一种含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法
【专利摘要】本发明公开了一种含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，将镁与低熔点的元素制备成成分稳定的中间合金，在该中间合金中低熔点元素几乎不烧损，成分稳定无偏析，可以作为配制其他镁合金熔炼过程的中间合金使用，提高在熔炼铸造过程中低熔点合金元素的收得率，实现稳定生产。本发明通过钢桶密封后对含有低熔点元素的镁合金进行熔炼和铸造，已经成功制备出了Mg-Hg、Mg-Ga、Mg-In、Mg-Sn、Mg-Bi、Mg-Pb等六种含不同成分的低熔点合金元素的镁基中间合金，工艺简单，制造的含低熔点金属元素的镁基中间合金成分均匀，低熔点元素损耗小，在实际生产中获得了成功的应用。
【专利说明】一种含低溶点金属元素的镁基中间合金密封溶炼铸造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对含有低熔点金属元素的镁基中间合金，采用完全密封的方式进行熔炼和铸造，获得低熔点金属组元烧损少、成分均匀的中间合金的方法。【背景技术】
[0002]随着新型轻金属材料的研发和使用，镁合金因为具有密度低、强度高等独特的性能优势，在航天航空、轨道交通、汽车、3C产品、电子器件、化学电源等众多领域都得到广泛的应用。
[0003]在各种不同的镁合金体系中，目前工业上使用的主要合金体系分为Mg-Al-Zn系列、Mg-Zn-Zr系列和Mg-RE (稀土)系列三大类。而随着镁合金应用领域的不断扩大，镁合金的合金种类不断增加，一些新的合金元素作为添加的组元，可以起到提高镁合金力学性能，降低其腐蚀速率，提高镁合金综合性能的作用。在这些新开发的合金组元中有一大类是熔点较低的金属元素，例如汞(熔点-38 °C )、镓(熔点29.8 °C )、铟(熔点156.6 °C )、锡(231.9°C)、铋(271.3°C)、铅(熔点327.5°C )等，这些低熔点金属元素可以添加到镁合金中提高材料的抗蠕变性能、抗疲劳性能或者改变其腐蚀性能等。但是，由于镁合金在熔炼铸造过程中，镁熔体的温度在700°C~900°C，镁合金的铸造温度也在700°C~720°C，会造成这些添加的低熔点合金元素在高温下熔炼铸造时的氧化和烧损特别严重。例如，当添加汞、镓或铟等元素时，将这些元素直接加入到镁熔体中时，还未等这些元素与高温下的镁熔体实现合金化，这些元素就已经在高温下挥发或者氧化了，低熔点的元素烧损特别严重。此外，在镁熔炼过程中，需要在镁熔体中添加覆盖剂、精炼剂等溶剂，来降低镁熔体的氧化，尤其是要阻止金属镁液在高温下自身的燃烧，而这些溶剂也会很容易和低熔点的金属元素造渣，造成这些低熔点元素的损失，如添加铅、锡、铋等元素时，因为这些元素密度本来就远远超过镁，再和溶剂发生造渣反应，很容易形成渣沉淀到镁合金熔体的底部造成损耗。因此，基于上述原因，直接在镁熔体中添加低熔点元素的常规方法是不成功的，元素损耗大，收得率低且不稳定，无法实现批量化生产。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种将低熔点的元素加入到熔化的镁液中并且尽量减少这些低熔点元素的损耗的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，其特征是:步骤如下:
[0006](I)、采用耐热800°C的无缝钢管，一端用钢板焊接封闭成钢桶，另一端为开口端，将纯镁液浇注在钢桶中，镁液与钢桶开口端齐平；
[0007](2)、在钢桶的开口端的镁锭上用钻头打孔，孔径在10~20mm，孔深为50~150mm，按中间合金中低熔点元素的成分配比，将低熔点金属元素加入钻好的孔中，低熔点元素的成分范围控制在10%~30wt%之间；在孔中加入低熔点元素后，用事先准备好的与孔尺寸相当的纯镁塞子塞住孔，确保低熔点的元素完全放置在镁锭中；
[0008](3)、将钢桶的开口端同样用钢板焊接密封，将镁锭和低熔点的合金元素一起密封在钢桶中；
[0009](4)、将密封了镁锭和低熔点合金元素的钢桶放入电阻炉中，随炉升温熔炼，熔化温度定在680~720°C ;到达熔化温度后保温I小时以上；
