本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及到一种新型高延展性中强镁合金半连续铸造方法，以及由该方法制备得到的铸锭。
背景技术：
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为铝合金的2/3、钢铁的1/4，同时镁合金具有比强度比刚度高、导热性好、电磁屏蔽及阻尼减震性能优、切削加工性能好等优势。因此，镁合金是一种理想的轻量化结构材料，在航空航天、汽车、轨道运输、3c等领域具有非常广阔的应用市场。
纯镁绝对强度偏低，通常需要采用合金化的方法，向纯镁中添加al、zn、ca、mn或稀土元素等合金化元素来增加纯镁的强度，如向纯镁中加入适当含量的al、zn元素能有效提高镁合金的力学性能和加工性能，这也是mg-al-zn系镁合金成为最常用商用镁合金的重要原因之一，但合金元素al、zn的比例对镁合金力学性能及加工变形的影响很大。
本团队前期通过调节al、zn元素的含量，并添加适量gd、y等稀土元素，自主设计开发的一种新型高延展性中强镁合金，经过变形加工及时效处理后抗拉强度≥330mpa，屈服强度≥240mpa，延伸率≥20％。镁由于凝固区间大、热容小，镁合金在熔炼过程中容易产生裂纹、充填不均、偏析等铸造缺陷，同时不同元素的加入对镁合金冷却过程中液固相线的改变很大，这种固液状态对熔铸过程中镁合金的凝固过程有着非常大的影响，稀土元素的加入还会影响偏析以及组织均匀性。因此，发展一种针对al、zn添加的高延展性中强镁合金的铸造工艺十分必要。
本发明基于自主设计开发的一种新型高延展性中强镁合金，针对此镁合金研发出一种新型铸造工艺流程。此铸造工艺流程一方面可以降低夹杂等缺陷出现的概率，显著提高大规格镁合金铸棒的成材率；另一方面可以有效提高材料的力学性能，扩大镁合金材料的使用范围。本发明通过此种工艺方案，成功制备出组织均匀、晶粒细化、表面平整光洁、内部缺陷少的镁合金铸锭，铸锭质量有效提高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提供一种高延展性中强镁合金的铸造制备方法，采用基于改良的半连续铸造工艺，解决在铸造过程中镁合金容易出现的晶粒粗大、偏析、冷隔等缺陷，以此来抑制宏观偏析，提高铸锭质量和成材率，为后续变形加工提供保证。
本发明提供一种镁合金的半连续铸造方法，选用的镁合金质量百分比成分为al：3.5-5.0％
zn：2.0-3.5％
al含量与zn含量总和为：6％≤al zn≤8％
mn：0.1-0.8％
re：0.01-0.80％
ca：0.001-0.090％
其他不可避免的杂质元素，余量为镁。
所述的re指的是稀土元素。
制备过程还包括以下步骤：
(1)根据镁合金成分质量百分比准备相应比重配比的原料，将原料烘烤预热；
(2)依次将原料加入熔炼炉中进行熔化，熔化温度范围660-790℃；
(3)当原料完全熔化后，调节熔体温度至700-720℃，进行机械搅拌精炼，精炼时间30-70min，机械搅拌速度100-160r/min；随后，将熔体升温至730-750℃，保温20-50min后，扒去熔体表层氧化夹渣，向熔体底部通入氩气进行气体搅拌精炼，精炼时间15-60min，气体流量20-40l/h；
(4)精炼结束后，熔体静置降温至620-650℃后，保温2-6h，随后熔体升温至670-700℃；
(5)将熔体通过分流盘引流入结晶器内腔，稳定浇铸时，结晶器内熔体温度为650-675℃，拉锭速度30-90mm/min，冷却水流量60-90l/min，得到镁合金铸锭。
进一步地，步骤(3)中机械搅拌精炼后，在熔体表面均匀撒上覆盖剂，再升温。
进一步地，步骤(5)中熔体距离结晶器顶部高度为40-70mm，液穴深度为30-80mm，最终得到直径φ100-500mm镁合金铸锭。
进一步地，所述镁合金材料包含fe、si、cu、ni等不可避免的杂质元素，其中fe≤0.005％，si≤0.05％，cu≤0.005％，ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％。
进一步地，所述合金成分al的质量百分比为4.0-5.0％。
进一步地，所述合金成分zn的质量百分比为2.0-3.0％。
进一步地，所述合金成分al含量与zn含量总和为：6.5％≤al zn≤8.0％。
进一步地，所述合金成分mn的质量百分比为0.2-0.6％。
进一步地，所述合金成分re元素包括gd、y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％。
进一步地，当所述合金成分re为gd、y两者混合时，其质量比为gd:y＝(0.01-100):1。
