金棒/线材的连续铸挤成形还没有获得突破性进展。
发明内容
本发明的目的是针对现有镁合金棒/线材生产工艺复杂、生产效率低和成形困难 的关键技术问题，开发出一种连续铸挤成形制备镁合金棒/线材的方法，将镁合金液态金 属的铸造与挤压工艺进行一体化与连续化，实现真正意义上的低成本、短流程，解决镁合金 成形效率低的问题。本发明的方法包括熔炼金属和连续铸挤，连续铸挤采用的设备为连续铸挤机，连 续铸挤机由电机、减速机和主机组成，主机包括流槽、铸挤轮、槽封块、铸挤靴、挤压模、挡料 块、偏心轴、液压缸和机架，按以下步骤进行1、将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热5 15min。2、将金属镁加热至400 500°C，然后在保护气体N2+SF6混合气体条件下继续加 热至700 740°C，在金属镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅 拌至混合均勻，再保温静置20 40min ；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 3. 8 7. 2%，Cu 0. 8 3. 2%，余量为 Mg。上述的加热设备为电阻炉。3、采用连续铸挤机，将镁合金熔体通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中， 连续铸挤机的铸挤轮的转速为10 15r/min，制备出镁合金棒材或线材，铸挤时向铸挤轮 和铸挤靴中通水冷却，使在挡料块前端的金属熔体凝固时温度在350 400°C，控制镁合金 棒材或线材不出现周期裂纹等表面缺陷；上述的铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前 预热至350 400"C。上述的连续铸挤机由电机、减速机和主机组成，主机包括流槽、铸挤轮、槽封块、铸 挤靴、挤压模、挡料块、偏心轴、液压缸和机架；其结构特点是铸挤轮外侧开设有环形槽，铸 挤轮与槽封块形成型腔，铸挤靴的包角为100° 130°，金属熔体浇注到型腔入口时，合 金熔体被逐渐冷却，通过旋转铸挤轮施加的摩擦力，合金熔体被拖入型腔深处，同时被旋转 工作辊剪切搅拌使组织细化，并在挡料块作用下，使金属流入挤压模辊靴型腔里，最终形成 镁合金棒/线材制品。连续铸挤机的使用方法为将连续铸挤机的挤压模和槽封块预热到350 400°C， 再安装到铸挤机的铸挤靴中，调整铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1 1. 5mm ；启动铸挤机， 调整铸挤轮的转速为10 15r/min，空转2 4min，进行铸挤轮和铸挤靴体的磨合预热；通 过流槽将上述的镁合金熔体浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，待挤压模挤压出1. 5 2m 的镁合金棒/线材时，开始向铸挤轮和铸挤靴中通冷却水冷却，以平衡凝固热和金属变形 热，使浇注到型腔内的金属熔体凝固后的实际温度为350 400°C，以保证制备出的镁合金 棒材或线材不因过热出现周期裂纹等表面缺陷；待熔体铸挤完毕停止浇注时，调整铸挤轮 转速为5 8r/min，并在铸挤轮转动条件下，将铸挤靴与铸挤轮分离，之后关闭电机将铸挤 轮停转，此时继续通冷却水5 10分钟，待铸挤轮和铸挤靴温度降到70°C以下时，停止冷 却，关闭电源。上述方法的N2+SF6混合气体中氮气与SF6的体积比为1000 2。上述的方法获得的镁合金棒材或线材抗拉强度至少225MPa，延伸率13 17%，自 腐蚀电位为-1. 347 -1. 457。
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虽然本发明采用的连续铸挤机已成功应用于铝合金线材和棒材的生产，但是由于 镁合金难以在该设备上产生大的摩擦力，截止目前，在世界上还没有利用该种技术制备镁 合金线材/棒材的报导；本发明通过添加Zn元素提高熔体的流动性，便于浇注，进一步添加 Cu能改善Mg-Zn合金的热裂倾向，使热裂的下限温度提高到460°C，并能控制MgCuZn共晶 组织形态，提高Mg合金塑性，同时，连续铸挤成形过程的工艺条件控制，使浇注到型腔内的 金属熔体凝固后在挤压模前端的实际温度为350 400°C，小于热裂的下限温度，所以彻底 避免了热裂的产生。本发明的方法首次实现了镁合金棒/线材连续铸挤成形，将液态镁合金金属直 接连续制备出高性能镁合金棒/线材；与传统的铸造镁合金锭坯、去皮加工、二次加热、高 温挤压工艺相比，采用连续铸挤成形工艺可节省成本30%以上、成材率达到95%以上、降 低能耗40%以上；本发明的方法解决了目前生产镁合金棒线材生产工艺流程长、成形效率 低、投资大、设备系统庞大、能耗高及成材率低等问题；本发明的方法理论上可连续生产无 限长的棒/线材，与常规挤压时只能生产长度有限的产品相比具有广阔的应用前景。
图1为本发明实施例1中的未经矫直的镁合金棒材产品照片图。图2为本发明实施例1中的镁合金棒材产品的金相组织显微照片图。图3为本发明实施例1中的镁合金棒材产品的室温拉伸性能曲线图。图4为本发明实施例1中的镁合金棒材产品与铸造的镁合金产品的极化曲线对比 图。
