一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法

摘要

本发明涉及一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，它是在Mg-Mn基体合金熔炼过程中复合加入总重量百分含量为0.1～1.1％的Al元素和Er元素，并且所加入的两种元素的原子百分比为3∶1，使其在凝固过程中优先生成大量细小的异质相粒子Al

说明书

技术领域

本发明涉及一种Mg-Mn系铸态镁合金晶粒的细化方法，属于金属材料及冶金领域。

背景技术

镁及其合金以其密度小、比强度比刚度高、导电导热性能好、电磁屏蔽能力强、易于回收以及色泽美观等优良特性得到人们的广泛关注，尤其是在汽车减重方面具有极大潜力，可以节能、降耗、减排。镁被誉为二十一世纪最轻的绿色金属结构材料。

镁能够广泛用于结构材料的前提之一是应具有良好的抗腐蚀性能。锰是提高镁耐腐蚀性能的最有效的合金元素。因而镁锰系镁合金作为最早的商业化合金，在铸造产品如核反应器构件，以及变形产品，包括板材、棒材、管材等方面均得到了应用。该系列最早的商用合金牌号为MB1，含有1.3-2.5wt％的Mn元素。合金的室温组织由α(Mg)固溶体和β(Mn)两相组成。但是，这类合金的缺点是铸态组织晶粒粗大，强度和塑性不高。

目前克服Mg-Mn合金上述缺点的方法是加入少量稀土元素Ce，形成Mg-Mn-Ce三元合金，其商用合金牌号为MB8(0.15-0.35wt％)和MB14(2.5-3.5wt％)。与MB1相比，MB8和MB14的强度和高温性能有明显改善。合金中的Ce一部分溶解于固溶体中，另一部分与镁形成Mg₁₂Ce强化相。但是，这种Mg₁₂Ce相是通过L→α(Mg)+Mg₁₂Ce的共晶反应以晶界粗大共晶产物形式存在的，该相与基体之间不存在共格关系，其强化机制为过剩相强化，因此强化作用有限；在一定范围内适当提高Ce含量，虽然可进一步提高合金强度，但是Mg₁₂Ce相体积分数的增加将大幅度降低合金的塑性，恶化合金的加工性能和使用性能。另外，Ce对铸态合金晶粒没有明显的细化效果，某些研究表明Ce的加入反而使晶粒粗大。

众所周知，无论是铸件还是变形产品，总是希望得到细小晶粒的铸态组织。晶粒细化不仅可以均匀组织、降低偏析程度、减少缩孔和疏松，还可以明显改善铸锭的后续加工性能和使用性能，同时提高材料的强度和塑性。因此，铸态组织晶粒粗大已成为制约Mg-Mn系合金广泛用于各种铸造产品和变形产品的关键因素。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所解决的技术问题是提供一种晶粒细化效果好，使铸件性能得到有效提高的用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于Mg-Mn系铸态镁合金的晶粒细化方法，其特点在于，在Mg-Mn基体合金熔炼过程中加入总重量百分含量为0.1～1.1％的Al元素和Er元素进行复合合金化，并且所加入的两种元素的原子百分比为3∶1。所述原子百分比即指原子百分含量之比。

本发明提供的采用Al、Er元素复合合金化来细化Mg-Mn系铸态镁合金晶粒的方法，具体包括以下步骤：

1.在坩埚中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750℃；

2.待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至300～350℃的Mg-Mn中间合金，全部熔融后，搅拌3～5min，使合金液均匀化；

3.将合金液温度调整到750℃，然后同时加入预先配置好的一定重量和比例的Mg-Er中间合金和纯铝，Mg-Er中间合金和纯铝均预先加热至300～350℃；所述一定重量和比例，是指此步骤中加入Mg-Er中间合金和纯铝之后，应该使得Al元素和Er元素的比例含量符合前述技术方案中的比例和含量。

4.待加入的Mg-Er中间合金和纯铝完全熔化后，搅拌20-30秒。调整合金液温度到750℃，保温5min，然后加入RJ-2进行精炼。在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上；

5.调整合金液温度至750℃静置30min；

6.降温至715-725℃，在CO₂+SF₂气体保护下浇注。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.本发明在Mg-Mn基体合金中加入原子百分比为3∶1的微合金化元素Al和Er，使其在凝固过程中优先生成大量细小的异质相粒子Al₃Er从合金液中析出，后凝固的镁熔体将以这些异质相为形核核心生长，从而达到细化晶粒的目的。

