镁合金超低温铸造制取半固态浆方法 所属技术领域
本发明属金属材料成形技术领域。背景技术
由于镁hcp晶体结构和相对低的导热能力(300℃时，纯铝的热导率为234W·m-1·℃-1，而纯镁为150W·m-1·℃-1，只及Al的64％)，镁合金铸造极易造成粗大枝晶、成份偏析、夹杂、组织疏松、表面质量差以及热裂倾向大等一系列问题。
由于镁合金铸造存在以上诸多问题，因此，产品质量差，难以满足应用的需要，特别是难以满足镁合金体积变形的需要。大量试验表明半固态成形方法是解决镁合金以上问题的一个有效可行的工艺技术。
半固态金属成形方法是1972年麻省理工学院提出的一种工艺方法。它是别于传统的锻造、轧制等体积成形方法，也不同于铸造等液态成形方法，是以上两类工艺制度相结合的产物，具有低残余应力，高致密性，低能耗，短流程，近终型等优点，是一种全新的近终型金属成形技术。经过几十年的研究，该工艺技术得到了长足的发展，提出了多种半固态成形方法，并形成了多个专利技术，可以分为两大类：一是流变铸造与成形，另一是触变铸造与成形。属于前者的专利主要有1996年康奈尔大学的流变成形技术，1996年日本宇部株式会社的新流变铸造(NRP)技术，英国Brunel大学的双螺旋流变射铸(Twin-screw rheomoulding)技术；属于后者的有Thixomat公司的触变射铸(Thixomoulding)技术，这种方法是目前唯一实现镁合金半固态加工的工艺方法。以上各种方法的共同特点是要么需要工艺及设备相当复杂地机械搅拌，设备制造须用特殊材料以减缓磨损，要么需要十分精确的形核控制工艺，需要很高的设备投资和营运资本。发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种镁合金超低温铸造制取半固态浆方法。
本发明方法包括以下工艺步骤：
1、熔化镁，在开式炉铁坩埚中将镁熔化，熔化温度为670～680℃；
2、添加组合阻燃元素，当镁全部熔化后，添加由Ca和混合稀土组成的组合阻燃元素，添加量(以重量百分数计)添加含Ca98％的工业纯Ca1～2％含铈Ce和镧La70％以上的混合稀土0.3～1％；
3、添加合金元素：各合金元素加入量依镁合金要求而定，其中Al、Zn以纯金属形式加入，加入温度700℃，Mn以铝锰合金形式加入，其中的Mn占10％，锆以镁锆中间合金形式加入，其中的锆占25％；
4、在添加合金元素后，升温到680～700℃，保温20min后再降温至液相线下温度0～20℃，静置0～45分钟；
5、铸造，在半连续铸造机上铸造，铸造温度为液相线下0～20℃，铸造速度为100～180mm/min。
该方法通过组合添加阻燃合金元素，实现镁合金的难燃熔炼与祷造，并通过超低温铸造及对铸造温度下静置时间和浇铸冷却速率的控制，制取镁合金半固态浆料锭坯。该浆料可以为镁合金的半固态成形的二次加热(部分重熔)工艺提供坯料，也可以用于锻造、挤压等常规的体积成形。
通过组合添加阻燃元素(Ca，Ce及La)实现镁合金的无覆盖剂熔炼，通过在液相线及低于液相线的温度下的适当静置后在一定冷却速率下进行浇铸，实现了内部无夹杂和疏松，显微组织为细化了的枝晶和蔷薇结构或为近球形结构，经过二次加热(部分重熔)可以获得理想的半固态触变结构。
本发明采用的组合添加阻燃合金元素，各元素的质量分数为0～3％Ca，0～2％Ce，0～2％La，在镁合金液相线温度以下0～20℃的温度下对半固态熔体进行适当静置，时间为0～45min，然后进行半连续铸造制取半固态坯料。
无覆盖剂和精炼剂铸造避免了夹渣，无气体覆盖简化了操作，改善了劳动条件并不对环境造成损害。
