一种钙/氧化镁晶粒细化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种钙/氧化镁晶粒细化剂及其制备方法及应用，属于有色金属技术领域。本发明专利技术晶粒细化剂具有明显的壳核结构，其中钙元素分布在氧化镁颗粒的外围；颗粒粒径分布主要集中在200nm左右。具体制备方法是：在六氟化硫和氮气混合气体保护下，纯镁加热至半凝固态；加入氧化钙粉末，搅拌使其均匀混入半凝固态的镁液中；升高炉温至镁液完全熔化，高温静置后浇入铁铸模铸后得目标产物。本发明专利技术的晶粒细化剂对镁及镁合金晶粒细化效果明显；且在不同的凝固冷却条件或高温长时间静置不搅拌的情况下仍能保持好的晶粒细化效果；该晶粒细化剂制备成本较低，添加工艺简单，适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种钙/氧化镁晶粒细化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于有色金属
，具体涉及一种钙/氧化镁晶粒细化剂及其制备方法以及该细化剂在镁及镁合金中的应用。
技术介绍
细小均匀的等轴晶是镁及镁合金材料最佳的铸态组织，要获得这种组织，必须通过不同的手段细化晶粒，即结晶组织的微细化处理。其手段包括液态时加入各种中间合金细化剂或借助外来能量，如机械振动、电磁搅拌、高速剪切、超声波处理等使α-Mg基体细化，从而显著提高镁材的力学性能和加工工艺性能。晶粒细化可以同时提高材料的强度和塑性，是获取优质镁锭、改善镁材质量的重要途径。目前90％的镁合金主要在铸态下使用，因此镁合金铸态组织的晶粒细化尤为重要。借助外来能量需要特殊的设备和工艺，在实际工业生产中较难实现，并且还受生产条件等的限制，其作用有限，过程不易控制。在工业生产条件下，只有添加细化剂是最简便而有效的方法，也是镁熔体处理技术的重要组成部分。目前工业上镁及其合金的晶粒细化手段按合金种类分二种情况：第一种情况是含铝镁合金的晶粒细化。普遍采用过热、碳或含碳化合物添加。该类细化剂晶粒细化效果的稳定性限制其在工业上的大规模应用。第二种情况是不含铝镁合金的晶粒细化。普通采用加入镁锆中间合金方法实现晶粒细化。但在实际应用中，该细化剂也存在贵金属锆用量大，锆元素化学性质活泼，易与其它元素反应失效等问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有镁及其合金晶粒细化不足和缺陷，提出了一种钙/氧化镁晶粒细化剂，以期对镁及其合金有较强的晶粒细化效果同时性能稳定、易于工业化。为了解决以上技术问题，本专利技术通过以下技术方案予以实现的。本专利技术提供了一种晶粒细化剂，其形核颗粒是典型的壳核结构，即钙元素分布在氧化镁颗粒的外围，粒径分布均匀，平均粒径为200nm。本专利技术同时提供了上述晶粒细化剂的制备方法，具体步骤如下：往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径范围为0.1～1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝1～5:100；每次加入氧化钙粉末后，充分搅拌以保证加入的氧化钙粉末均匀混入半凝固态的镁液中；继续升高炉温至680～720℃，静置保温至镁液完全熔化，充分搅拌至所加氧化钙粉末较均匀分布在镁熔体中；然后将熔体倒入圆柱形的铁铸模，浇铸过程通保护气体，保证熔液在浇铸阶段不着火，空气自然冷却后得目标产物：钙/氧化镁晶粒细化剂。上述晶粒细化剂可用于镁或镁合金的晶粒细化。在该应用中，所述晶粒细化剂占镁或镁合金的质量百分比为0.1～1％。本专利技术科学原理：外加的氧化钙粉末在纯镁熔液中不稳定，易被纯镁还原生成氧化镁和钙，其中钙元素原位吸附在还原的氧化镁表面，形成典型的壳核结构。吸附在氧化镁表面的钙元素通过形成过渡中间化合物形式提高氧化镁对镁及其合金的形核能力，起到有效细化镁晶粒的效果。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术细化剂的制备方法简单易控，价格便宜，易于实现工业化生产。2、本专利技术制备的晶粒细化剂粒径分布均匀，添加方式简单。3、本专利技术制备的晶粒细化剂对镁及其合金的晶粒细化效果明显。4、本专利技术制备的晶粒细化剂在不同的凝固冷却条件或高温长时间静置不搅拌的情况下均仍能保持好的晶粒细化效果。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的钙/氧化镁晶粒细化剂颗粒扫描透射电镜图；其中：(a)为钙/氧化镁晶粒细化剂颗粒微观组织图；(b)为钙元素分布图，由图可知，钙元素分布在氧化镁颗粒的外围。图2为加入晶粒细化剂前后纯镁熔体经TP1浇铸后样品的宏观组织对比图(晶粒细化剂由本专利技术实施例1制备，下同)；其中：(a)为纯镁熔体经TP1浇铸后样品的宏观组织；(b)为加入质量分数为0.1％的晶粒细化剂的纯镁熔体经TP1浇铸后样品的宏观组织。