铸造镁合金是目前应用多的镁合金,其铸造方法主要有:砂型铸造、模铸造、半模铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压力铸造和高压铸造等。铸造镁合金主要应用于汽车零件、 机件壳罩和电器构件等。 铸造镁合金多采用压铸工艺生产, 其主要特点是生产、精度高、表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及复杂形状的构件等。
随着科技的发展与社会的进步,节能、环保是当前及未来较长一段时间的主要发展课题。新型材料,尤其是某些有色金属合金材料,如:镁合金,在强度、刚度、制造性、加工方式、导热性、稳定性等方面,与传统材料相比都具有明显的性能优势[1]。因此,镁合金在航空、军事、民用器械等制造加工领域应用越来越普及,如航空航天的飞机变速箱、天蓬框架、发动机箱体,以及人们体育运动使用的网球拍、办公使用的打印机滚筒、核电站使用的核燃料零件箱等,都广泛使用了镁合金结构材料[2]。目前,镁合金已经成为除钢铁、铝合金之外的第三大金属结构材料[3]。
镁是化学元素周期表中比较的金属元素,具有非常强的化学活性和氧化性[4]。纯镁为银白色,表面容易与空气中的氧气发生氧化反应,生成氧化镁薄膜。镁的密度很小,相应地镁合金密度也比较小,是比钢铁、铝合金更轻的轻型结构材料[5]。主要特点如下:
(1)镁合金的密度很小,相当于铝合金的35%左右,钢铁的25%左右。
(2)镁合金稳定性强,可以进行快速切削加工,且能够保持较高的铸造尺寸精度和机械加工尺寸精度。
(3)镁合金具有很强的抗电磁干扰屏蔽性,在生产加工与使用过程中具有很强的适用性。
(4)镁合金的化学性质活泼,热加工性较弱,在熔炼铸造与焊接过程中容易产生缺陷。
镁合金与钢铁、铝合金一样,都属于金属结构材料,都可以通过机械加工、熔炼铸造锻压、焊接热处理等方式进行生产加工[6]。一般地,镁合金按照合金系的不同主要分为五大类:Mg-Al 系合金、Mg-Zn 系合金、Mg-Mn 系合金、Mg-RE 系合金、Mg-Li 系合金。按照生产加工方式的不同分为两大类:铸造镁合金、变形镁合金[7]。
具体的熔炼铸造过程分六步:
(1)配料:按炉化5kg 镁合金,根据镁合金板材熔炼铸造原料配比表进行计算,确定各组分的用量,然后进行称量取材,再放入烘箱进行烘干处理后备用。
(2)装料熔炼:给熔炉进行加热,装入称取的合金原料,待炉温升至650℃时,轻轻加入炉料35%Mg,并同时输入保护气体,再继续给熔炉缓慢加热升温熔炼。
(3)合金化:待炉温升至700℃时保持温度确保合金原料完全熔化,然后加入配料5%Zn,以及强化元素稀土Nd,再进行连续搅拌约150s,确保熔炉内原料完全熔化,再继续给熔炉缓慢加热升温,直至熔炉内溶液温度达到730℃时进行变质处理。
(4)变质处理:熔炉内溶液温度达到730℃时,逐渐加入变质剂并同时进行搅拌操作,防止溶液飞溅和混合不均,然后静置保温约5min,以确保溶液进行充分变质处理。
(5)静置浇注:撇去熔炉内溶液浮渣,并继续静置15min,然后将熔炉内溶液缓缓浇注到镁合金板材模具中,保持模具水平静置。
(6)冷却取用:待模具内镁合金板材完全成形冷却,再从模具中取出进行切割处理,长宽厚尺寸分别为180mm×50mm×8mm,以留作焊接试验使用。
镁的化学性质非常活泼,在熔炼和浇注过程中容易与环境中的水气等发生反应产生氢气、氧化物,导致缩松、缩孔、夹杂等铸造缺陷产生。根据Pilling Bedworth理论,Mg生成的氧化膜的体积比例系数(RPB)<1,属于疏松型,对熔体不能起到有效的保护作用。含Er镁合金在熔化的时候,由于Er与氧的亲和力更大,将生成稀土氧化物Er2O3,在熔体表面形成较致密的氧化膜,体积比例系数>1,能够有效减少熔体的氧化夹杂。通过热力学分析可知,Er与熔剂中的MgCl2具有较强的交互作用,在熔化和精炼过程中,Er会与熔体中的过剩MgCl2发生还原反应,生成ErCl3,并沉降,有效地抑制合金中的熔剂夹杂。此外,Er会与镁熔体中析出的氢气反应,生成密度较高的高熔点化合物ErH2,下沉后成固体渣,从而减少疏松和夹杂。浇注过程中,稀土氧化物Er2O3所形成的致密氧化膜可以有效地减少熔体的二次氧化夹杂。
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