CN111057891A

CN111057891A - 一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法

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Publication number: CN111057891A
Application number: CN202010036289.8A
Authority: CN
Inventors: 张高龙; 韩修柱; 曾广; 高峰; 万迎春; 王玉凤; 张立新; 高斌; 刘楚明
Original assignee: Shanxi Shenzhou Spaceflight Technology Co ltd; Central South University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Shanxi Shenzhou Spaceflight Technology Co ltd; Central South University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2040-01-14
Also published as: CN111057891B

Abstract

本发明涉及镁合金材料加工成形技术领域，尤其涉及一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法。该方法包括：造型并设置浇注系统；将镁合金原料进行熔炼，得到熔体；所述镁合金原料包括金属镁、金属铝、金属锌、MnCl₂、Mg‑5RE中间合金、Mg‑10Ca中间合金和Ag；所述熔炼的过程包括：将熔剂和镁合金原料进行加热熔融，之后进行搅拌精炼，将搅拌精炼后的合金液升温至770～800℃，静置，得到熔体；将所述熔体通过浇注系统浇注到造型后得到的铸型中，依次经固溶处理和时效处理后，得到大型镁合金贮箱支架构件；所述浇注的方式为分层注入，依次由低到高对各直浇道进行浇注。该方法可以制备组织性能良好的大尺寸镁合金构件。

Description

一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料加工成形技术领域，尤其涉及一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法。

背景技术

镁合金由于具有密度低、比强度高等优点，在航空航天领域有着巨大的发展潜力。近年来，随着航空航天产业的发展，其对镁合金的需要也越来越大，尤其是大尺寸的镁合金零件。采用近净成形铸造工艺制造加工大尺寸复杂框架体的镁合金构件，具有显著的技术优势，目前制造形状复杂、整体尺寸大于1m而且能够控制铸件内部缺陷，保证构件力学性能要求的大型薄壁的铸造镁合金产品，还具有极高的技术难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法，采用本发明的方法可以制备外形尺寸不小于2759mm×100mm的铸造镁合金大构件，同时可达到X射线检查内部无大夹渣、气孔及大于3级的疏松的缺陷、Rm>260MPa的性能和组织要求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法，包括以下步骤：

造型并设置浇注系统；

将镁合金原料进行熔炼，得到熔体；所述镁合金原料包括金属镁、金属铝、金属锌、MnCl₂、Mg-5RE中间合金、Mg-10Ca中间合金和Ag；所述熔炼的过程包括：将熔剂和镁合金原料进行加热熔融，之后进行搅拌精炼，将搅拌精炼后的合金液升温至770～800℃，静置，得到熔体；

将所述熔体通过浇注系统浇注到造型后得到的铸型中，依次经固溶处理和时效处理后，得到大型镁合金贮箱支架构件；

所述浇注的方式为分层注入，依次由低到高对各直浇道进行浇注。

优选的，所述浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道；所述直浇道上设置有集渣包；所述内浇道前设置补缩冒口和除气除渣包。

优选的，以质量百分含量计，所述大型镁合金贮箱支架构件的组成包括Al 8～8.5％，Zn 0.4～0.6％，Mn 0.2～0.4％，Ag 0.02～0.8％，RE 0.01～0.10％，Ca 0.001～0.20％，余量为Mg，杂质不可避免的包括Fe、Si、Ni和Cu中的一种或多种，其中，Fe<0.03％，Si<0.2％，Ni<0.01％，Cu<0.1％。