图3为加入晶粒细化剂前后Mg-3Al合金熔体经TP1浇铸后样品的微观组织对比图；其中：(a)为Mg-3Al合金熔体经TP1浇铸后样品的微观组织；(b)为加入质量分数为0.1％的晶粒细化剂的Mg-3Al合金熔体经TP1浇铸后样品的微观组织。图4为加入晶粒细化剂前后纯镁熔体经楔形模浇铸后样品的宏观组织对比图；其中：(a)为纯镁熔体经楔形模浇铸后样品的宏观组织；(b)为加入质量分数为0.1％的晶粒细化剂的纯镁熔体经楔形模浇铸后样品的宏观组织。图5为加入质量分数为0.1％的晶粒细化剂的纯镁熔体高温静置不同时间取样(分别对应0.5h(a),1.5h(b),2.5h(c),6.5h(d))经TP1浇铸后样品的宏观组织对比图。具体实施方式以下结合具体实施例和附图详述本专利技术，但本专利技术不局限于下述实施例。一、晶粒细化剂的制备实施例1往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径为0.1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝1:100；每次加入氧化钙粉末后，充分搅拌以保证加入的氧化钙粉末均匀混入半凝固态的镁液中；继续升高炉温至680℃，静置保温至镁液完全熔化，充分搅拌至所加氧化钙粉末较均匀分布在镁熔体中；在680℃保温30min，熔体倒入圆柱形的铁铸模(直径为10mm)；浇铸过程通保护气体，保证熔液在浇铸阶段不着火，空气自然冷却得本专利技术的晶粒细化剂。实施例2往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径为1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝1:100；每次加入氧化钙粉末后，充分搅拌以保证加入的氧化钙粉末均匀混入半凝固态的镁液中；继续升高炉温至680℃，静置保温至镁液完全熔化，充分搅拌至所加氧化钙粉末较均匀分布在镁熔体中；在680℃保温30min，熔体倒入圆柱形的铁铸模(直径为10mm)；浇铸过程通保护气体，保证熔液在浇铸阶段不着火，空气自然冷却得本专利技术的晶粒细化剂。实施例3往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径范围为0.1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝5:100；每次加入氧化钙粉末后，充分搅拌以保证加入的氧化钙粉末均匀混入半凝固态的镁液中；继续升高炉温至680℃，静置保温至镁液完全熔化，充分搅拌至所加氧化钙粉末较均匀分布在镁熔体中；在680℃保温30min，熔体倒入圆柱形的铁铸模(直径为10mm)；浇铸过程通保护气体，保证熔液在浇铸阶段不着火，空气自然冷却得本专利技术的晶粒细化剂。实施例4往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径范围为0.1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝5:100；每次加入氧化钙粉末后，充分搅拌以保证加入的氧化钙粉末均匀混入半凝固态的镁液中；继续升高炉温至720℃，静置保温至镁液完全熔化，充分搅拌至所加氧化钙粉末较均匀分布在镁熔体中；在680℃保温30min，熔体倒入圆柱形的铁铸模(直径为10mm)；浇铸过程通保护气体，保证熔液在浇铸阶段不着火，空气自然冷却得本专利技术的晶粒细化剂。实施例5往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；少量多次加入氧化钙粉末，其平均粒径范围为0.1μm；氧化钙粉末加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙/氧化镁晶粒细化剂，其特征在于：该细化剂具有壳核结构，钙元素分布在氧化镁颗粒的外围，粒径分布均匀，平均粒径为200nm。

【技术特征摘要】
1.一种钙/氧化镁晶粒细化剂，其特征在于：该细化剂具有壳核结构，钙元素分布在氧化镁颗粒的外围，粒径分布均匀，平均粒径为200nm。2.如权利要求1所述的钙/氧化镁晶粒细化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)往清洗后的坩埚内加入纯镁，在六氟化硫和氮气混合气体保护下，加热至半凝固态；(2)少量多次往坩埚内加入氧化钙粉末，其平均粒径范围为0.1～1μm；氧化钙粉末加入量按重量配比CaO:Mg＝1～5:100；每次加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭国胜，陈康华，陈送义，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34