本方法能细化Mg-Mn铸态合金晶粒的原理在于：

在Mg-Mn合金中同时加入Al、Er元素，根据Mg、Mn、Al、Er四种元素之间的电负性可知，Al-Er之间的电负性差值为0.4，大于其余元素组合之间的差值，因此Er将首先与Al元素结合形成Al₃Er相。该相的晶体结构为面心立方(LI₂型)，晶格常数a＝0.4215nm，其次密排面(110)与镁基体的(1121)面的晶面间距错配度为3.3％，而且Al₃Er(110)面上的最密排晶向d[110]与镁基体的(1121)的d[2111]方向上的原子间距错配度为2.8％。根据目前形核理论中的边对边匹配模型(Edge-to-edge mathcing model)，如果镁基体与异质相颗粒沿某方向的原子间距错配度小于10％，并且包含这些匹配方向的匹配面之间的晶面间距错配度小于6％，那么该颗粒将是镁晶粒的良好异质核心。根据这个模型可以推断Al₃Er可作为镁晶粒的有效异质核心。

在合金凝固过程中，由于Al₃Er熔点高(1067℃)，Al₃Er将首先从熔体中弥散析出，这些粒子为镁熔体凝固提供了大量的异质形核核心，并且Al₃Er的熔点远远高于基体的熔点，形成后不会回熔，稳定性好，可以起到良好的非均质晶核作用，从而使铸态晶粒得到有效细化。

2.本发明采用一定比例的Al、Er元素复合合金化、通过生成Al₃Er异质核心质点来细化晶粒的方法，不形成粗大共晶化合物相、不增加第二相的体积分数，避免了目前商业应用中添加Ce对合金性能带来的不良影响。

3.本发明采用一定比例的Al、Er元素复合合金化、通过生成Al₃Er异质核心质点来细化晶粒的方法，简单实用、易于操作。

4.本发明Mg-Mn系镁合金晶粒细化的方法可以在常规铸造设备上实现，不增加额外投资，适用范围广。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的实施工艺和效果作进一步说明。

实施例1：基体合金为Mg-1.8Mn，加入0.1％Er和0.049％Al(比例为重量百分比，在误差范围内使其与1∶3的原子百分比保持一致)。

具体步骤为：在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750℃。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至300℃的Mg-4.4Mn(wt％)中间合金，全部熔融后，搅拌3min。将合金液温度调整到750℃，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt％)中间合金以及纯度为99.995％的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至300℃。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌30秒，在750℃保温5min，然后加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为750℃静置30min，最后冷却到725℃在CO₂+SF₂气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为400μm。同样铸造条件下，Mg-1.8Mn合金的晶粒尺寸约为800μm。

实施例2：基体合金为Mg-1.8Mn，加入0.4％Er和0.194％Al(比例为重量百分比，在误差范围内使其与1∶3的原子百分比保持一致)。

具体步骤为：在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750℃。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至350℃的Mg-4.4Mn(wt％)中间合金，全部熔融后，搅拌5min。将合金液温度调整到750℃，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt％)中间合金以及纯度为99.995％的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至330℃。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌20秒，在750℃保温5min，加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为750℃静置30min，最后冷却到720℃在CO₂+SF₂气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为150μm。同样铸造条件下，Mg-1.8Mn合金的晶粒尺寸约为800μm。

实施例3：基体合金为Mg-1.8Mn，加入0.7％Er和0.340％Al(比例为重量百分比，在误差范围内使其与1∶3的原子百分比保持一致)。

具体步骤为：在半连续铸造电阻坩埚炉中均匀洒上RJ-2覆盖剂，然后加入镁锭，再在镁锭上均匀洒一层RJ-2覆盖剂，并加热到750℃。待镁锭完全熔化后，打渣，然后加入预热至320℃的Mg-4.4Mn(wt％)中间合金，全部熔融后，搅拌5min。将合金液温度调整到750℃，然后同时加入预先配置好的Mg-30Er(wt％)中间合金以及纯度为99.995％的纯铝锭，中间合金和铝锭均预先加热至350℃。待加入的中间合金以及铝锭完全熔化后搅拌30秒，在750℃保温5min，加入RJ-2进行精炼，在精炼的过程中将RJ-2覆盖剂洒在从底部翻上来的新的金属液面上。调整温度为750℃静置30min，最后冷却到715℃在CO₂+SF₂气体保护下浇注。合金的晶粒尺寸约为200μm。同样铸造条件下，Mg-1.8Mn合金的晶粒尺寸约为800μm。