优选的，所述熔剂的用量为镁合金原料质量的0.1～0.2％。

优选的，所述加热熔融的温度为730～750℃。

优选的，所述搅拌精炼采用垂直方向上下搅动，所述搅拌精炼过程中在液流波峰上撒精炼剂，所述搅拌精炼的温度为735～770℃，时间为20～30分钟。

优选的，所述浇注的温度为785±5℃。

优选的，所述固溶处理的温度为415～420℃，保温时间为16～18h。

优选的，所述时效处理的温度为175～195℃，保温时间为16～17h。

优选的，所述大型镁合金贮箱支架构件的尺寸不小于2759mm×100mm。

本发明提供了一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法，包括以下步骤：造型并设置浇注系统；将镁合金原料进行熔炼，得到熔体；所述镁合金原料包括金属镁、金属铝、金属锌、MnCl₂、Mg-5RE中间合金、Mg-10Ca中间合金和Ag；所述熔炼的过程包括：将熔剂和镁合金原料进行加热熔融，之后进行搅拌精炼，将搅拌精炼后的合金液升温至770～800℃，静置，得到熔体；将所述熔体通过浇注系统浇注到造型后得到的铸型中，依次经固溶处理和时效处理后，得到大型镁合金贮箱支架构件；所述浇注的方式为分层注入，依次由低到高对各直浇道进行浇注。

本发明在熔炼过程中添加MnCl₂，可以起到精炼和除去铁杂质的作用，添加Mg-5RE中间合金，起到精炼、改善铸造性能、提升高温力学性能的作用，添加Mg-10Ca中间合金和高纯银，起到改善铸造性能和组织的作用；通过采用分层注入，依次由低到高对各直浇道进行浇注的方式可以实现逐层充型，利于顺序凝固和补缩，防止产生气孔缺陷。采用本发明的方法可以制备外形尺寸不小于2759mm×100mm的铸造镁合金大构件，同时达到X射线检查，内部无大夹渣、气孔及大于3级的疏松的缺陷、Rm>260MPa的性能和组织要求。铸件的化学成分、力学性能、表面质量、内部质量符合QJ168-85Ⅱ类铸件的要求，铸件尺寸公差符合HB0-7-67《铸件尺寸公差和加工余量的规定》ZJ6级精度规定，完全满足制备大型镁合金零部件的需要。

附图说明

图1为实施例1铸型和浇注系统的实物图；

图2为实施例1铸件的实物图；

图3为实施例1铸件的截面结构示意图；

图4为实施例1铸件的显微CT图。

具体实施方式

造型并设置浇注系统；

本发明首先造型，得到铸型。本发明对所述造型的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的造型方式即可。在本发明的实施例中，具体是先制备砂芯，然后与砂型组合，得到铸型。在本发明中，所述砂芯的制备优选采用手工方式，制备砂芯所用的材料优选为镁合金专用自硬砂材料，制备砂芯前优选将镁合金专用自硬砂材料烘干0.5～1.0小时，以利于实现铸件自由收缩和减少发气量，进而有利于提高铸件精度。在本发明中，所述砂芯的抗压强度优选控制在0.8～1.2MPa之间。本发明对所述砂型的制备方式没有特殊要求，根据镁合金贮箱支架构件的形状和尺寸采用本领域熟知的制备方式即可。在本发明中，所述砂芯和砂型的组合方式优选为水平组合，本发明优选控制砂芯壁厚来实现砂芯定位，将壁厚精度和砂芯定位精度统一，以进一步提高铸造整体尺寸精度。

本发明设置浇注系统。在本发明中，所述浇注系统优选包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道。所述直浇道上优选设置有集渣包；所述内浇道前优选设置补缩冒口和除气除渣包。本发明通过优化浇注系统，有利于减少铸件缺陷，提高铸件内部和表面质量。

本发明优选还包括在大型镁合金贮箱支架构件的表面设置排气补缩冒口，所述排气补缩冒口之间的间隔优选为200～300mm，以保证无铸造缺陷。本发明对所述排气补缩冒口的尺寸没有特殊限定，采用本领域熟知的尺寸即可。本发明优选还包括在大型镁合金贮箱支架构件的底面和热节设置冷铁，以提高冷却速度，达到与铸件其他部位同时凝固的效果。

本发明将镁合金原料进行熔炼，得到熔体；所述镁合金原料包括金属镁、金属铝、金属锌、MnCl₂、Mg-5RE中间合金、Mg-10Ca中间合金和Ag；所述熔炼的过程包括：将熔剂和镁合金原料进行加热熔融，之后进行搅拌精炼，将搅拌精炼后的合金液升温至770～800℃，静置，得到熔体。

