一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法及其应用
技术领域
1.本发明属于镁合金技术领域，具体涉及的是一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法及其应用。
背景技术：2.镁合金是目前实际工程应用中最轻的金属结构材料，但是由于镁合金作为密排六方晶体结构，可启动的滑移系少，存在强度与塑性倒置等问题，严重限制了其在空天工程、深海探测、武器装备等领域的广泛应用。
3.晶粒细化是可以同时提高镁合金强度与塑性的有效方法。zr元素的添加是细化镁合金晶粒的最有利途径，目前zr元素的加入主要以mg-zr中间合金的方式加入。然而现有mg-zr中间合金zr含量高，组织不均匀，存在大量的zr颗粒团聚、比重偏析等问题，在镁合金中利用率极低，在实际生产中利用率不到40 %，严重增加了镁合金的制备成本。此外mg-zr中间合金中的团聚zr颗粒无法破碎，将会遗传至镁合金中造成zr偏析等缺陷，同时降低含zr镁合金制备的合格率。
技术实现要素：4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，解决现有mg-zr中间合金中存在zr颗粒团聚、组织不均匀的技术问题，本发明提供一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法及其应用，使用本发明制备的均质细晶mg-zr中间合金用于制备zk60细晶镁合金铸锭，可以显著提高zr元素在镁合金中的利用率。
5.本发明通过以下技术方案予以实现：一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，包含以下步骤：s1、配料：称取商用mg-30%zr中间合金10-20kg，以及商用纯镁锭70-90kg；s2、原料合金化：首先，将加热炉预热至400~500℃；其次，将步骤s1称取的原料放入预热后的加热炉中，开启加热炉进行加热，直至加热炉中的物料全部熔化呈液态；再次，对熔体进行人工搅拌合金化，搅拌时间为5-10分钟，人工搅拌过程中添加商用2#熔剂防止熔体氧化燃烧；s3、精炼：加热炉升温至760-780℃，然后向加热炉中吹入纯ar气体对熔体进行合金化搅拌，搅拌时间为10-20分钟，在搅拌过程中加入精炼剂净化熔体；其中，精炼剂的组成及其配比为：9-10kg商用5#熔剂以及0.5-1kgcaf2；s4、静置：待步骤s3精炼完成后，将熔体温度控制在770-780℃静置10-15分钟，使得zr颗粒充分沉降；s5、浇铸：将步骤s4静置后的熔体快速倾倒至提前预热好的板坯模具中，制得mg-zr中间合金铸锭，并将锅底废渣捞出留存备用。
6.进一步地，在所述步骤s2中，加热炉为容量为110 kg的电阻炉。
7.进一步地，在所述步骤s5中，锅底废渣重新加入锅底，然后加入60-80kg镁锭，重复
步骤s1~s5制得mg-zr中间合金铸锭。
8.进一步地，所述锅底废渣重复使用4-5次。
9.进一步地，制得mg-zr中间合金铸锭中zr元素的含量为0.5%-1.3%。
10.一种采用上述制备方法制得的mg-zr中间合金用于制备zk60细晶镁合金铸锭的方法，包括以下步骤：s1、备料：称取mg-zr中间合金4.7kg、纯zn锭0.3kg；s2、合金化：将坩埚预热至400~500℃，并在坩埚壁及底部铺洒0.5-1kg商用2#熔剂，加入步骤s1称取的mg-zr中间合金，坩埚升温直至mg-zr中间合金完全熔化，待熔体升温至700~780℃时加入纯zn锭并搅拌5-10分钟，物料完全熔化；s3、精炼：采用惰性气体对步骤s2合金化后的熔体进行搅拌精炼，搅拌时间为10~20分钟，搅拌过程中逐渐加入精炼剂，精炼剂重量为总炉料总重量的1/10，精炼至熔体呈现镜面光泽为止；所述精炼剂的组成及其重量比为：10份商用5#熔剂和1份caf
2 ；s4、机械搅拌：将步骤s3精炼后的熔体进行机械正反转充分搅拌，搅拌时间5-15分钟，转速为150-300转/分钟，搅拌过程中保持熔体温度为740~780℃；s5、扒渣：对步骤s4机械搅拌后的熔体进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂，覆盖剂为商用2#熔剂；s6、静置、浇铸：将步骤s5覆盖有覆盖剂的熔体静置5~10分钟，采样检测化学成分合格后将熔体倒入提前预热好的铸造模具中，制得zk60细晶镁合金铸锭。
