一种镁/镁固液复合铸造成型方法与流程

本发明涉及一种镁/镁固液复合铸造成型方法，属于材料加工工程领域。

背景技术：
镁合金作为最轻的工业金属结构材料，具有高比强度、高比刚度，优良的阻尼性能等许多特性，其产品在航空、航天、汽车及3C产品(计算机、通信、消费类电子)制造业等领域的应用日益广泛。近年来，由于日益紧迫的汽车减重需求，镁合金的低密度使得它在交通运输领域再次产生了极强的吸引力，镁合金的需求出现了一个快速增长期。然而，镁合金相对较弱的强度和塑性以及高温下的抗蠕变能力差等特点严重限制了它的广泛应用。金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属结合在一起的一种新型材料，它弥补了各组元的不足，综合了各种材料的优点，通过对各组元合金的优化配合，可以实现整体性能的多样性，己经广泛应用于汽车、机械、船舶、冶金、矿山、环保设备和化工设备等方面。不锈钢/铝层状复合材料既具有不锈钢的优良耐蚀性、高强度、高塑性及表面光亮的特点，又具有铝合金质量轻、成形性好及优良的导电、导热性能。钛/铝层状复合材料既具有钛合金耐腐蚀、耐高温、抗冲击韧性高等优点，又具有铝合金低比重、高热导性等优势，而且能够减少钛合金用量，大幅降低使用成本。然而目前关于镁/镁层状复合材料的研究还鲜有报道。C.Y.Liu等采用复合轧制AZ31薄板，制成镁/镁层状复合材料[C.Y.Liu,Q.Wang,Y.Z.Jia,R.Jing,B.Zhang,M.Z.Ma,R.P.Liu.MicrostructuresandmechanicalpropertiesofMg/MgandMg/Al/Mglaminatedcompositespreparedviawarmrollbonding.MaterialsScienceAndEngineeringA:556(2012)1-8]。StephanReichelt等人采用ARB(AccumulativeRoll-Bonding)方法制成AZ31复合板，并通过测试剪切强度来探究影响复合强度的工艺参数[StephanReichelt,HaithamSaleh,MatthiasSchmidtchen,RudolfKawalla.OntheBondingStrengthofMg-MgandMg-AIMaterialCompounds.MaterialsScienceForumVols.783-786(2014)455-460]。上述制备的这些镁/镁金属层状复合材料，由于其明显的界面脆性以及较差的弹塑性，导致结合强度并不高，在界面处容易开裂。与此同时，层状复合材料制备的关键在于复合技术的发展。常见的复合制备方法有铸造复合法、轧制复合法、挤压复合法、爆炸复合法和爆炸+轧制复合法等。复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件或铸坯，使铸件或材料的不同部位具有不同的性能，以满足各种使用性能的要求。常规复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造、离心复合铸造，近年来出现了水平磁场制动复合连铸法(LMF)、包覆层连续铸造法(CPC)、电渣包覆铸造法(ESSLM)、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双流连铸梯度复合法、双结晶器连铸复合法、充芯连铸法(CFC)等复合铸造新技术和新工艺。然而，目前现有的铸造方法尚没有应用到镁/镁层状复合材料的制备中。