本发明对所述镁合金原料的具体组成没有特殊要求，对应大型镁合金贮箱支架构件的组成即可。以质量百分含量计，本发明所述大型镁合金贮箱支架构件的组成优选包括Al 8～8.5％，Zn 0.4～0.6％，Mn 0.2～0.4％，Ag0.02～0.8％，RE 0.01～0.10％，Ca0.001～0.20％，余量为Mg，杂质不可避免的包括Fe、Si、Ni和Cu中的一种或多种，其中，Fe<0.03％，Si<0.2％，Ni<0.01％，Cu<0.1％。在本发明中，所述熔剂优选为镁合金2号熔剂；所述金属镁、金属铝和金属锌依次优选为高纯镁锭、高纯铝锭和高纯锌锭；所述Ag优选为高纯Ag。在本发明中，所述熔剂的用量优选为镁合金原料质量的0.1～0.2％，更优选为0.2％。本发明在镁合金原料中添加MnCl₂，可以起到精炼和除去铁杂质的作用，添加Mg-5RE中间合金，起到精炼、改善铸造性能、提升高温力学性能的作用，添加Mg-10Ca中间合金和高纯银，起到改善铸造性能和组织的作用。采用上述原料及配比，镁合金的流动性实现大幅提高，突破了常规AZ91镁合金螺旋试样测试结果流动性300mm长度的限制，达到了500mm。

在本发明中，所述加热熔融优选在坩埚中进行。本发明优选将坩埚加热至450～550℃之后再加入各物质进行加热熔融。在本发明中，所述加热熔融的温度优选为730～750℃；所述搅拌精炼优选采用垂直方向上下搅动，所述搅拌精炼过程中在液流波峰上撒精炼剂，所述搅拌精炼的温度优选为735～770℃，更优选为745～765℃，时间优选为20～30分钟。在本发明中，所述精炼剂优选为粉状，所述精炼剂的粒度优选为120目。在本发明中，所述精炼剂的组成优选为94wt％钙熔剂+6wt％CaF₂。本发明对所述精炼剂的用量没有特殊要求，根据本领域技术人员的经验选择合适的加入量即可。进行搅拌精炼前，本发明优选还包括在加热熔融后的合金液表面添加RJ-5熔剂，本发明对所述RJ-5熔剂的加入量没有特殊限定，能够确保搅拌精炼过程中合金液表面始终覆盖一层RJ-5熔剂即可。在本发明中，所述静置的时间优选为8～10分钟。

得到熔体后，本发明将所述熔体通过浇注系统浇注到造型后得到的铸型中。在本发明中，所述浇注的方式为分层注入，依次由低到高对各直浇道进行浇注。采用该浇注方式可以实现逐层充型，利于顺序凝固和补缩，防止产生气孔缺陷。在本发明中，所述浇注的温度优选为785±5℃，更优选为785℃。本发明将浇注的温度控制在上述范围，有利于熔体的纯净化和凝固充型。

浇注后，本发明对铸型及其内部铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到大型镁合金贮箱支架构件。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为415～420℃，保温时间优选为16～18h；所述时效处理的温度优选为175～195℃，保温优选时间为16～17h。本发明固溶处理的作用是使过饱和固溶体产生固溶强化的效果，时效处理的作用是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒产生沉淀强化的效果。

时效处理后，本发明优选随炉冷却至室温，取出铸件，即得大型镁合金贮箱支架构件。在本发明中，所述大型镁合金贮箱支架构件的尺寸优选不小于2759mm×100mm。

下面结合实施例对本发明提供的大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

制备外形尺寸为2759mm×100mm的镁合金贮箱支架，要求达到X射线检查内部无大夹渣、气孔及大于3级的疏松的缺陷、Rm>260MPa的性能和组织要求。

采用砂型铸造，重力浇注，分为上下两箱造型。采用镁合金专用自硬砂材料，砂芯抗压强度控制在1.0MPa左右；水平/垂直芯头不采用定位结构，采用水平组合方式控制精度。将型砂和黏土按1:0.02质量比例进行搅拌，制作芯盒，芯盒采用活框活块脱落式结构，芯盒的平面度和尺寸精度为±0.25mm，制备砂芯为自硬砂材料，专用自硬砂材料在80℃烘干0.5小时。制备砂型为一级铸造红砂。设置浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道与除气除渣包，保证镁合金熔体的充分流动。在直浇道上设置集渣包；在铸件表面间隔300mm设置排气补缩冒口，以保证无铸造缺陷；在铸件的内浇道前设置补缩冒口。在底面和热节位置设置冷铁；以提高该处的冷却速度。采用分层注入式，依次由低到高对各直浇道进行浇注，实现逐层充型。浇注系统和铸型的实物图如图1所示。

