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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