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熔炼工艺及微量Ca、Ti对ZK60A镁合金Zr实收率及晶粒尺寸的影响

于帆  
【摘要】:ZK60A镁合金是一种高强变形镁合金,具有广阔的应用领域。与同样应用广泛的AZ31、AZ91镁合金相比,其强度较高。与强度在一个水平上的铝合金7075相比,其密度较小,所以在很多要求材料具有高比强度的情况下,ZK60A镁合金显示了其巨大的优势。但目前ZK60A镁合金生产中普遍存在Zr实收率偏低,铸态组织晶粒不够均匀且热裂倾向仍然存在的问题。这在很大程度上限制了ZK60A镁合金的大规模应用。 为提高Zr元素实收率,本文首先通过一系列对比试验优化熔炼工艺参数。在较优熔炼工艺的基础上,通过添加微量价格相对低廉的镁钙中间合金、海绵钛除氢除杂减少Zr的损失,节约昂贵的含Zr添加物的用量,降低ZK60A镁合金的原料成本。同时考察微量Ti、Ca的对合金晶粒尺寸和热裂倾向的影响。 试验过程中,综合使用金相显微分析(OM)、X-Ray衍射分析(XRD)、光谱元素含量分析、差式扫描量热分析(DSC)等多种分析手段。通过试验研究,优化了ZK60A镁合金的熔炼工艺,分别确定了较适宜的合金元素Ti、Ca的添加量,得出以下结论: 对锆的加入方式研究表明,相同的熔炼工艺条件下,锆以海绵锆的形式加入,大量的海绵锆未溶沉淀导致Zr元素实收率偏低。在保证Zr含量近似的条件下,增加海绵锆的加入量并以托放形式加入,可以得到ZK60A镁合金并节约原料成本约8803元/吨。在熔炼过程中,锆以镁锆中间合金的形式加入,设定搅拌时间为5分钟,获得的ZK60A镁合金Zr元素含量较高且杂质元素含量较低,相应的晶粒尺寸较小且晶粒大小相对均匀。在不同加锆温度下改变静置保温时间发现,随着保温时间的延长,锆元素实收率先升高后降低,晶粒尺寸先减小后增大。相同的静置保温时间下,加锆温度为750℃时Zr元素实收率较低,加锆温度为780℃和800℃时Zr元素实收率差别不大。780℃添加镁锆中间合金并在加入过程中持续搅拌5分钟,保温时间40分钟的熔炼工艺为最佳,Zr元素实收率提高至40.9%,此时晶粒尺寸从125μm下降至90μm。 在前期熔炼工艺研究的基础上,研究了微量Ca、Ti的添加对ZK60A镁合金中Zr元素实收率的影响。对比试验中,加锆温度采用780℃,静置保温时间设定为40分钟,分别添加0.10%、0.15%、0.20%、0.25%(质量百分含量,本节以下皆同)的Ti,和0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的Ca。研究表明,当Ti添加量为0.20%时,Zr元素实收率可提高至47.6%,Ca的添加量为0.15%,Zr元素实收率可以提高至44.0%。相应的ZK60A镁合金的晶粒尺寸分别减小至82μm和87μm,原料成本分别减小约850元/吨和1600元/吨。 Zr元素加入Mg-Zn合金中可以大幅缩小合金的熔化温度范围,减轻Mg-Zn合金的热裂倾向。为了判断熔炼过程中添加微量Ca、Ti对ZK60A镁合金热裂倾向的影响,分别对熔炼过程中加Ti与不加Ti的且成分近似的ZK60A镁合金以及加Ca与不加Ca的且成分近似的ZK60A镁合金进行差热分析。同时通过自制的热裂检测装置进行热裂检测,认为在熔炼过程中加入微量Ca、Ti没有增加ZK60A镁合金的热裂倾向。


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