專利名稱：一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金力學(xué)性能的制備方法，特別提供了一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，可以大幅度地提高加鈣阻燃鎂合金鑄態(tài)力學(xué)性能。
背景技術(shù)：
鎂合金與鋼鐵、鋁合金、工程塑料等材料相比，表現(xiàn)出輕質(zhì)、高阻尼性、抗振、高導(dǎo)熱性、抗電磁干擾、高電負(fù)性和易于回收等一些非常明顯的性能優(yōu)勢，使得鎂合金在交通工具、3C產(chǎn)品、陽極材料等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”。
鎂合金制備的難題是易氧化和燃燒，這是與其他工程材料尤其是鋁合金的一個重要差別。這給鎂合金的生產(chǎn)帶來了眾多不便例如，要增加輔助設(shè)備和措施以防止燃燒等，因此限制了鎂合金的應(yīng)用和發(fā)展。
鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，在空氣中極易氧化，高溫時氧化更為強(qiáng)烈。由于鎂的氧化膜不致密且導(dǎo)熱性很差，氧化反應(yīng)釋放出的熱量無法及時散失，這就會引起熔體溫度的升高，從而使氧化反應(yīng)速度加快，釋放更多的熱量，形成惡性循環(huán)，燃燒反應(yīng)更加劇烈。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，鎂合金的熔液保護(hù)技術(shù)不斷提高和成熟。目前，阻止鎂合金熔煉及其鑄造時燃燒的主要方法有SF6混合氣體保護(hù)、熔劑保護(hù)和合金化阻燃。鎂合金熔劑主要有兩種作用(1)覆蓋作用熔融的熔劑借助表面張力的作用，在鎂熔液表面形成連續(xù)、完整的覆蓋層，隔絕空氣，阻止Mg-O2、Mg-H2O反應(yīng)，防止了鎂的氧化，也能撲滅鎂的燃燒。(2)精煉作用熔融的熔劑對非金屬夾雜物具有良好的潤濕、吸附能力，并利用熔劑與金屬的密度差，把金屬夾雜物隨同熔劑自熔液中排除。熔劑保護(hù)法一個很大的缺陷是不能進(jìn)行動態(tài)保護(hù)，這會給澆注過程帶來太多不便，而且還會影響鑄件的質(zhì)量。這是因?yàn)殒V合金鑄件中的氧化夾雜和熔劑夾雜往往來自于澆注過程，澆注時熔劑很容易隨熔液混入鑄型中而形成熔劑夾雜。
合金化阻燃是在鎂合金熔體中加入合金元素來起到阻燃作用。工業(yè)生產(chǎn)中常將Be添加到鎂合金熔體中生成保護(hù)性氧化膜，提高熔體的抗氧化性能，阻止其燃燒。添加少量的Be能夠提高鎂合金的阻燃性能，但是Be含量過高會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。一般鎂合金中Be的含量限定在0.02％以內(nèi)，但是這一含量不足以實(shí)現(xiàn)鎂合金的無保護(hù)熔煉。還有一個嚴(yán)重的問題是Be有毒，不僅對人體有害，而且廢渣還危害環(huán)境。在鎂合金熔液中加入大量的鈣，可提高鎂合金的起燃溫度，阻止熔煉和澆注時的燃燒，日本學(xué)者秋山茂等人的研究結(jié)果表明當(dāng)向純鎂熔體中添加鈣含量達(dá)到5wt％時，第一個氧化燃燒點(diǎn)出現(xiàn)時的溫度比純鎂高250℃，而且只要不發(fā)生機(jī)械破壞，燃燒就難以產(chǎn)生；同時，還證實(shí)鎂-鈣二元合金液的表面生成了一層致密氧化膜，其主要成分為氧化鈣。雖然研究表明少量的鈣(鈣含量小于0.5wt％)能細(xì)化鑄態(tài)組織和提高蠕變性能，可是加入少量鈣時不能阻止鎂合金熔體的燃燒。大量的研究證實(shí)當(dāng)鈣含量大于0.5wt％，隨著鈣含量的增加鎂合金的力學(xué)性能會急劇惡化，這主要是由于鈣含量過高導(dǎo)致在晶界出現(xiàn)了富鈣的金屬間化合物，極大地降低鎂合金的力學(xué)性能，從而無法利用鈣能提高鎂合金燃點(diǎn)這一特性。因此，鈣的阻燃一直沒有得到實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，其工藝簡單有效，適用范圍廣，能耗和成本低。