具体实施例方式本发实施例中采用的金属镁重量纯度彡99. 95%，金属铜的重量纯度彡99.8%, 金属锌的重量纯度彡99. 99%。本发明实施例中采用的电阻炉为RL-8型井式电阻炉。本发明实施例中采用的坩埚为高强石墨坩埚。本发明实施例中N2+SF6混合气体中氮气与SF6的体积比为1000 2。本发明实施例中制备的镁合金棒材或线材的直径为8 30mm。本发明实施例中采用的连续铸挤机为中国专利“铝合金连续铸挤机”(专利号 ZL952323184)所述的设备；本发明实施例中连续铸挤机冷却水的流量为10 20L/min。实施例1将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热lOmin。将预热后的金属镁放在清洁的坩埚中，然后放入电阻炉内，加热至400°C，通入保 护气体覆盖金属镁，在保护气体N2+SF6混合气体条件下将金属镁继续加热至720V，在金属 镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均勻，再保温静置 30min ；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 5.8%, Cu 2.8%，余量为Mg。采用连续铸挤机，铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至360°C，将镁 合金熔体通过通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，连续铸挤机的铸挤轮的转速为 15r/min，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，冷却水的流量为15L/min，使在挡料块前端
5的金属熔体凝固时温度在350 400°C，制备出直径12mm的镁合金线材；上述产品经风冷 至200°C，再卷取成盘。上述的连续铸挤机铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1. 5mm。最终铸挤镁合金线材的实物照片如图1所示，该线材的金相显微组织如图2所示， 其力学性能测试结果如图3所示，与传统铸造形成的镁合金产品的耐蚀性能对比测试结果 如图4所示。获得的镁合金线材产品抗拉强度达225MPa，延伸率13%，自腐蚀电位为-1. 422。 相对于铸态产品，其力学性能与耐蚀性都得到了提高。实施例2将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热lOmin。将预热后的金属镁放在清洁的坩埚中，然后放入电阻炉内，加热至450°C，通入保 护气体覆盖金属镁，在保护气体N2+SF6混合气体条件下将金属镁继续加热至740V，在金属 镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均勻，再保温静置 30min ；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 3.8%, Cu 3.2%，余量为Mg。采用连续铸挤机，铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至370°C，将镁 合金熔体通过通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，连续铸挤机的铸挤轮的转速为 13r/min，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，冷却水的流量为20L/min，使在挡料块前端 的金属熔体凝固时温度在350 400°C，制备出直径8mm的镁合金线材；上述产品经风冷至 210°C，再卷取成盘。上述的连续铸挤机铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1. 2mm。最终铸挤镁合金的性能测试结果为抗拉强度达258MPa、延伸率17%，自腐蚀电 位为-1. 457。相对于铸态产品，其力学性能与耐蚀性都得到了提高。实施例3将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热lOmin。将预热后的金属镁放在清洁的坩埚中，然后放入电阻炉内，加热至500°C，通入保 护气体覆盖金属镁，在保护气体N2+SF6混合气体条件下将金属镁继续加热至700°C，在金属 镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均勻，再保温静置 30min ；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn7. 2%，Cu 0.8%，余量为Mg。采用连续铸挤机，铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至380°C，将镁 合金熔体通过通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，连续铸挤机的铸挤轮的转速为 12r/min，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，冷却水的流量为lOL/min，使在挡料块前端 的金属熔体凝固时温度在350 400°C，制备出直径30mm的镁合金线材；上述产品经风冷 至220°C，再卷取成盘。上述的连续铸挤机铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1mm。最终铸挤镁合金的性能测试结果抗拉强度达385MPa、延伸率16%，自腐蚀电位 为-1. 347。相对于铸态产品，其力学性能与耐蚀性都得到了提高。实施例4将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热5min。