11.与现有技术相比本发明的有益效果为：1、本发明通过利用zr在镁合金中的最大溶解度小（0.6-0.8%）、zr元素比重大等特点，用纯镁锭对现有mg-30%zr中间合金进行多次反复熔炼稀释，制得成分均匀的mg-zr中间合金铸锭，在此基础上利用制得的mg-zr中间合金铸锭进行含zr细晶镁合金的制备。
12.2、按照此工艺制得的mg-zr中间合金中zr元素利用率可以达到60-75%，较直接加入mg-30%zr中间合金zr的利用率可提升30%-40%，制备的含zr细晶镁合金晶粒细化2倍以上，不仅提高了zr元素的利用率，另外由于炉料废渣可多次使用，大幅降低了生产成本。
13.3、本发明制得的含zr细晶镁合金晶粒细化效果更为明显，提高了镁合金的强塑性。由于zr在镁合金中的溶解度小，mg-30%zr中间合金中的zr主要以未溶解的颗粒zr形式存在。在精炼后的静置过程中，大密度的zr颗粒团聚极易与精炼剂/夹杂物同时沉降，这也正是mg-%30zr中间合金利用率极低的主要原因。
14.本发明正是利用这一特性，仅使得溶解zr存在于镁锭中，因此沉降于锅底的颗粒zr废渣可多次精炼，使其最大程度溶解于镁锭中。而溶解zr在后期含zr镁合金制备中可完全被利用，因此提高了其利用率，且溶解zr的晶粒细化效果也更为明显，此外，细晶镁锭在后期合金制备中将增加更多的形核位点，利用母合金的遗传特性极大的细化了晶粒。
15.总之，本发明不仅提高了mg-zr中间合金中zr元素的利用率，且降低了生产成本，最大程度的细化了含zr镁合金的晶粒，提高了含zr镁合金的强塑性，对镁合金的推广应用具有很重要的理论与实践意义。
附图说明
16.图1为普通纯mg铸锭显微组织形貌图；
图2为mg-zr中间合金显微组织形貌图；图3为普通zk60镁合金显微组织形貌图；图4为实施例2制得的zk60镁合金显微组织形貌图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
18.实施例1一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，包含以下步骤：s1、配料：称取商用mg-30%zr中间合金20kg，以及商用纯镁锭80kg；s2、原料合金化：首先，将加热炉预热至400℃，加热炉为容量为110 kg的电阻炉；其次，将步骤s1称取的原料放入预热后的加热炉中，开启加热炉进行加热，直至加热炉中的物料全部熔化呈液态；再次，对熔体进行人工搅拌合金化，搅拌时间为8分钟，人工搅拌过程中添加商用2#熔剂防止熔体氧化燃烧；s3、精炼：加热炉升温至770℃，然后向加热炉中吹入纯ar气体对熔体进行合金化搅拌，搅拌时间为20分钟，在搅拌过程中加入精炼剂净化熔体；其中，精炼剂的组成及其配比为：9kg商用5#熔剂以及1kgcaf2；s4、静置：待步骤s3精炼完成后，将熔体温度控制在770℃静置15分钟，使得zr颗粒充分沉降；s5、浇铸：将步骤s4静置后的熔体快速倾倒至提前预热好的板坯模具中，制得mg-zr中间合金铸锭，标记为1#合金，并将锅底废渣捞出留存备用。
19.进一步地，在所述步骤s5中，锅底废渣重新加入锅底，然后加入80kg镁锭，重复步骤s1~s5制得mg-zr中间合金铸锭，标记为2#合金。
20.成分测定：采用电感耦合等离子体光谱仪（icp-aes）分析1#合金与2#合金的化学成分，具体化学成分如表1所示，铸态金相组织如图2所示，普通镁锭组织作为对比如图1所示。
21.由图2可以看出，实施例1制得的mg-zr中间合金的晶粒尺寸明显小于普通镁锭，且zr元素分布较mg-30%zr中间合金更加均匀。
22.实施例2一种采用实施例1制备方法制得的mg-zr中间合金（1#合金）用于制备zk60细晶镁合金铸锭的方法，包括以下步骤：s1、备料：称取mg-zr中间合金4.7kg、纯zn锭0.3kg；
s2、合金化：将坩埚预热至500℃，并在坩埚壁及底部铺洒1kg商用2#熔剂，加入步骤s1称取的mg-zr中间合金，坩埚升温直至mg-zr中间合金完全熔化，待熔体升温至740℃时加入纯zn锭并搅拌8分钟，物料完全熔化；s3、精炼：采用惰性气体对步骤s2合金化后的熔体进行搅拌精炼，搅拌时间为15分钟，搅拌过程中逐渐加入0.5kg精炼剂，精炼剂的组成及其重量比为：商用5#熔剂：caf
2 =10:1，精炼至熔体呈现镜面光泽为止；s4、机械搅拌：将步骤s3精炼后的熔体进行机械正反转充分搅拌，搅拌时间10分钟，转速为200转/分钟，搅拌过程中保持熔体温度为760℃；s5、扒渣：对步骤s4机械搅拌后的熔体进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂，覆盖剂为商用2#熔剂；s6、静置、浇铸：将步骤s5覆盖有覆盖剂的熔体静置5分钟，采样进行icp-oes化学成分检测，熔体中：zn:5.90wt%，zr:0.30wt%，其余为mg。化学成分检测合格后将熔体倒入提前预热好的铸造模具中，制得zk60细晶镁合金铸锭，其微观组织形貌如图4所示。