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供了一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，鎂合金熔體在0.2-1.0T的磁場下凝固，對鎂合金熔體添加鈣進(jìn)行合金化阻燃，鈣加入量是鎂合金重量的2-5％，阻止鎂合金熔煉和澆注時的氧化和燃燒，并提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性。
本發(fā)明采用加入一定含量的鈣，比如2-5wt％，能顯著提高鎂合金的燃點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鎂合金在大氣條件下的無保護(hù)熔煉和澆注。同時，應(yīng)用磁場可以抑制熔體的對流，減少吸氣和夾雜等缺陷，并且在磁場作用下凝固的材料具有擇優(yōu)取向，能明顯提高材料的力學(xué)性能。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明施加磁場后室溫和高溫的強(qiáng)度指標(biāo)提高非常顯著，高于未加磁場的鑄態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度。
2)本發(fā)明加入2-5wt％的Ca不但可實(shí)現(xiàn)鎂合金熔體在大氣條件下的熔煉及澆注等動態(tài)過程保護(hù)，安全可靠；而且還有細(xì)化鑄態(tài)組織和改善蠕變性能的作用。另外，鈣價格低廉，不會增加太大的成本。
3)本發(fā)明磁場和鈣的聯(lián)合作用，既提高了鎂合金的力學(xué)性能，又起到了阻燃效果，且工藝簡單、操作方便。該方法只需在普通鑄造的基礎(chǔ)上增加一個磁場發(fā)生裝置即可，相比常用的SF6氣體保護(hù)法和熔劑保護(hù)法在工藝上簡化很多。
4)本發(fā)明由于不需要任何攪拌，熔體凝固時液穴平穩(wěn)，能有效避免金屬的吸氣和夾渣，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。
5)本發(fā)明裝置簡單，所用磁場可以用帶有鐵芯的線圈通直流電產(chǎn)生。不需要任何的變壓器，直接采用工業(yè)電源即可使用。
6)本發(fā)明可以生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠和鑄件。
7)本發(fā)明無污染、能耗低，適用合金范圍寬，生產(chǎn)方式靈活。
8)本發(fā)明適用于Mg-Al合金系鎂合金，如AZ91、AZ91D、AZ31、AM100、AM20、AE42、AS21等；Mg-Mn系鎂合金，如MB1、MB8；Mg-Zn系鎂合金，如ZK51、ZK61；Mg-RE系鎂合金，如EQ21。


圖1磁場施加方式示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明如圖1所示磁場施加方式，基座4上的模具2置于磁場發(fā)生裝置1中，磁場發(fā)生裝置1可以對鎂合金熔體3施加磁場。
實(shí)施例1將一種鎂合金(AZ91D)置于坩堝中，放入井式爐加熱到720℃并保溫至原料熔化，加入3wt％左右的鈣并攪拌均勻并保溫，加入六氯乙烷精煉除氣，然后澆注到模具中，模具放置在磁場發(fā)生裝置內(nèi)。澆注完畢后，接通磁場發(fā)生裝置，使合金在磁場的作用下凝固，大氣條件下空冷，凝固結(jié)束后關(guān)閉磁場發(fā)生裝置，脫模即可。
AZ91D合金的化學(xué)成分(wt％)如表1所示表1

采用本發(fā)明方法，在0.6特斯拉的磁場作用下，加入3wt％的鈣，鎂合金AZ91D的室溫抗拉強(qiáng)度從104MPa提高到了214MPa，增加了106％。一般AZ91D鑄態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度均低于170MPa，因此，在磁場的作用下AZ91D+3wt％Ca阻燃鎂合金相比AZ91D至少提高了26％。