将预热后的金属镁放在清洁的坩埚中，然后放入电阻炉内，加热至450°C，通入保护气体覆盖金属镁，在保护气体N2+SF6混合气体条件下将金属镁继续加热至730°C，在金属 镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均勻，再保温静置 40min ；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 4.9%，Cu 2.6%，余量为Mg。采用连续铸挤机，铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至390°C，将镁 合金熔体通过通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，连续铸挤机的铸挤轮的转速为 llr/min，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，冷却水的流量为15L/min，使在挡料块前端 的金属熔体凝固时温度在350 400°C，制备出直径15mm的镁合金线材；上述产品经风冷 至230°C，再卷取成盘。上述的连续铸挤机铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1. 5mm。实施例5将金属镁、金属锌和金属铜分别在200士 10°C条件下预热15min。将预热后的金属镁放在清洁的坩埚中，然后放入电阻炉内，加热至450°C，通入保 护气体覆盖金属镁，在保护气体N2+SF6混合气体条件下将金属镁继续加热至710V，在金属 镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均勻，再保温静置 20min;获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 7%, Cu 1%，余量为Mg。采用连续铸挤机，铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至400°C，将镁 合金熔体通过通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，连续铸挤机的铸挤轮的转速为 lOr/min，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，冷却水的流量为20L/min，使在挡料块前端 的金属熔体凝固时温度在350 400°C，制备出直径20mm的镁合金线材；上述产品经风冷 至210°C，再卷取成盘。上述的连续铸挤机铸挤轮和铸挤靴之间的间隙为1. 2mm。
权利要求
一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法，步骤包括熔炼金属和连续铸挤，连续铸挤采用的设备为连续铸挤机，连续铸挤机由电机、减速机和主机组成，主机包括流槽、铸挤轮、槽封块、铸挤靴、挤压模、挡料块、偏心轴、液压缸和机架，其特征在于按以下步骤进行(1)将金属镁、金属锌和金属铜分别在200±10℃条件下预热5～15min；(2)将金属镁加热至400～500C，然后在保护气体N2+SF6混合气体条件下继续加热至700～740℃，在金属镁熔化后加入预热后的金属锌和金属铜，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，再保温静置20～40min；获得镁合金熔体，要求其成分按重量百分比为Zn 3.8～7.2％，Cu 0.8～3.2％，余量为Mg；(3)采用连续铸挤机，将镁合金熔体通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，铝合金连续铸挤机的铸挤轮的转速为10～15r/min，制备出镁合金棒材或线材，铸挤时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，使在挡料块前端的金属熔体凝固时温度在350～400℃；上述的铸挤轮和连续铸挤机上的槽封块在使用前预热至350～400℃。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法，其特征在于所述 的N2+SF6混合气体中氮气与SF6的体积比为1000 2。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法，其特征在于所述 的镁合金棒材或线材的直径为8 30mm。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法，其特征在 于所述的镁合金棒材或线材抗拉强度至少225MPa，延伸率13 17%，自腐蚀电位 为-1. 347 -1. 457。
全文摘要
一种镁合金棒/线材的连续铸挤成形方法，属于冶金技术领域，按以下步骤进行(1)将镁、锌和铜分别预热；(2)将金属镁在保护气体条件下继续加热至700～740℃，在金属镁熔化后加入锌和铜，待全部金属熔化后，搅拌均匀，静置获得镁合金熔体；(3)采用连续铸挤机，将镁合金熔体通过流槽浇注到铸挤轮与槽封块形成型腔中，制备出镁合金棒材或线材。本发明的方法首次实现了镁合金棒/线材连续铸挤成形，将液态镁合金金属直接连续制备出高性能镁合金棒/线材，解决了目前生产镁合金棒线材生产工艺流程长、成形效率低、投资大、设备系统庞大、能耗高及成材率低等问题。
文档编号B22D11/06GK101890485SQ20101019421
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者任玉平, 左良, 李松, 李英龙, 秦高梧, 裴文利 申请人:东北大学