进一步地，所述合金成分ca的质量百分比为0.002-0.060％。
步骤(1)中，根据合金成分，选择合适的原料是本领域技术人员的常规手段，mg、al、zn元素添加形式可以为纯金属锭，也可以是中间合金，mn、re、ca添加形式为中间合金。进一步优选的，步骤(1)中选用高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金作为原料。
进一步地，为了去除水分，降低铸棒含氢量，保证熔铸质量，将原料放在烘干炉内或熔炼炉旁进行烘烤预热。优选将原料放入烘干炉中烘烤预热，预热温度为150-250℃，时间为30-120min。
步骤(2)中，依次将烘干好的高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金放入熔炼炉中进行熔化，每次加入原料后通入氩气进行搅拌。进一步地，为了防止熔体氧化烧损，每次加入原料时，在熔体表面均匀撒上覆盖剂。
进一步地，等到加入原料全部熔化后，对表面进行扒渣。扒渣后将搅拌桨放入熔体中，同时向炉内加入覆盖剂，启动搅拌桨进行机械搅拌精炼，精炼时间为30-60min，机械搅拌速度120-160r/min。机械搅拌可以使合金液分散更充分，有利于合金元素在熔体中分散均匀，降低铸锭宏观偏析的倾向。
进一步地，为了提高熔炼质量，机械搅拌精炼完后，在熔体表面均匀撒上一层覆盖剂。
进一步地，为保证温度的稳定性，将熔体升温至730-745℃，到温后保温20-40min。保温时间到达后扒去表层氧化夹渣，向熔体底部通入氩气搅拌熔体，同时加入覆盖剂，进行气体搅拌精炼，精炼时间20-50min，气体流量30-40l/h。在熔体上涌的过程中，氩气会将熔体中的部分夹渣及搅拌中带入的气体排出至表面，同时在氩气搅拌作用下，覆盖剂可以充分包裹熔体中的夹杂物下沉或上浮至表面，并使熔体在各个方向尤其是高度方向上成分更加均匀，二者共同作用有效减少宏观偏析。
进一步地，步骤(4)中熔体静置降温至620-640℃后，保温2-4h。长时间降温静置可以使夹杂物完全浮于熔体上层或沉淀于熔体底部，并极大降低熔体中杂质fe元素含量，提高熔体洁净度，进而提高最终产品的质量。此外，降温可显著减少熔体中re和ca元素的烧损，铸造后获得良好的元素收得率。
步骤(5)中，通入氩气或氮气将熔体从熔炼炉内压出，为保证熔体均匀充满结晶器内腔横截面，优选将熔体通过分流盘引流入结晶器内腔，同时向熔体液面上方通入惰性气体，保护熔体、防止氧化。
作为优选，本发明所述半连续铸造用分流盘直径：铸锭直径φ100-250mm，分流盘直径φ50-120mm；铸锭直径φ250-400mm，分流盘直径φ120-180mm；铸锭直径φ400-500mm，分流盘直径φ180-220mm。
作为优选，本发明所述半连续铸造的稳定拉锭速度为：铸坯直径φ100-250mm，拉锭速度为70-90mm/min；直径φ250-400mm，拉锭速度为40-70mm/min；直径φ400-500mm，拉锭速度为30-40mm/min。
本发明还提供一种镁合金铸锭，该铸锭采用上述的制备方法得到。
有益效果:
1.本发明首先是采用机械搅拌精炼和气体搅拌精炼相结合的方法精炼，使熔体精炼更充分，熔体中各合金成分分散更均匀，减少夹杂的生成。
2.本发明采用长时间降温静置，显著提高熔体质量以及re、ca元素的收得率，减少高价格mg-re和mg-ca中间合金投入量，保证铸棒材料的高品质和较低的成本。
3.采用基于改良的半连续铸造工艺，解决在铸造过程中镁合金容易出现的晶粒粗大、偏析、冷隔等缺陷，以此来抑制宏观偏析，提高铸锭质量和成材率，为后续变形加工提供保证。
附图说明
图1是本发明制备的直径φ270mm镁合金铸锭图片。
图2是本发明制备的直径φ355mm镁合金铸锭图片。
图3是本发明制备的直径φ170mm镁合金铸锭图片。
图4是本发明制备的直径φ270mm镁合金光学显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例所有试剂原材料均为市售所得。
实施例1中铸锭的光学显微组织图由金相显微镜测得。
实施例1：
按照成分含量al：4.3％，zn：2.8％，mn：0.2％，gd：0.53％，y：0.02％，ca：0.036％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至700℃，机械搅拌精炼时间60min，机械搅拌速度为120r/min，随后熔体升温至730℃保温30min，气体搅拌精炼时间60min，气体流量20l/h，气体精炼完后熔体静置降温至620℃，保温4h，随后升温至670℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为60mm/min，冷却水流量65l/min，浇铸出φ270mm的镁合金铸棒，表面质量高、无裂纹和明显冷隔，显微组织均匀，如图1、4所示，锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示。
