鎂合金變質處理 - 鎂、鋁合金壓力鑄造專區 - 中國壓鑄網博客

 
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  •                 鎂合金熔煉的變質處理

 

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  •  　　(1)變質劑

    　　變質處理在鎂合金鑄造生產實際中的應用非常廣泛.早期人們采用一種過熱變質處理法,即將經過精煉處理的鎂合金熔體過熱到875～925℃,保溫10～15min后快速冷卻到澆注溫度,再進行澆注,具有細化晶粒的作用.研究表明,過熱變質處理能顯著細化ZM5合金中的Mg17Al12相,但是這種工藝存在很大缺點.在過熱變質處理過程中,鎂合金熔體的過熱溫度很高,從而明顯增加了鎂的燒損,降低了坩鍋的使用壽命和生產效率,增加了熔體中的鐵含量和能源消耗.因此,過熱變質處理在生產實際中應用并不普遍,已經基本淘汰了.目前,熔煉鎂合金時常用的變質劑有含碳物質,C2Cl6和高熔點添加劑如Zr,Ti,B,V等.下面簡單介紹以下幾種常用變質劑的晶粒細化機理及效果.

    　　1)含碳變質劑

    　　碳不能固溶于鎂中,但可與鎂反應生成Mg2C3和MgC2化合物.碳對Mg-Al系或Mg-Zn系合金具有顯著的晶粒細化作用,而對Mg-Mn系合金的細化效果非常有限.人們對含碳變質劑細化鎂合金晶粒的機理提出了多種假設.Battelle Memorial研究所認為C加入到Mg-Al系合金熔體后,C與Al反應生成大量細小,彌散的Al4C3質點,其晶格常數與鎂的非常接近,可作為形核質點,從而可以細化鎂合金的晶粒.目前這種假設得到了普遍認可,但仍缺乏試驗依據.

    　　工業上常用的含碳變質劑有菱鎂礦(MgCO3),大理石(CaCO3),白堊,石煤,焦炭,CO2,炭黑,天然氣等.其中MgCO3,CaCO3最為常見.以MgCO3為例,MgCO3加入到Mg-Al合金熔體中后,發生下列反應

    　　MgCO3=MgO+CO2↑ (7-16)

    　　CO2+2Mg=2MgO+C (7-17)

    　　3C+4Al=Al4C3 (7-18)

    　　鎂合金熔體中會產生大量細小而難熔的Al4C3質點,呈懸浮狀態并在凝固過程中充當形核基底.MgCO3的加入量一般為合金熔體質量的(0.5～0.6)%,熔體溫度為760～780℃,變質處理時間5～8min.

    　　2)C2Cl6

    　　C2Cl6是鎂合金熔煉中最常用的變質劑之一,可以同時達到除氣和細化晶粒的雙重效果.Q.L.Jin等開展了C2Cl6對AZ31合金晶粒細化效果的研究,研究表明鑄件中形成了Al-C-O化合物質點來充當晶核的核心.AZ31 經過C2Cl6變質處理后晶粒尺寸由280μm下降到120μm,抗拉強度明顯提高.對ZM5合金而言,C2Cl6的變質處理效果比MgCO3好得多.此外,也可以采用C2Cl6和其他變質劑進行復合變質處理,其效果更好.在Mg-Al合金熔體底部放置C2Cl6或環氯苯片也可以達到細化晶粒和除氣的雙重目的.

    　　3)其它變質劑

    　　鋯對Mg-Zn系,Mg-RE系和Mg-Ca系等合金具有明顯的晶粒細化作用,是目前鎂合金熔煉中較常用的晶粒細化劑,但其晶粒細化機理尚不十分清楚.

    　　在添加等量鋯的情況下,鋯合金化條件不同,其晶粒細化效果存在顯著差異.Sauerwald認為只有澆注時溶入鎂液中的那部分鋯才具有晶粒細化作用,這種觀點在20世紀60年代中期以前得到普遍認可.基于光學顯微組織觀察,Emley提出包晶溫度下Zr粒子從熔體中分離出來并與鎂液反應生成富鋯的鎂基固溶體,直到剩余熔體內鋯含量下降至較低值.同時他指出在包晶溫度附近形成的富鋯粒子具有促進熔體形核的作用.由于α-Zr是鎂合金的形核質點,Tamura等研究了不同工藝條件下(包括攪拌時間,熔體靜置時間等)往720℃鎂液中添加1mass.% Zr對所形成的Mg-Zr合金晶粒尺寸的影響.他們發現在鎂熔體澆注前重新攪拌時晶粒細化效果更顯著,由于重新攪拌前后固溶的鋯沒有發生變化,這說明部分不溶于鎂液的鋯也具有晶粒細化作用.M.Qian等認為鎂鋯合金的晶粒細化效果主要來自于固溶于鎂中的鋯,而沒有固溶的那部分鋯只有約30%的晶粒細化作用.

    　　通常,Mg-Zr合金熔體中的加鋯量稍高于理論值.只有熔體中可溶于酸的鋯過飽和時,Mg-Zr合金才能取得最佳的晶粒細化效果.由于熔體中還可能存在各種污染物,導致生成不溶于酸的鋯化物,因此熔體中盡可能不要含鋁和硅.此外,有必要保留坩鍋底部含鋯的殘余物質(包括不溶于酸的鋯化物).為了防止液態殘渣澆注到鑄件中,鑄型澆注后坩鍋中要預留足量的熔融合金(大約為爐料質量的15%).澆注時要盡量避免熔體過分湍流和溢出,并且熔煉工藝中要保證足夠的靜置時間.

    　　表7.11所示為Mg-Al系合金的變質劑及其用量和處理溫度.Mg-Al系合金經過變質處理后還需要精煉.ZM1,ZM2,ZM3,ZM4和ZM6合金采用鋯對合金進行晶粒細化,不需要進行上述變質處理.對于Mg-Zn合金系,加入0.5mass.%Zr可以起到很好的變質效果.采用0.5 mass.%Sc+(0.3～0.5)mass.%Sm可使Mg-Mn系合金的晶粒細化,(0.2～0.8)mass.%La也可以使Mg-Mn系合金的晶粒細化.

    　　表7.11 Mg-Al系合金的變質劑及其用量和處理溫度

    　　變質劑

    　　用量(占爐料質量分數)/%

    　　處理溫度/℃

    　　碳酸鎂或菱鎂礦

    　　碳酸鈣

    　　六氯乙烷

    　　0.25～0.5

    　　0.5～0.6

    　　0.5～0.8

    　　710～740

    　　760～780

    　　740～760