在液相线及液相线以下温度所进行的铸造，熔体过冷度较大，在过冷液相中的稳定形核功小，形核临界半径小，形核容易，较小尺寸的相起伏亦可结晶形核，形核数量高，促使晶粒细化。
超低温铸造温度控制在液相线及液相线温度以下静置，时间短时，形核数量少，可形核长大的晶体数量及生长程度较小，结晶过程中剩余的较多液相在大冷却速率下多数将以枝晶长大。静置时间过长，生长过程中的形核颗粒互相碰撞，在位向合适时就会融合吞并长大，形成大晶粒。适当时间的静置有利于二次枝晶臂从主干上游离出来。分枝的颈缩处熔化，颈缩以外的部分继续生长，同时，一些细小的分枝熔化而粗大分枝残存，所有的分枝都趋于形成有最小表面能的形状，从而使枝晶熔断，枝晶臂游离，获得细小的枝晶与蔷薇晶共存的组织或者为蔷薇晶与近球形晶粒的浆料组织。高冷却速率有助于组织细化和球化。这是因为冷却释放出来的潜热和显热及时得以扩散，等温静置时已形成的晶体颗粒基本上没有发生重熔，且铸模内对流减弱，使得业已形成的晶体颗粒向模壁沉积而成为柱状晶的趋势得以有效的抑制，从而使得组织得到细化和一定程度的球化。
该浆料组织在二次加热(部分重熔)可以获得理想的触变组织结构。由于制浆温度比传统铸造温度低100℃以上，节能显著，并且在浇铸过程中极大减小了凝固温度梯度，凝固缩孔大大减小，由此极大减小了镁合金的热裂趋势和浆料组织的内外差异。
该工艺具有熔炼和铸造工艺简单，无需搅拌，无须特殊设备。获得的半固态浆坯料表面质量高和内部组织优良。
本发明制取镁合金半固态浆料具有如下主要特点：
可以获得质量优良的半固态浆料组织：采用该方法制取的半固态浆料具有晶粒细小，枝晶长大得到有效抑制，组织为细小退化枝晶、蔷薇晶或近球形晶。可作为半固态加工二次加热坯料，也是镁合金常规体积变形的质优价廉的坯料；
制浆工艺方法和设备简单：无须现有镁合金制浆方法的机械搅拌或严格控制；不存在搅拌剪切所造成的对设备的侵蚀和磨损，设备制造无须特殊的材质；
节能降耗显著：比镁合金传统铸造温度低100℃以上，熔化和保温所需的能量大大降低；而且无机械搅拌所需的能量消耗；
超低温铸造大大降低了镁合金的氧化燃烧趋势；
可缩短二次加热的时间：在液相线及液相线以下的温度下的适当静置有类似于传统半固态二次加热的效果，缩短了二次加热所需的时间；
成分偏析小：凝固区间小，时间短，高冷速下造成的溶质偏析小；
热裂性和组织结构不均减小：锭坯内外温度梯度，减少锭坯内外组织的不均匀性，并且抑制了镁合金的易热裂性，可实现大尺寸铸锭的铸造；
锭坯的组织疏松显著减小，致密度和氧化夹杂趋势减少；
成材率提高。附图说明
图1为本发明实施例1.AZ91D组织对比图，
其中：a为传统铸造组织，
b为液相线铸造组织，
c为液相线铸造后二次加热组织；
图2为本发明实施例2.ZK60镁合金组织对比图，
其中：a为传统铸造组织，
b为液相线铸造组织，
c为液相线铸造后二次加热组织。具体实施方式
AZ91D镁合金的超低温铸造制取半固态浆，按前述工艺步骤，铸造温度为590℃，铸造速度为150mm/min。获得的浆料组织与传统铸造的对比以及半固态浆料锭坯二次加热(部分重熔)后的激冷组织如图1所示。可见，超低温铸造晶粒明显细化，枝晶退化显著，组织呈现为细小退化枝晶或蔷薇结构。经过二次加热(部分重熔)的组织，固相颗粒圆整，均匀，完全可以满足半固态成形要求。
ZK60镁合金的超低温铸造制取半固态浆，按前述工艺步骤，铸造温度为620℃，铸造速度为120mm/min。ZK60镁合金传统铸造组织如图2a。本发明制浆工艺获得的浆料组织以及半固态浆料锭坯二次加热(部分重熔)后的激冷组织如图2b、c所示。可见，超低温铸造晶粒明显细化，组织呈现为细小近球形结构；经过二次加热(部分重熔)的组织，固相颗粒圆整，均匀，完全可以满足半固态成形要求。