实施例2：
按照成分含量al：3.5％，zn：3.5％，mn：0.4％，gd：0.12％，y：0.20％，ca：0.051％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至712℃，机械搅拌精炼时间40min，机械搅拌速度为150r/min，随后熔体升温至730℃保温30min，气体搅拌精炼时间35min，气体流量30l/h，气体精炼完后熔体静置降温至640℃，保温3h，随后升温至700℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为50mm/min，冷却水流量80l/min，浇铸出φ355mm的镁合金铸棒，锭坯表面质量高、无裂纹和明显冷隔，如图2所示。锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示。
实施例3：
按照成分含量al：5％，zn：2.8％，mn：0.3％，gd：0.13％，ca：0.023％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至710℃，机械搅拌精炼时间50min，机械搅拌速度为120r/min，随后熔体升温至740℃保温30min，气体搅拌精炼时间50min，气体流量30l/h，气体精炼完后熔体静置降温至630℃，保温4h，随后升温至690℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为80mm/min，冷却水流量65l/min，浇铸出φ170mm的镁合金铸棒，锭坯表面质量高、无裂纹和明显冷隔，如图3所示。锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示。
对比例1：
按照成分含量al：4.3％，zn：2.8％，mn：0.2％，gd：0.53％，y：0.02％，ca：0.036％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至740℃保温30min，气体搅拌精炼时间50min，气体流量30l/h，气体精炼完后熔体静置降温至630℃，保温4h，随后升温至690℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为60mm/min，冷却水流量65l/min，浇铸出φ270mm的镁合金铸棒。锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示，比较可知，对比例1不加机械搅拌精炼铸造后锭坯内部超声探伤结果明显差于实施例1-3。
对比例2：
按照成分含量al：4.3％，zn：3.1％，mn：0.3％，gd：0.23％，ca：0.042％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至710℃，机械搅拌精炼时间50min，机械搅拌速度为120r/min，机械搅拌精炼完后熔体静置降温至630℃，保温4h，随后升温至690℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为60mm/min，冷却水流量65l/min，浇铸出φ270mm的镁合金铸棒。锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示，比较可知，对比例2不加气体搅拌精炼铸造后锭坯内部超声探伤结果明显差于实施例1-3。
对比例3：
按照成分含量al：4.3％，zn：2.8％，mn：0.2％，gd：0.53％，y：0.02％，ca：0.036％，余量为mg的成分要求，向熔炼炉中依次加入高纯镁锭、高纯铝锭、高纯锌锭、al-mn中间合金、mg-re中间合金、mg-ca中间合金。原料完全熔化后，熔体温度调至700℃，机械搅拌精炼时间60min，机械搅拌速度为120r/min，随后熔体升温至730℃保温30min，气体搅拌精炼时间60min，气体流量20l/h，气体精炼完后熔体静置降温至620℃，保温1h，随后升温至670℃，准备半连续铸造。半连续铸造拉锭速度为60mm/min，冷却水流量65l/min，浇铸出φ270mm的镁合金铸棒。锭坯表层车皮后进行超声探伤检验，能达到a级探伤标准的成材率统计结果如表1所示，比较可知，对比例3静置保温时间短，铸造后锭坯内部超声探伤结果明显差于实施例1-3。