23.综上所述，本发明通过多次重熔精炼沉降mg-30% zr中间合金，制得了含溶解zr的mg-zr中间合金，其晶粒尺寸较普通镁锭细化13倍，由于细晶镁锭的遗传作用以及溶解zr的细化作用，制备的zk60合金晶粒尺寸较普通zk60合金细化2倍以上，解决了含zr镁合金制备过程中zr元素偏析、利用率低等问题，突破了细晶含zr镁合金的批量制备生产工艺。
24.需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。
25.还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。
技术特征：1.一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，其特征在于包含以下步骤：s1、配料：称取商用mg-30%zr中间合金10-20kg，以及商用纯镁锭70-90kg；s2、原料合金化：首先，将加热炉预热至400~500℃；其次，将步骤s1称取的原料放入预热后的加热炉中，开启加热炉进行加热，直至加热炉中的物料全部熔化呈液态；再次，对熔体进行人工搅拌合金化，搅拌时间为5-10分钟，人工搅拌过程中添加商用2#熔剂防止熔体氧化燃烧；s3、精炼：加热炉升温至760-780℃，然后向加热炉中吹入纯ar气体对熔体进行合金化搅拌，搅拌时间为10-20分钟，在搅拌过程中加入精炼剂净化熔体；其中，精炼剂的组成及其配比为：9-10kg商用5#熔剂以及0.5-1kgcaf2；s4、静置：待步骤s3精炼完成后，将熔体温度控制在770-780℃静置10-15分钟，使得zr颗粒充分沉降；s5、浇铸：将步骤s4静置后的熔体快速倾倒至提前预热好的板坯模具中，制得mg-zr中间合金铸锭，并将锅底废渣捞出留存备用。2.根据权利要求1所述的一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤s2中，加热炉为容量为110 kg的电阻炉。3.根据权利要求1所述的一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤s5中，锅底废渣重新加入锅底，然后加入60-80kg镁锭，重复步骤s1~s5制得mg-zr中间合金铸锭。4.根据权利要求3所述的一种均质细晶mg-zr中间合金的制备方法，其特征在于：所述锅底废渣重复使用4-5次。5.根据权利要求1或3所述的一种含溶解zr元素的细晶镁合金铸锭的制备方法，其特征在于：制得mg-zr中间合金铸锭中zr元素的含量为0.5%-1.3%。6.一种如权利要求1或3所述制备方法制得的mg-zr中间合金用于制备zk60细晶镁合金铸锭的方法，其特征在于包括以下步骤：s1、备料：称取mg-zr中间合金4.7kg、纯zn锭0.3kg；s2、合金化：将坩埚预热至400~500℃，并在坩埚壁及底部铺洒0.5-1kg商用2#熔剂，加入步骤s1称取的mg-zr中间合金，坩埚升温直至mg-zr中间合金完全熔化，待熔体升温至700~780℃时加入纯zn锭并搅拌5-10分钟，物料完全熔化；s3、精炼：采用惰性气体对步骤s2合金化后的熔体进行搅拌精炼，搅拌时间为10~20分钟，搅拌过程中逐渐加入精炼剂，精炼剂重量为总炉料总重量的1/10，精炼至熔体呈现镜面光泽为止；所述精炼剂的组成及其重量比为：10份商用5#熔剂和1份caf
2 ；s4、机械搅拌：将步骤s3精炼后的熔体进行机械正反转充分搅拌，搅拌时间5-15分钟，转速为150-300转/分钟，搅拌过程中保持熔体温度为740~780℃；s5、扒渣：对步骤s4机械搅拌后的熔体进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂，覆盖剂为商用2#熔剂；s6、静置、浇铸：将步骤s5覆盖有覆盖剂的熔体静置5~10分钟，采样检测化学成分合格后将熔体倒入提前预热好的铸造模具中，制得zk60细晶镁合金铸锭。
技术总结一种均质细晶Mg-Zr中间合金的制备方法及其应用，属于镁合金技术领域，解决Mg-Zr中间合金中Zr颗粒团聚、组织不均匀的技术问题，本发明包括以下步骤：配料
技术研发人员：王小刚 刘涛 蒋斌 李伟莉 于晨凯 冯露露 崔凯
受保护的技术使用者：山西银光华盛镁业股份有限公司
技术研发日：2022.06.10
技术公布日：2022/11/1
