同鋁合金一樣,鎂合金鑄錠也常常顯現裂紋,不過鎂合金的裂紋敏感性比鋁合金的輕得多,型式也有較大差別,也可以分為熱裂紋與冷裂紋,不過鎂合金的冷裂紋相當少見,僅在MB5和MB7合金錠中偶爾出現,因此鎂合金的熱裂紋廢品量占95%以上。
熱裂紋
鑄錠在有效結晶區間形成的裂紋稱熱裂紋。在結晶區間內收縮困難是產生熱裂紋的主要原因。合金在給定條件下,凡是能縮小脆性區溫度范圍、減少脆性區內收縮困難的因素都可以減小熱裂紋敏感性。
合金熱裂紋敏感性高低可根據其脆性區內塑性A和線收縮ε的大小判斷,即根據溫度-塑性圖可判斷合金敏感性。還A大于0.5%的幾乎不產生熱裂紋。而當A=0時則稱之為脆性區,這時產生熱裂紋的幾率可以說是了。合金脆性的上限≤固液區的上限,而其下限則≤固液區的下限。
對鎂合金熱裂紋敏感性有影響的主要因素:合金成分與工藝因素。
化學成分
實驗證明,凡是能細化晶粒的因素都能降低合金脆性區的上限,也就是可以縮小脆性的溫度范圍。因為晶粒越細,則越有利于晶間變形,減少結晶時的收縮阻力,裂紋就不會產生了。例如向Mg+4.5%Zn合金添加0.8%Zr,其固相線由344℃提高到550℃,脆性區縮小了206℃,同時還降低了固液區內的線收縮和提高了固液區的塑性,這三者都有利于消除熱裂紋。
另外,凡是增大共晶量的組元,都會提高合金的固液區內的塑性。因為增大共晶量,可增大晶界液膜厚度,從而有利于晶界變形,將大大改善補縮條件和裂紋“修復”條件,不但熱裂數量減少,而且程度也顯著減輕。
共晶量和裂紋敏感性并不是呈線性關系,當共晶量小于其一極限值時,裂紋傾向性小,當增加到某一值后,敏感性驟升,再繼續加大共晶量,則敏感性又下降,一直到零。
面聊了鑄造鎂合金的熔煉,現在來談談變形鎂合金的熔煉。熔煉變形鎂合金多用反射爐,其爐型與鋁合金熔煉的相當。鎂合金的熔煉過程為:烘爐、洗爐、配料、裝爐、熔化、扒渣、加合金元素、轉爐、精煉、靜置。
烘爐
新筑砌爐和中修反射爐在熔煉前烘爐。嚴格按烘爐曲線進行烘爐,時間不短于264h:由室溫緩慢地在109h內升至300℃,在300℃保溫24h,然后均勻地在25h內升至400℃,保溫48h,再在58h內升至900℃完成烘爐。超過240h的停爐后也務必烘爐,時間不短于72h。烘爐很重要,對爐的壽命有重要影響。
洗爐
新爐與中修后的反射爐在使用前都要進行一次洗爐,以防合金雜質含量升高與去除磚縫中的一部分非金屬夾雜及氣態夾雜物,在所熔煉合金轉組時也應洗一次爐,例如由熔煉Mg-Al-Zn-Mn系合金轉熔Mg-Mn系或Mg-Zr系合金,由Mg-Mn系合金轉熔Mg-Zr系合金都要洗爐。洗爐用重熔用鎂錠或熔劑,裝爐量達爐容積的1/2處,升溫至760℃~800℃,充分攪拌兩次,靜置幾分后放盡。
配料
按車間配料標準配料,所有原輔材料務必清潔干燥,無混料,復化料一般不大于40%,所用的鎂錠、鋁錠、鋅錠、混合鈰稀土、鋯氟酸鉀、氯化錳等的品質與化學成分都應符合有關標準。
裝爐、熔化及扒渣
