職稱論文發(fā)表鎂合金性能研究

　　本篇文章是由《機(jī)械工程材料》發(fā)表的一篇機(jī)械材料論文，(月刊)創(chuàng)刊于1977年，由上海材料研究所主辦，為中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)會(huì)刊，是公開發(fā)行的有關(guān)工程材料的應(yīng)用類技術(shù)期刊。獲獎(jiǎng)情況：全國中文核心期刊;《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)檢索與評價(jià)數(shù)據(jù)庫規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊。

　　【論文摘要】：介紹了鎂合金的分類和組織與性質(zhì)特點(diǎn)，并介紹了鎂合金的主要熔煉方法。熔煉設(shè)備，熔劑及氣體保護(hù)熔煉技術(shù)，保護(hù)性氣體有SF6、CO2、SO2 、 N2等或它們的混合氣體，SF6 和CO2是有害氣體科學(xué)家研究用氬氣替代SF6和CO2作為鎂合金熔煉保護(hù)氣體。

　　【論文關(guān)鍵詞】：鎂合金;性能;熔煉

　　引言

　　20世紀(jì)80年代初期，北美汽車制造企業(yè)為了達(dá)到平均燃油標(biāo)準(zhǔn)(CAFE)，都努力降低汽車自重，以減少燃油消耗。鎂合金由于密度小、壓鑄性能好被認(rèn)為是降低汽車自重的首選合金，各國都加緊進(jìn)行鎂合金生產(chǎn)及應(yīng)用研究，鎂合金工業(yè)因而進(jìn)入飛速發(fā)展階段。

　　1 鎂合金的組織性能與分類

　　1.1鎂合金的分類

　　常用鎂合金共有四大系列

　　⑴Mg-Al-Si(AS)系列：AS系列具有較好的抗蠕變性，強(qiáng)度高，塑性、韌性好，但充型性能較差，常用于制造工作溫度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。

　　⑵Mg-Al-Zn(AZ)系列：AZ系列具有均衡的力學(xué)性能和鑄造性能，屈服強(qiáng)度高并具有一定的耐鹽霧腐蝕能力，適合制造形狀復(fù)雜的薄壁壓鑄件，如閥套、離合器殼體等。

　　⑶Mg-Al-Mn(AM)系列：AM系列具有優(yōu)異的韌性和塑性，適合制造受沖擊的零部件，如汽車輪轂等。

　　⑷Mg-Al-RE(AE)系列：AE系列具有比AS系列更好的抗蠕變性，但易粘模，壓鑄性能較差，并且稀土成本高，該合金暫時(shí)應(yīng)用范圍較小。

　　1.2鎂合金的組織與性能特點(diǎn)

　　鎂合金在共晶溫度時(shí)，具有α相單相組織，而在常溫下具有α+β(Mg2Al3)組織。鎂在α相中有一定的溶解度，而且鎂原子半徑與鋁原子半徑相差很大，故能產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用。

　　α與β兩相是以離異共晶形態(tài)存在，在鑄態(tài)組織中β相以網(wǎng)狀呈現(xiàn)在α相的晶界處，會(huì)降低合金的強(qiáng)度和塑性。采取固溶化及淬火處理，消除β相，能提高其機(jī)械性能 。

　　鎂合金不具有時(shí)效強(qiáng)化作用，不易進(jìn)行強(qiáng)化處理。雖然鎂在α相中溶解度隨溫度下降而降低，但由于鎂原子在鋁中容易擴(kuò)散和聚集，即使在常溫下也會(huì)發(fā)生自然時(shí)效過程，析出β相。當(dāng)80℃以上，時(shí)效過程更快，故不易用時(shí)效強(qiáng)化的熱處理方法。

　　鎂合金表面有一層由尖晶石構(gòu)成的膜，因而使合金具有良好的耐海水、大氣腐蝕性能。但合金只有在組織中不析出β相時(shí)才有此性能，如果是α+β兩相組織，則由于β相與α相之間有較大電位差，故有較大電化學(xué)腐蝕傾向。