以质量百分含量计，镁合金贮箱支架的成分为Al 9.0％，Zn 0.7％，Mn0.30％，Ag0.15％，RE 0.08％，Ca 0.2％，其余为Mg量，杂质Fe 0.02％，Si0.3％。

将坩埚加热到500℃，加入RJ-2熔剂，再向坩埚内按比例加入高纯Mg、高纯Al、高纯Zn、Mg-10Ca、Mg-5RE和高纯Ag锭，最后加入无水MnCl₂，将合金液熔化并升温到750℃，不断添加RJ-5熔剂覆盖熔体表面，用搅拌器进行精炼(实时从熔体中取样进行X射线光电子能谱分析化学组成，补充烧损元素，以保证成分准确性及稳定性)，精炼过程在液流波峰上撒精炼剂；然后将合金液升温至770℃，静置10分钟后浇注，浇注温度为785℃；后续进行固溶时效处理，工艺制度为420℃/16h，时效制度为180℃/17h，随炉冷却后，取出铸件，得到镁合金贮箱支架，得到的铸件的实物图如图2所示，截面结构示意图如图3所示，图3中尺寸的单位为mm。

对本实施例的铸件进行X射线检查，结果显示，内部无大夹渣、气孔及大于3级的疏松的缺陷。对本实施例的铸件取样进行力学性能测试，测试参照的标准为《GB-T-2002金属材料、室温拉伸试验方法国家标准》，测试结果显示，抗拉强度Rm＝265MPa，远超出《GB/T1177-2018铸造镁合金》国家标准中同类合金ZM5的力学性能指标(抗拉强度230MPa，延伸率2％)。

采用显微CT对本实施例得到的铸件进行观察，结果如图4所示。图4显示，采用本发明的方法得到的铸件无5μm以上尺寸缺陷，第二相颗粒(白色)细小弥散分布。

由以上实施例可知，本发明提供了一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法，采用本发明的方法可以制备外形尺寸不小于2759mm×100mm的铸造镁合金大构件，同时可达到X射线检查内部无大夹渣、气孔及大于3级的疏松的缺陷、Rm>260MPa的性能和组织要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大型镁合金贮箱支架构件的精密铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：

造型并设置浇注系统；

2.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道；所述直浇道上设置有集渣包；所述内浇道前设置补缩冒口和除气除渣包。

3.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述大型镁合金贮箱支架构件的组成包括Al 8～8.5％，Zn 0.4～0.6％，Mn 0.2～0.4％，Ag 0.02～0.8％，RE 0.01～0.10％，Ca 0.001～0.20％，余量为Mg，杂质不可避免的包括Fe、Si、Ni和Cu中的一种或多种，其中，Fe<0.03％，Si<0.2％，Ni<0.01％，Cu<0.1％。

4.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述熔剂的用量为镁合金原料质量的0.1～0.2％。

5.根据权利要求4所述的精密铸造方法，其特征在于，所述加热熔融的温度为730～750℃。

6.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述搅拌精炼采用垂直方向上下搅动，所述搅拌精炼过程中在液流波峰上撒精炼剂，所述搅拌精炼的温度为735～770℃，时间为20～30分钟。

7.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述浇注的温度为785±5℃。

8.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为415～420℃，保温时间为16～18h。

9.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述时效处理的温度为175～195℃，保温时间为16～17h。

10.根据权利要求1所述的精密铸造方法，其特征在于，所述大型镁合金贮箱支架构件的尺寸不小于2759mm×100mm。