職稱論文發表鎂合金性能研究

　　本篇文章是由《機械工程材料》發表的一篇機械材料論文，(月刊)創刊于1977年，由上海材料研究所主辦，為中國機械工程學會材料分會會刊，是公開發行的有關工程材料的應用類技術期刊。獲獎情況：全國中文核心期刊;《中國學術期刊(光盤版)檢索與評價數據庫規范》執行優秀期刊。

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

　　【論文關鍵詞】：鎂合金;性能;熔煉

　　引言

　　20世紀80年代初期，北美汽車制造企業為了達到平均燃油標準(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、壓鑄性能好被認為是降低汽車自重的首選合金，各國都加緊進行鎂合金生產及應用研究，鎂合金工業因而進入飛速發展階段。

　　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動機零件，如發動機曲軸等。

　　⑵Mg-Al-Zn(AZ)系列：AZ系列具有均衡的力學性能和鑄造性能，屈服強度高并具有一定的耐鹽霧腐蝕能力，適合制造形狀復雜的薄壁壓鑄件，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，該合金暫時應用范圍較小。

　　1.2鎂合金的組織與性能特點

　　鎂合金在共晶溫度時，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，故能產生很強的固溶強化作用。

　　α與β兩相是以離異共晶形態存在，在鑄態組織中β相以網狀呈現在α相的晶界處，會降低合金的強度和塑性。采取固溶化及淬火處理，消除β相，能提高其機械性能 。

　　鎂合金不具有時效強化作用，不易進行強化處理。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散和聚集，即使在常溫下也會發生自然時效過程，析出β相。當80℃以上，時效過程更快，故不易用時效強化的熱處理方法。

　　鎂合金表面有一層由尖晶石構成的膜，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散和β相的析出。因此其組織穩定性強，應力腐蝕傾向較小。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的輔助強化，提高了組織穩定性，減小應力腐蝕傾向，Si也減小了熱裂傾向。

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

　　1.3鎂合金中的雜質元素及影響

　　Fe是主要雜質元素，它可形成針狀FeAl3化合物造成合金的脆性。Fe還能使淬火狀態的合金在應力作用下更易析出β相，增大其應力腐蝕傾向。同時Ni,Cu都會強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，鎂合金才能獲得良好的耐蝕性。

　　Al 通過固溶強化作用和形成沉淀析出提高鎂合金的強度及耐蝕性。

　　2 鎂合金的熔煉

　　2.1鎂合金的熔煉特點

　　鎂合金液的表面氧化膜是疏松的，而且鎂是活潑元素，與氧的結合力強，熔煉時，與大氣中氧、水蒸氣、氮反應，生成MgO、Mg3N2和H2。MgO、Mg3N2成為雜質，夾雜物處常伴隨有縮松和氣孔。另為，由于使用熔劑，使得產生熔劑夾雜傾向大，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突出的問題。為了防止鎂液與大氣的反應，在熔煉的過程中，始終要有覆蓋劑保護著，為了去除鎂液中的氧化物雜質，要撒入足夠量的精煉劑進行精煉，精煉過程中使鎂液產生平穩的循環流動，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，采取細化晶粒處理。不同類行的鎂合金細化處理不同。最好在細化晶粒前后進行兩次精煉。

　　鎂合金熔劑通常選用熔點低、密度小、粘度適中、化學性能穩定的鹽，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。熔煉時熔劑熔化成液態在鎂合金液表面均勻鋪開形成連續完整的覆蓋層，阻止鎂合金與空氣中的氧氣及水發生反應。熔劑在使用過程中會產生大量的刺激性氣體(如HCl、Cl2等)，并易造成熔劑夾雜，使合金的力學性能和耐蝕性下降。目前熔劑保護法在國外的應用日漸減少。

　　氣體保護熔煉技術開始于20世紀70年代中期，這一技術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，其溫室效應是CO2的24000倍，將來會被禁用。研究表明用0.2%~0.3%體積分數的SO2與干燥空氣混合可起到良好的熔煉保護作用，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氣體，已取得良好的效果，目前正在生產試驗階段。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性氧化膜，有效防止合金液進一步氧化。

　　由于在熔煉過程中鎂液與氧及水蒸氣產生燃燒反映，因而要特別注意安全。一旦產生漏鎂燃燒事故時，切忌潑水。若漏得不嚴重，應立即吊出坩鍋鑄錠，或將其放入盛有干燥粉MgO的容器內;若漏鎂嚴重，可直接撒入大量干燥熔劑覆蓋燃燒的液面。

　　2.2熔煉設備

　　鎂合金的熔煉設備主要包括(1)預熱及裝料設備。(2)熔煉爐。(3)保護性氣體混合裝置。

　　鎂合金料熔煉前必須預熱到150℃以上，少量的合金料可放在爐蓋上預熱，大量的則需要用預熱機預熱。德國史杰克公司開發的鎂錠預熱加料機安裝有可轉動的加料盤，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進行，熔爐容積根據生產能力選擇，適合生產砂型鑄件和小批量壓鑄件。(2)雙室熔煉爐的熔化爐、保溫爐各自獨立工作，通過能加熱的U形管輸送金屬液，熔煉時產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℃)有利于實現CO2氣體保護。(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外均有壓力，所以坩堝壁不會因壓力差而變形。低壓鑄造爐用氬氣作為熔煉保護性氣體及坩堝內壓力氣體，用壓縮空氣作為坩堝外壓力氣體。

　　多數鎂合金熔煉爐采用電阻加熱(加熱元件以并聯方式接入效果好)，少數用燃氣加熱，燃氣加熱比較經濟，但燃氣中的水氣凝結有和鎂液發生反應的危險。

　　3 結束語

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

　　我們應進一步開發鎂資源，同時開發鎂合金壓鑄件市場，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用潛力。

　　參考文獻：

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