　　AZ系列合金中Zn在合金中溶于α相，并在晶界上形成T相，有效抑制鎂原子的擴(kuò)散和β相的析出。因此其組織穩(wěn)定性強(qiáng)，應(yīng)力腐蝕傾向較小。合金中的表面活性元素Be富集于表面，而成為氧化鋁膜中的組成物，增大了氧化膜的電阻率，故提高合金抗氧化性。又由于BeO的體積是氧化前Be體積的1.7倍，提高了氧化膜的致密度，因而提高耐蝕性。AS系列合金中的Si、Mn的輔助強(qiáng)化，提高了組織穩(wěn)定性，減小應(yīng)力腐蝕傾向，Si也減小了熱裂傾向。

　　另外，鎂合金還具有其他一些特點(diǎn)，如密度低，但比強(qiáng)度、比剛度高;吸震性好;收縮率均勻一致，具有良好的蠕變強(qiáng)度;縮孔傾向小;流動(dòng)性好、凝固快;與鋼之間的粘附系數(shù)低，易脫模;與Fe、Co、Cr、W等元素不溶或微溶，對鋼質(zhì)模具和工具侵蝕作用小;有良好的切削加工性能等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.3鎂合金中的雜質(zhì)元素及影響

　　Fe是主要雜質(zhì)元素，它可形成針狀FeAl3化合物造成合金的脆性。Fe還能使淬火狀態(tài)的合金在應(yīng)力作用下更易析出β相，增大其應(yīng)力腐蝕傾向。同時(shí)Ni,Cu都會(huì)強(qiáng)烈使其腐蝕速度加快。另外，鎂合金中的Zn,Ca,Ce,Nd等對耐蝕性均有負(fù)面影響。

　　Mn可與Fe生成Al-Fe-Mn化合物，而減小了Fe的有害作用。但Fe與Mn在合金液中的溶解度的比值小于極限值時(shí)，鎂合金才能獲得良好的耐蝕性。

　　Al 通過固溶強(qiáng)化作用和形成沉淀析出提高鎂合金的強(qiáng)度及耐蝕性。

　　2 鎂合金的熔煉

　　2.1鎂合金的熔煉特點(diǎn)

　　鎂合金液的表面氧化膜是疏松的，而且鎂是活潑元素，與氧的結(jié)合力強(qiáng)，熔煉時(shí)，與大氣中氧、水蒸氣、氮反應(yīng)，生成MgO、Mg3N2和H2。MgO、Mg3N2成為雜質(zhì)，夾雜物處常伴隨有縮松和氣孔。另為，由于使用熔劑，使得產(chǎn)生熔劑夾雜傾向大，它將成為鎂合金鑄件腐蝕源。因此，防止這兩種夾雜物是一個(gè)突出的問題。為了防止鎂液與大氣的反應(yīng)，在熔煉的過程中，始終要有覆蓋劑保護(hù)著，為了去除鎂液中的氧化物雜質(zhì)，要撒入足夠量的精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中使鎂液產(chǎn)生平穩(wěn)的循環(huán)流動(dòng)，保證精煉劑能充分吸附夾雜物，而后沉淀在坩堝底部。為了提高性能，采取細(xì)化晶粒處理。不同類行的鎂合金細(xì)化處理不同。最好在細(xì)化晶粒前后進(jìn)行兩次精煉。

　　鎂合金熔劑通常選用熔點(diǎn)低、密度小、粘度適中、化學(xué)性能穩(wěn)定的鹽，目前普遍使用的熔劑為無水光鹵石(MgCl2—KCl)添加一些氟化鹽和氯化鹽。熔煉時(shí)熔劑熔化成液態(tài)在鎂合金液表面均勻鋪開形成連續(xù)完整的覆蓋層，阻止鎂合金與空氣中的氧氣及水發(fā)生反應(yīng)。熔劑在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的刺激性氣體(如HCl、Cl2等)，并易造成熔劑夾雜，使合金的力學(xué)性能和耐蝕性下降。目前熔劑保護(hù)法在國外的應(yīng)用日漸減少。