技术实现要素：
本发明的内容是克服现有技术的不足，用固-液复合法制备镁/镁复合铸件，旨在解决现有工艺制备镁/镁复合材料存在的工艺复杂、重复性差、产品形状和尺寸受到限制、界面反应层厚且不均匀、裂纹和孔洞等缺陷较多、界面结合强度不高等问题。本发明的技术方案如下：(1)将镁合金(板材、型材、棒材、网)进行机加工得到需求的材料样式；(2)对预制的固体镁合金棒表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物；(3)熔炼其他成分的镁合金熔体，熔炼期间需要四氟化硫和二氧化碳混合气体保护，直至镁合金基体完全熔融；(4)在镁熔体中插入先前处理好的不同材料样式的镁合金，插铸温度控制在610～690℃；(5)插入后保温5min～15min，然后整体取出空冷至室温。所述的插铸固体镁合金材料为纯镁系列、AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系列，AM(Mg-Al-Mn)系列，AS(Mg-Al-Si)系列，AE(Mg-Al-RE)系列，Mg-Y-Zn、Mg-Gd-Zn、Mg-Gd-Y-Zn、Mg-Gd-Y-Zr合金系；所述理想粗糙度为2000#砂纸打磨后所得粗糙度。所述的化学清洗为依次使用5％NaOH溶液、去离子水、5％盐酸溶液、去离子水和无水乙醇。所述的基体熔化镁合金铸锭为纯镁系列、AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系列，AM(Mg-Al-Mn)系列，AS(Mg-Al-Si)系列，AE(Mg-Al-RE)系列，Mg-Y-Zn、Mg-Gd-Zn、Mg-Gd-Y-Zn、Mg-Gd-Y-Zr合金系；所述熔炼过程中应进行搅拌、扒渣。所述的插铸镁合金方式为中心垂直插入。所述的镁/镁固液复合铸造成型方法步骤(5)中试样取出时要保持稳定，不应出现较大幅度晃动。通过本发明的复合铸造工艺方法生产得到的镁/镁复合铸件，其界面实现了完全均匀的冶金结合，界面抗拉、抗剪力学性能优异，且塑韧性高。同时，通过工艺调整可成功制备较大尺寸的复合铸件，以适应生产过程中对不同力学性能的要求。本发明的特点是通过热处理调控减少了合金元素在界面处因发生扩散偏聚而形成的脆性相，同时通过固液结合界面处元素的互扩散调控，在保证冶金结合的同时保证了复合材料的高韧性、高强度等特点。采用本发明制备的复合铸件界面无反应层，裂纹及孔洞等缺陷少，结合强度高，抗拉强度为120～220MPa，依据界面层厚度及制备条件而变化，高于未实现铸造复合时纯镁拉伸强度。另外，制备的镁/镁复合材料界面塑韧性好，拉伸时断裂均产生在镁合金基体处而非复合界面处，这与以往的报道明显不同。附图说明图1是实施例1中典型镁/镁复合界面层的微观组织形貌；图2是实施例1中典型镁/镁复合材料的拉伸应力应变曲线；图3是镁/镁复合铸造装置示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。实施例1：AZ31/AZ91D复合铸造镁合金牌号及成分：AZ91D镁合金，其质量分数：Al8.5～9.5％,Zn0.45～0.90％,Mn0.17～0.40％,Si≤0.05％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％，Fe≤0.004％，其他元素≤0.10％且合计≤0.40％，其余为Mg。镁合金牌号与成分：AZ31镁合金，其质量分数：Al2.5～3.1％,Zn0.82～0.90％,Mn0.30～0.50％,Si≤0.05％，Ca≤0.05％，Be≤0.10％，Fe≤0.005％，其他元素≤0.10％且合计≤0.40％，其余为Mg。具体步骤：(1)将经机加工得到尺寸为Φ30×110mm(直径30mm，长度110mm)的AZ31镁棒表面进行机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物。机械处理为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#，2000#砂纸进行打磨，使镁棒表面得到所需粗糙度；所述化学清洗为依次使用5％NaOH溶液、去离子水、5％盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗镁棒表面，去除表面油污。(2)采用井式电阻加热炉，低碳钢坩埚熔炼AZ91D镁锭，期间需要四氟化硫和二氧化碳混合气体保护，将计量好的AZ91D镁锭加热稳定至650℃，熔化后搅拌1～2min，并扒渣。后在坩埚上放置石墨盖，关闭炉门直至温度恒定。(3)在AZ91D镁合金熔体中插入先前处理好的AZ31镁棒。(4)在井式炉中保温6min后，缓慢取出空冷至室温。得到的镁/镁复合界面层的微观组织形貌如图1所示，可以看出整个界面反应层薄且均匀，裂纹和孔洞等缺陷少。对AZ31/AZ91D复合铸件进行拉伸强度测试，其拉伸强度为143.1MPa。图2为得到的AZ31/AZ91D复合铸件拉伸应力应变曲线。实施例2：AZ31/AZ61复合铸造工艺镁合金牌号及成分：AZ31镁合金，其质量分数：Al2.5～3.1％,Zn0.82～0.90％,Mn0.30～0.50％,Si≤0.05％，Ca≤0.05％，Be≤0.10％，Fe≤0.005％，其他元素≤0.10％且合计≤0.40％，其余为Mg。镁合金牌号与成分：AZ61镁合金，其质量分数：Al5.5～7.5％,Zn0.5～1.5％,Mn0.15～0.40％,Si≤0.10％Fe≤0.01％，Si≤0.10％，Ni≤0.005％，其他元素≤0.10％且合计≤0.40％，其余为Mg具体步骤：(1)将经机加工得到尺寸为Φ30×110mm(直径30mm，长度110mm)的AZ31镁棒表面进行机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物。机械处理为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#，2000#砂纸进行打磨，使镁棒表面得到所需粗糙度；所述化学清洗为依次使用5％NaOH溶液、去离子水、5％盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗镁棒表面，去除表面油污及氧化物。(2)采用井式电阻加热炉，低碳钢坩埚熔炼AZ61镁锭，期间需要四氟化硫和二氧化碳混合气体保护，将计量好的AZ61镁锭加热稳定至650℃，熔化后搅拌1～2min，并扒渣。后在坩埚上放置石墨盖，关闭炉门直至温度恒定。(3)在AZ61镁熔体中插入先前处理好的AZ31镁棒。(4)在井式炉中保温6min后，缓慢取出空冷至室温。得到的镁/镁复合铸件复合界面反应层薄且均匀，裂纹和孔洞等缺陷少。对铸件进行拉伸强度测试，拉伸强度为140.1Mpa。以上各实施例所采用的镁/镁复合铸造装置如图3所示。