將本發(fā)明方法和普通鑄造方法制備的鎂合金的力學(xué)性能比較，幾種合金的室溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率的比較如表2所示表2

采用本發(fā)明方法與通常凝固方法制備的鎂合金的力學(xué)性能對比，本發(fā)明方法制備的鎂合金的的高溫(300℃)力學(xué)性能如表3所示表3

實(shí)施例2將一定量的AE42鎂合金置于坩鍋中，放入井式爐加熱至原料熔化后，加入2wt％左右的鈣，攪拌均勻，并在720℃下保溫20分鐘。除氣精煉后澆注到模具中，并在大氣條件下空冷，0.5T的磁場作用下凝固。加入2wt％的鈣后，AE42鎂合金在熔煉和澆注過程中均未燃燒。在磁場的作用下，加鈣后AE42合金的室溫抗拉強(qiáng)度同未經(jīng)磁場處理的AE42合金相比提高了120％左右，同一般鑄態(tài)AE42合金相比提高了20％左右，其高溫力學(xué)性能也提高10～20％。
實(shí)施例3將一定量的MB1鎂合金置于坩鍋中，放入井式爐加熱至原料熔化后，加入4wt％左右的鈣，攪拌均勻，并在720℃下保溫20分鐘。除氣精煉后澆注到模具中，并在大氣條件下空冷，0.35T的磁場作用下凝固。加入4wt％的鈣后，MB1鎂合金在熔煉和澆注過程中均未燃燒。在磁場的作用下，加鈣后MB1合金的室溫抗拉強(qiáng)度同未經(jīng)磁場處理的MB1合金相比提高了100％左右，同一般鑄態(tài)MB1合金相比提高了10％左右，其高溫力學(xué)性能也提高5～10％。
實(shí)施例4將一定量的ZK40A鎂合金置于坩鍋中，放入井式爐加熱至原料熔化后，加入5wt％左右的鈣，攪拌均勻，并在730℃下保溫20分鐘。除氣精煉后澆注到模具中，并在大氣條件下空冷，0.7T的磁場作用下凝固。加入5wt％的鈣后，ZK40A鎂合金在熔煉和澆注過程中均未燃燒。在磁場的作用下，加鈣后ZK40A合金的室溫抗拉強(qiáng)度同未經(jīng)磁場處理的ZK40A合金相比提高了90％左右，同一般鑄態(tài)ZK40A合金相比提高了12％左右，其高溫力學(xué)性能也提高6～14％。
權(quán)利要求
1.一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，其特征在于鎂合金熔體在0.2-1.0T的磁場下凝固，對鎂合金熔體添加鈣進(jìn)行合金化阻燃，鈣加入量是鎂合金重量的2-5％。
2.按照權(quán)利要求1所述的加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，其特征在于所述鎂合金為Mg-Al合金系、Mg-Mn合金系、Mg-Zn合金系或Mg-RE合金系。
3.按照權(quán)利要求2所述的加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，其特征在于所述Mg-Al合金系，包括AZ91、AZ91D、AZ31、AM100、AM20、AEA2、AS21；所述Mg-Mn合金系，包括MB1、MB8；所述Mg-Zn合金系，包括ZK51、ZK61；所述Mg-RE合金系，包括EQ21。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金力學(xué)性能的制備方法，特別提供了一種加鈣阻燃鎂合金的磁場制備方法，該方法采用對鎂合金添加鈣進(jìn)行合金化阻燃，熔煉時鈣加入量是鎂合金重量的2－5％，以阻止鎂合金熔煉和澆注時的氧化和燃燒，并使鎂合金熔體在0.2－1.0T的磁場下凝固，從而阻止鎂合金熔煉和澆注時的氧化和燃燒，并提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性；本發(fā)明裝置簡單，操作方便，能顯著提高鎂合金的室溫和高溫力學(xué)性能。
文檔編號C22C23/00GK1847431SQ20051004626
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者楊院生, 唐軍立, 周全, 胡壯麒 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所