[发明专利]一种镁合金晶粒细化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，具体是涉及一种镁合金晶粒细化剂及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果好等优点，在汽车、摩托车、电子信息、轨道交通、航空航天等领域具有很大的应用潜力。但大多数镁合金的绝对强度仍然较低，其次，镁合金是密排六方晶体结构，其室温塑性变形能力较差，限制了变形镁合金板带、管材、型材和锻件等产品的生产和应用。晶粒细化是提高镁合金力学性能和改善镁合金塑性变形能力的有效方法，同时晶粒细化还有助于提高镁合金组织的均匀性，提高镁合金的耐腐蚀性能，减少热裂和组织疏松等铸造缺陷。

早在1931年，人们就发现元素Zr对纯镁有明显的晶粒细化效果，在纯镁液中加入很少量的锆，就可大大提高纯镁的形核率，起到细化晶粒的效果。但Zr与Al、Mn等元素会形成稳定的化合物，起不到细化晶粒的效果。例如，在含Al的镁合金中加入Zr，Zr与Al会形成稳定的Al₃Zr化合物，而Al₃Zr的体心正方形晶体结构与镁的密排六方晶体结构完全不同，且二者的晶格常数相差很大，因此，Al₃Zr不能作为镁晶粒的异质形核核心，同时形成Al₃Zr将造成镁合金中Al和Zr的损失。因此，单独的Zr元素不能作为含Al、Mn元素的镁合金的晶粒细化剂。后来人们发现ZrB₂粒子具有熔点高、稳定性好的特点，特别是ZrB₂粒子与镁同为密排六方晶体结构并且二者的晶格常数相近，晶格常数错配度非常低，根据金属学点阵匹配原理，ZrB₂粒子是镁的优良非均质形核核心，据此人们研制了含ZrB₂粒子的铝锆硼合金作为镁合金的晶粒细化剂，解决了含Al、Mn等元素的镁合金的晶粒细化问题。

目前，铝锆硼合金主要采用氟盐铝热反应法制备，即以氟锆酸钾和氟硼酸钾为原料，将氟盐混合物加入到铝熔体中，通过反应生成含有ZrB₂粒子的合金液，然后再将合金液铸造成铝锆硼合金锭或连铸连轧成铝锆硼合金杆。但在该制备方法中，由于合金液中ZrB₂粒子的数量众多且尺寸细小，粒子之间具有很强的亲和性，再加上合金液凝固过程中存在非平衡凝固特性，最终导致铝锆硼合金中存在严重的ZrB₂粒子偏析团聚，而ZrB₂粒子的偏析团聚不仅会降低晶粒细化剂的晶粒细化能力，加速晶粒细化能力的衰退，还会导致镁合金深加工产品的表面产生砂眼、针孔等缺陷。另外，该方法由于需要使用大量的氟锆酸钾和氟硼酸钾，氟盐铝热反应会产生大量的氟化氢烟雾和氧化铝、氟铝酸钾等熔渣，不仅会造成严重的环境污染，还会增加铝锆硼合金中氢气、氧化铝、氟铝酸钾等非金属夹杂物以及Fe、Si等金属杂质元素的含量，降低晶粒细化剂的洁净度，并最终会影响到使用晶粒细化剂的镁合金的洁净度，无法满足高洁净、高光亮、高精密的镁合金深加工产品的生产需要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种ZrB₂粒子分布均匀、晶粒细化能力强和洁净度高的镁合金晶粒细化剂及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的镁合金晶粒细化剂，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Zr 4.5～5.5%，B 0.8～1.2%，Re 0.1～0.5%，余量为Al和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为：Pr 18.4%，Nd 9.3%，Pm 2.6%，Sm 16.7%，Tb 5.9%，Dy 11.5%，Ho 10.7%，Tm 7.4%，Yb 3.2%，Lu 14.3%。

本发明所述的镁合金晶粒细化剂的制备方法，其特点是包括以下步骤：

第一步：将氟锆酸钾和氟硼酸钾按质量百分比为1:0.63～1.16的比例混合均匀；

第二步：将工业纯铝锭在800～850℃加热熔化，然后加入占铝锭重量为22.6～30.9%的氟锆酸钾和氟硼酸钾的混合物，搅拌反应30～90分钟，除去上面的浮渣，经精炼除气除杂后得到铝锆硼合金液；

第三步：将占铝锆硼合金液重量为0.1～0.5%的稀土Re加入到铝锆硼合金液中，搅拌得到铝锆硼稀土合金液；

第四步：将铝锆硼稀土合金液降温至700～740℃并静置30～60分钟，然后铸造成铝锆硼稀土合金锭或连铸连轧成铝锆硼稀土合金杆，得到镁合金晶粒细化剂。