[0010](5)、保温后，将钢桶直接从炉中取出，放入事先准备的水槽中冷却，镁合金的冷却凝固过程也完全在密封的钢桶中进行，不受外界大气环境的影响；
[0011](6)、将完全冷却后的钢桶从水槽中取出，锯开钢桶，取出内部的镁合金锭，就得到含有低熔点合金元素的镁基中间合金。
[0012]所述的钢管的直径在70~127mm标准钢管范围内，壁厚在3~4mm之间。
[0013]上述步骤(4)中，在熔炼保温过程中，将高温密封的钢桶进行滚动10~15分钟，确保其内部的镁液和低熔点合金之间混合均匀。
[0014]采用上述技术方案的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，造成在镁液中低熔点元素损耗的两个重要的原因，第一是低熔点元素在镁液高温下的挥发和氧化，第二是低熔点元素与镁液的阻燃溶剂之间反应造成的造渣损耗。本发明避免了低熔点金属在高温下的氧化和挥发，同时熔炼铸造过程中也不用添加阻燃溶剂，可以有效地避免上述两个缺点。发明将镁与低熔点的元素制备成稳定成分范围的中间合金，在该中间合金中低熔点元素几乎不烧损，成分稳定无偏析，可以作为配制其他镁合金熔炼过程的中间合金使用，提高在熔炼铸造过程中低熔点合金元素的收得率，实现稳定生产。通过本发明方法已经成功制备出了多种不同成分的含低熔点合金元素的镁基中间合金，在实际生产中获得了成功的应用。为操作方便， 一般钢管直径在70~127mm标准钢管范围内，壁厚在3~4mm之间，准备同样厚度的钢板，切割成与钢管外径相同的圆片，将其与钢管一头焊接，做成一个一端封闭的钢桶备用；将钢桶称重记录，然后把熔化的纯镁溶液浇注到钢桶中直至与钢桶开口端平齐，待镁液完全凝固后，在钢桶中获得纯镁锭。在钢桶开口端的纯镁锭上用钻头打孔，一般孔径在10~20mm，孔深50~150mm，将钻好孔洞的镁锭连同外面的钢桶，一起称重，将其重量减去原来单独钢桶的重量，获得纯镁的质量；按中间合金中低熔点元素的成分配比，将低熔点金属元素加入在镁锭钻好的孔中，一般低熔点元素的成分范围在10%~30wt%之间。在孔中加入低熔点元素后，可以用事先准备好与孔尺寸相当的纯镁塞子塞住孔，确保低熔点的元素完全放入镁锭中；将钢桶开口端同样用原来准备好的钢板焊接，这样就将镁锭和低熔点的合金元素一起密封在钢桶中；将密封了镁锭和低熔点合金元素的钢桶放入电阻炉中，随炉升温熔炼，一般将熔化的温度定在680~720°C，此时镁锭和低熔点的金属元素都已经完全熔化(镁的熔点约650°C )，而此时因为钢桶焊接密封的原因，没有氧气与熔化的镁或者低熔点元素接触，因此不会产生氧化烧损，同时不需要加入溶剂阻燃，也不会有溶剂与低熔点金属之间的造渣反应；为保证熔化后铸锭成分的均匀性，在熔炼过程中，可以将高温密封的钢桶进行滚动10~15分钟，确保其内部的镁液和低熔点合金之间混合均匀；一般到达熔炼温度后保温I小时以上，合金就完全熔化，待钢桶滚动结束后，可以将钢桶直接从炉中取出，放入事先准备的水槽中冷却，镁合金的冷却凝固过程也完全在密封的钢桶中进行，不受外界大气环境的影响；将完全冷却后的钢桶从水槽中取出，锯开钢桶，取出内部的镁合金锭，就得到含有低熔点合金元素的镁基中间合金，将该中间合金不同部位取样进行成分分析，与加入量比较，一般低熔点合金元素的损耗量都小于1%，可以获得收得率很高的镁和低熔点元素组成的中间合金锭。
[0015]本发明在密封的条件下制备出含有低熔点金属元素的镁合金，低熔点元素氧化烧损小，获得的镁基中间合金成分均匀。
[0016]本发明的优点在于:
[0017]1、生产工艺简单，只要采用无缝钢管焊接密封，就可以在常规的电阻炉中进行熔炼铸造，不需要特殊的针对镁合金的气氛保护加热炉等设备；
[0018]2、该方法针对含低熔点金属元素的镁合金有效，可以大幅度减少低熔点元素的氧化和烧损，获得合格镁基中间合金，该中间合金可以作为后续镁合金熔炼铸造时的中间合金进行使用。
[0019]综上所述，本发明通过钢桶密封后对含有低熔点元素的镁合金进行熔炼和铸造，工艺简单，制造的含低熔点金属元素的镁基中间合金成分均匀，低熔点元素损耗小，适合规模化生产。
【具体实施方式】
[0020]本发明提供的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，详细的生产步骤如下:
[0021](1)、准备可耐温800°C的无缝钢管，钢管直径在70~127mm标准钢管范围内，壁厚在3~4mm之间，准备同样厚度的钢板，切割成与钢管外径相同的圆片，将其与钢管一头焊接，做成一个一端封闭、另一端为开口端的钢桶备用；
[0022](2)、将钢桶称重记录，然后把熔化的纯镁液浇注到钢桶中直至与钢桶开口端平齐，待续液完全凝固后，在钢桶中犹得续徒。在钢桶开口端的续徒上用钻头打孔，孔径在10~20mm，孔深50~150mm，将钻好孔洞的镁锭连同外面的钢桶，一起称重，将其重量减去原来单独钢桶的重量，获得纯镁的质量；
[0023](3)、按中间合金中低熔点元素的成分配比，将低熔点金属元素加入在镁锭钻好的孔中，低熔点元素的成分范围在10%~30wt%之间。在孔中加入低熔点元素后，用事先准备好与孔尺寸相当的纯镁塞子塞住孔，确保低熔点的元素完全放入镁锭中；
[0024](4)、将钢桶的开口端同样用原来准备好的钢板焊接，这样就将镁锭和低熔点的合金元素一起密封在钢桶中；
[0025](5)、将密封了镁锭和低熔点合金元素的钢桶放入电阻炉中，随炉升温熔炼，一般将熔化的温度定在680~720°C，此时镁锭和低熔点的金属元素都已经完全熔化(镁的熔点约650°C )，而此时因为钢桶焊接密封的原因，没有氧气与熔化的镁或者低熔点元素接触，因此不会产生氧化烧损，同时不需要加入溶剂阻燃，也不会有溶剂与低熔点金属之间的造渣反应;
[0026](6)、为保证熔化后铸锭成分的均匀性，在熔炼过程中，将高温密封的钢桶进行滚动10~15分钟，确保其内部的镁液和低熔点合金之间混合均匀；
[0027](7)、到达熔炼温度后保温I小时以上，合金就完全熔化，待钢桶滚动结束后，将钢桶直接从炉中取出，放入事先准备的水槽中冷却，镁合金的冷却凝固过程也完全在密封的钢桶中进行，不受外界大气环境的影响；
[0028](8)、将完全冷却后的钢桶从水槽中取出，锯开钢桶，取出内部的镁合金锭，就得到含有低熔点合金元素的母合金，将该母合金不同部位取样进行成分分析，与加入量比较，一般低熔点合金元素的损耗量都小于2%，可以获得收得率很高的镁和低熔点元素组成的中间合金锭。
[0029]下面通过【具体实施方式】对本发明作进一步说明。各实施例配料及最终检测获得的含低熔点金属兀素的镁基中间合金成分见表1。
[0030]表1实施例1~6获得的镁基中间合金成分
[0031]
【权利要求】
1.一种含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，其特征是:步骤如下: (1)、采用耐热800°c的无缝钢管，一端用钢板焊接封闭成钢桶，另一端为开口端，将纯镁液浇注在钢桶中，镁液与钢桶开口端齐平 ； (2)、在钢桶的开口端的镁锭上用钻头打孔，孔径在10~20mm，孔深为50~150mm，按中间合金中低熔点元素的成分配比，将低熔点金属元素加入钻好的孔中，低熔点元素的成分范围控制在10%~30wt%之间；在孔中加入低熔点元素后，用事先准备好的与孔尺寸相当的纯镁塞子塞住孔，确保低熔点的元素完全放置在镁锭中； (3)、将钢桶的开口端同样用钢板焊接密封，将镁锭和低熔点的合金元素一起密封在钢桶中； (4)、将密封了镁锭和低熔点合金元素的钢桶放入电阻炉中，随炉升温熔炼，熔化温度定在680~720°C ;到达熔化温度后保温I小时以上； (5)、保温后，将钢桶直接从炉中取出，放入事先准备的水槽中冷却，镁合金的冷却凝固过程也完全在密封的钢桶中进行，不受外界大气环境的影响； (6)、将完全冷却后的钢桶从水槽中取出，锯开钢桶，取出内部的镁合金锭，就得到含有低熔点合金元素的镁基中间合金。
2.根据权利要求1所述的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，其特征是:所述的钢管的直径在70~127mm标准钢管范围内，壁厚在3~4mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的含低熔点金属元素的镁基中间合金密封熔炼铸造方法，其特征是:上述步骤(4)中，在熔炼保温过程中，将高温密封的钢桶进行滚动10~15分钟，确保其内部的镁液和低熔点合金之间混合均匀。
【文档编号】B22D21/04GK103484699SQ201310408919
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】余琨, 赵俊 申请人:中南大学