[发明专利]一种Mg-Al系镁合金用铝钙碳晶粒细化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种Mg-Al系镁合金用铝钙碳晶粒细化剂，利用该细化剂的细化作用可以有效细化铸态镁合金晶粒。

背景技术

镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有许多优异的独特性能，如比强度高、比刚度高、导电导热性好，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，易于加工成形，良好的再生回用等优点，在航空、汽车、通讯设备等领域中具有较好的应用前景。通过晶粒细化可提高镁合金强度、塑性和韧性等综合性能和改善镁合金成形性，生产高性能镁合金制品，促进镁合金的推广运用。Mg-Al系镁合金（如AZ91）是最常用的商用镁合金。

镁合金熔炼时常用的晶粒细化方法有：(1)过热处理法：将镁合金加热到液相线以上150-260℃，保温一段时间，然后快速冷却到浇铸温度。其缺点是保温时间太长、温度超出或者低于过热温度范围都将导致晶粒粗化，条件要求严格，过热处理的操作温度高，导致镁的氧化烧损较严重。(2)氯化铁法：通过向含有铝和锰的镁合金熔体中加入氯化铁，可以获得与过热处理相似的细化效果。但由于杂质元素Fe的存在，降低了镁合金的耐蚀性。(3)添加溶质元素法：熔体中加入溶质原子（Zr、Ce、La、Sr、Ca）等；其中Zr元素是一种非常好的镁合金细化剂，但应用范围较窄，无法应用于含Al的镁合金中，原因是由于Zr容易与合金中的Al元素易形成稳定的化合物A1₃Zr，而A1₃Zr晶体为体心正方型，晶格常数与镁相差较大，不能达到有效晶粒细化效果。(4) 碳质孕育法：通过向镁合金熔体中加入碳或含碳的化合物（如六氯乙烷、碳酸盐或含碳气体等），含碳化合物在高温下分解出C原子与合金中Al元素形成大量弥散的A1₄C₃质点（密排六方晶体结构，晶格常数与α-Mg相近）成为α-Mg的异质晶核核心，从而实现晶粒细化。碳质孕育法是Mg-Al系镁合金最主要的晶粒细化技术，但常用的碳质孕育法难以克服自身的一些不足，如加入六氯乙烷存在高温熔炼会产生Cl₂, HCl等有害气体，造成环境污染缺点；加入碳酸镁则有在镁液中易分解及生成CO₂气泡较快、气泡大而上浮，细化效果较差的缺点。(5)微粒法：添加微粒(C、A1₄C₃、AIN、SiC、TiC、CaC₂)对镁合金进行晶粒细化。

在关于Mg-Al系镁合金用晶粒细化的公开专利中，公开号为CN1583327A的中国专利(“镁或镁合金用晶粒细化剂及其制备和使用方法”) 涉及单独利用碳粉(石墨粉)作为碳源并细化镁合金的技术；其技术特点在于将铝粉和碳粉在80-100℃烘烤后，混粉压制成块，直接细化剂加入镁合金熔体中使用，是一种改良的碳粉加入技术；存在的主要问题是原则上还不能克服碳的偏聚问题，细化效果有限。

公开号为CN1410566A的中国专利（“一种镁合金用细化剂及其制备方法”）涉及单独利用碳粉(石墨粉)生成A1₄C₃晶核细化镁合金的技术；其技术特点在于将铝粉、石墨粉和镁粉混合均匀、烘干、压块后在真空或惰性气体保护下，加热到700-1000℃并保温25分钟以上而制得含有A1₄C₃晶核的镁合金细化剂；不足之处是单一细化剂的作用与复合细化相比，细化效果有限。

公开号为CN101812607A的中国专利（“一种镁合金细化剂及其制备方法”）涉及单独利用Ca元素细化镁合金的技术；其技术特点在于采用金属钙和镁锭为原料，将镁锭在气氛保护下加热至730℃~750℃加热熔化并加入1%~30%的金属钙配制镁钙合金作为镁合金细化剂使用；存在的主要问题是钙作为晶粒生长抑制剂，细化作用有限。

公开号为CN10774013A的中国专利“用于Mg-A1合金的晶粒复合细化剂及其制备方法”公开了含C和碱土金属Ca（和Sr）的复合细化剂及其制备方法。其技术特点在于在700-800℃熔化纯Al，加入Mg-Ca或Mg-Sr中间合金获得Al-Mg-Ca或Al-Mg-Sr中间合金熔体，降温至600-650℃后利用半固态搅拌法加入石墨粉而制得镁合金复合晶粒细化剂。存在的主要问题是碳易于偏聚，而且生成Al-Ca或Al-Sr化合物颗粒粗大，容易损害复合细化的效果。

发明内容