[发明专利]一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于镁铝系合金的Mg‑AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法，首先将一定比例的Al粉与Mg₃N₂粉混合装入球磨罐中，先采用低转速球磨，然后进行高速间歇球磨，球磨一定时间，将球磨获得的混合粉末加入到纯Mg熔体中，并对熔体进行超声处理，生成物AlN来不及长大就在超声场作用下均匀分散开；然后在覆盖剂的保护下将熔体温度升高到900℃左右，随后迅速降温浇注获得Mg‑3%AlN中间合金。本发明制备工艺简单、生产成本较低，细化处理操作方便，细化剂响应时间短，获得的晶粒细化效果好，且细化效率不存在高温依赖性，即对Mg‑Al合金的细化处理可在常规熔炼温度下进行，可使Mg‑Al合金的强度和韧性均能得到显著提高。

技术领域

本发明属于铸造镁合金组织细化技术领域，涉及到一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法。

背景技术

镁合金具有密度低、比强度高、易切削加工等优点，被称为“二十一世纪绿色工程材料”，在航空航天、3C电子等领域均有大规模应用。镁合金中应用最广泛的是Mg-Al系合金，与铸态铝合金类似，Mg-Al合金常规条件下的凝固组织较为粗大，凝固过程中易产生缩松、气孔、裂纹等铸造缺陷，导致其力学性能较低，因此，生产中需要进行晶粒细化处理。目前，Mg-Al系合金最主要的晶粒细化方法是向熔体中添加含碳物质作为晶粒细化剂，但往Mg-Al系合金熔体中引入碳或含碳的物质时会严重污染环境且存在与合金熔体浸润性差等问题。因此，开发非碳的细化剂是解决此问题的有效路径之一。

晶格错配度是目前异质形核的基本理论判据，根据异质形核的晶粒细化机理，AlN与Mg的晶格错配度较小，理论上可作为α-Mg的异质形核核心。部分文献试验研究结果也证实A1N对α-Mg具有一定的晶粒细化作用，但由于对异质形核机制的本质缺乏深入认识，导致将AlN作为Mg-Al合金的晶粒细化剂，无论在制备还是使用过程中，仍存在诸多问题。例如，Fu等人在使用A1N颗粒作为变质剂对Mg-Al熔体进行孕育处理的结果中指出，只有在高温下，A1N才会起到较好的晶粒细化作用，此试验结果说明普通的AlN颗粒细化剂对Mg-Al合金的晶粒细化作用与合金温度存在明显的依赖关系。而在实际生产中，熔体温度过高会带来严重氧化与合金元素烧损，因此，在工艺上应尽量降低细化处理温度。此外，与碳质细化剂中的Al₄C₃陶瓷微粒类似，将AlN向Mg-Al中引入时也存在与合金熔体润湿性差的问题。制备一种含AlN的中间合金是解决润湿性差的较好方案，采用常规的熔体反应法与粉末冶金法制备Al/Mg-AlN中间合金，虽然能在一定程度上提高AlN与Mg-Al熔体的润湿性，但熔体反应法制备的AlN的尺寸一般较大；当AlN含量较多时，粉末冶金制备的细化剂往往在镁合金熔体中不易熔解，且制备工艺相对复杂。即使选用亚微米甚至纳米尺寸的AlN粒子进行粉末冶金工艺处理，制备AlN含量较少的Al/Mg-AlN中间合金，也仍然不能解决该类型细化剂的细化效率对细化处理温度的明显依赖性。

综上所述，如何通过原位反应制备含有细小AlN粒子的中间合金，且能够在常规细化温度下获得高的细化效率是研究开发用于Mg-Al系合金的含AlN晶粒细化剂的关键。

发明内容

本发明提供一种简便、有效的一种用于镁铝系合金的Mg-AlN中间合金晶粒细化剂及其制备方法。解决了普通含AlN细化剂的制备工艺复杂、与Mg-Al熔体润湿性差、AlN尺寸较大以及细化效率低、细化响应时间长等问题；同时该细化剂对细化处理温度不敏感，常规熔体细化工艺温度下即可获得最佳的晶粒细化效果。

本发明的技术方案是：