　　氣體保護(hù)熔煉技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代中期，這一技術(shù)極大地提高了鎂合金的純凈度，目前已為世界各國普遍使用。常用的保護(hù)性氣體有SF6、CO2、SO2 、 N2等或它們的混合氣體。SF6是有害氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的24000倍，將來會(huì)被禁用。研究表明用0.2%~0.3%體積分?jǐn)?shù)的SO2與干燥空氣混合可起到良好的熔煉保護(hù)作用，并且沒有明顯的異味。德國OTTUJUN公司與大眾汽車公司合作研究用氬氣替代SF6和CO2作為鎂合金熔煉保護(hù)氣體，已取得良好的效果，目前正在生產(chǎn)試驗(yàn)階段。法國Rrochot研制成功了由CO2 氧化性氣體(oxidizing gas)+氬氣+氙氣組成的保護(hù)性氣體。另外加入0.001%~0.003%的Be可在合金液表面形成一層致密的保護(hù)性氧化膜，有效防止合金液進(jìn)一步氧化。

　　由于在熔煉過程中鎂液與氧及水蒸氣產(chǎn)生燃燒反映，因而要特別注意安全。一旦產(chǎn)生漏鎂燃燒事故時(shí)，切忌潑水。若漏得不嚴(yán)重，應(yīng)立即吊出坩鍋鑄錠，或?qū)⑵浞湃胧⒂懈稍锓跰gO的容器內(nèi);若漏鎂嚴(yán)重，可直接撒入大量干燥熔劑覆蓋燃燒的液面。

　　2.2熔煉設(shè)備

　　鎂合金的熔煉設(shè)備主要包括(1)預(yù)熱及裝料設(shè)備。(2)熔煉爐。(3)保護(hù)性氣體混合裝置。

　　鎂合金料熔煉前必須預(yù)熱到150℃以上，少量的合金料可放在爐蓋上預(yù)熱，大量的則需要用預(yù)熱機(jī)預(yù)熱。德國史杰克公司開發(fā)的鎂錠預(yù)熱加料機(jī)安裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的加料盤，可放置24塊鎂錠。

　　鎂合金熔煉爐有單室熔煉爐、雙室熔煉爐、3室熔煉爐和低壓鑄造爐等。(1)單室熔煉爐是指熔煉保溫在同一爐內(nèi)進(jìn)行，熔爐容積根據(jù)生產(chǎn)能力選擇，適合生產(chǎn)砂型鑄件和小批量壓鑄件。(2)雙室熔煉爐的熔化爐、保溫爐各自獨(dú)立工作，通過能加熱的U形管輸送金屬液，熔煉時(shí)產(chǎn)生的熔渣大部分浮在熔化爐金屬液的表面，而U形管是從熔化爐的中部吸取金屬液，這有效地保證了保溫爐中金屬液的純凈度。(3)3室熔煉爐包括熔化爐、中間保溫爐和供液爐 ，中間保溫爐起到平衡壓力和2次集渣的作用，使金屬液更加純凈。并且由于供液爐溫度較底(約650℃)有利于實(shí)現(xiàn)CO2氣體保護(hù)。(4)低壓鑄造爐，鎂合金低壓鑄造爐同鋁合金低壓鑄造爐相似，只是鎂合金低壓鑄造爐在坩堝內(nèi)外均有壓力，所以坩堝壁不會(huì)因壓力差而變形。低壓鑄造爐用氬氣作為熔煉保護(hù)性氣體及坩堝內(nèi)壓力氣體，用壓縮空氣作為坩堝外壓力氣體。

　　多數(shù)鎂合金熔煉爐采用電阻加熱(加熱元件以并聯(lián)方式接入效果好)，少數(shù)用燃?xì)饧訜幔細(xì)饧訜岜容^經(jīng)濟(jì)，但燃?xì)庵械乃畾饽Y(jié)有和鎂液發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。

　　3 結(jié)束語

　　我國鎂資源豐富，菱鎂砂礦儲(chǔ)量約27億t，居世界首位。青海湖也儲(chǔ)有豐富的高品質(zhì)鎂資源，遼寧大石橋、海城、岫巖都有著豐富的鎂礦資源。

　　我們應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)鎂資源，同時(shí)開發(fā)鎂合金壓鑄件市場，挖掘鎂合金壓鑄件在我國汽車、通訊、電子等方面都有很大的應(yīng)用潛力。

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