表1实施例和对比例的超声探伤结果
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种镁合金的半连续铸造方法，其特征在于：选用的镁合金质量百分比成分为al：3.5-5.0％，zn：2.0-3.5％，al含量与zn含量总和为：6％≤al zn≤8％，mn：0.1-0.8％，re：0.01-0.80％，ca：0.001-0.090％，其他不可避免的杂质元素，余量为镁，所述的re指的是稀土元素；
制备过程还包括以下步骤：
(1)根据镁合金成分质量百分比准备相应比重配比的原料，将原料烘烤预热；
(2)依次将原料加入熔炼炉中进行熔化，熔化温度范围660-790℃；
(3)当原料完全熔化后，调节熔体温度至700-720℃，进行机械搅拌精炼，精炼时间30-70min，机械搅拌速度100-160r/min；随后，将熔体升温至730-750℃，保温20-50min后，扒去熔体表层氧化夹渣，向熔体底部通入氩气进行气体搅拌精炼，精炼时间15-60min，气体流量20-40l/h；
(4)精炼结束后，熔体静置降温至620-650℃后，保温2-6h，随后熔体升温至670-700℃；
(5)将熔体通过分流盘引流入结晶器内腔，稳定浇铸时，结晶器内熔体温度为650-675℃，拉锭速度30-90mm/min，冷却水流量60-90l/min，得到镁合金铸锭。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中熔体距离结晶器顶部高度为40-70mm，液穴深度为30-80mm，最终得到直径φ100-500mm镁合金铸锭。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述镁合金材料包含fe、si、cu、ni等不可避免的杂质元素，其中fe≤0.005％，si≤0.05％，cu≤0.005％，ni≤0.005％，杂质总含量不超过0.1％，所述合金成分re元素包括gd、y或两者混合元素，质量百分比为0.05-0.50％，当所述合金成分re为gd、y两者混合时，其质量比为gd:y＝(0.01-100):1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述合金成分al的质量百分比为4.0-5.0％，所述合金成分zn的质量百分比为2.0-3.0％，所述合金成分al含量与zn含量总和为：6.5％≤al zn≤8.0％，所述合金成分mn的质量百分比为0.2-0.6％，所述合金成分ca的质量百分比为0.002-0.060％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：等到加入原料全部熔化后，对表面进行扒渣，扒渣后将搅拌桨放入熔体中，同时向炉内加入覆盖剂，启动搅拌桨进行机械搅拌精炼，精炼时间为30-60min，机械搅拌速度120-160r/min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将熔体升温至730-745℃，到温后保温20-40min，保温时间到达后扒去表层氧化夹渣，向熔体底部通入氩气搅拌熔体，同时加入覆盖剂，进行气体搅拌精炼，精炼时间20-50min，气体流量30-40l/h。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中熔体静置降温至620-640℃后，保温2-4h。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，通入氩气或氮气将熔体从熔炼炉内压出，通过分流盘引流入结晶器内腔，同时向熔体液面上方通入惰性气体，保护熔体、防止氧化。铸锭直径φ100-250mm，分流盘直径φ50-120mm；铸锭直径φ250-400mm，分流盘直径φ120-180mm；铸锭直径φ400-500mm，分流盘直径φ180-220mm。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：铸坯直径φ100-250mm，拉锭速度为70-90mm/min；直径φ250-400mm，拉锭速度为40-70mm/min；直径φ400-500mm，拉锭速度为30-40mm/min。
10.一种镁合金铸锭，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项方法制备得到。
技术总结