裝爐前與爐底均勻地鋪一層粉狀二號熔劑(質量%:38~46Mgcl2、32~40KCl、5~8BaCl2、3~5CaF2),然后裝料,先裝碎的,后裝鎂錠,后裝大塊廢料,裝得盡可能密實平整,裝完后撒一層薄的二號熔劑,升溫熔化,爐內氣氛應呈微還原性。
在熔煉過程中應嚴防鎂的燃燒,一旦燃燒,立即用二號熔劑熄滅。爐料化平后,扒次渣,扒渣宜平穩,熔體溫度升到750℃~770℃時扒第二次渣,渣要把扒盡,但又盡可能地不帶出或少帶出溶融鎂。扒完渣后攪拌一次,靜置幾分鐘后取樣分析,取樣溫度(℃):MB1、MB8合金的780~800,MB2、MB3、MB5、MB7合金的720~740,MB15合金的780~800。在熔煉過程中按有關規程加入合金化元素,但鋁錠、鋅錠可隨同爐料一起裝料,生產MB15合金時,可用純鋯鹽,也可用混合鋯鹽(K2ZrF6+CaF6+LiCl)或Mg-Zr中間合金加鋯,加純鋯鹽(K2ZrF6、K2ZrCl6、ZrCl4)時熔體溫度900℃~920℃,以后兩種方式加鋯的溫度800℃~920℃。
轉爐
經爐前化學分析熔體成分合格溫度為750℃~780℃時即可進行轉爐,裝熔體轉入靜置爐進行精煉。轉爐方法有:靜壓差法,適于兩個爐膛不位于同一水平上,打開流口,熔體便可自動流出;虹吸法;離心泵法;電磁泵法。中國當前多用種方法。
精煉
鎂合金熔體總或多或少地含有一些非金屬夾雜物和氣體(主要是氫),因此進行精煉,以去除這些異物,提高合金的各項性能。精煉溫度730℃~760℃,精煉熔劑用量為約10kg每噸鎂合金熔體,精煉時間約10min。
除Mg-Li合金外,其他合金均可以用五號熔劑(質量%)精煉:20~35MgCl2、16~29KCl、8~12BaCl2、14~23MgF2、0.5~8.0BaO3。精煉后向熔體表面撒一層精煉劑,靜置60min后鑄造。
含鋯的鎂合金不用含Al和Mn的氟化物的熔劑精煉,可用四號熔劑;不采用二號熔劑精煉Mg-Mn系和Mg-RE系合金,因為會有熔劑夾雜存在。應盡量縮短含鋰和稀土合金的熔煉與精煉時間,以減少燒損,必要時還要補料。對熔煉爐與靜置爐應及時清爐,熔煉爐轉爐完了和靜置爐鑄造終了都要清爐。用五號熔劑的精煉時間不短于60min,它可用于精煉所有的變形鎂合金。
用儀表板橫梁通常采用鋼管和鋼板沖壓件組合焊接制造,此類鋼制儀表板橫梁總成的組成零件數量多,需要焊接組裝,不利于尺寸控制,且整體重量大,不符合輕量化理念。而根據文獻報道,采用鎂合金壓鑄的儀表板橫梁可減重50%以上,輕量化效果非常明顯。主要是因為鎂合金是目前應用的金屬結構材料中輕的,具有密度小,比強度和比剛度高,阻尼性、切削加工性和鑄造性能好等優點,因此鎂合金儀表板橫梁在國外汽車產品中得到廣泛的應用。
本文主要從設計選材、結構優化和性能驗證等方面,簡要介紹AM60B鎂合金在奇瑞某車型的儀表板橫梁上的應用情況。
鎂合金儀表板橫梁的特點
鎂合金儀表板橫梁與鋼制儀表板橫梁相比具有以下特點:
(1)輕量化 鎂合金的密度為1.78g/cm3,僅為鋼密度的1/4,減重在50%以上。
(2)零件集成化程度高,尺寸穩定 與鋼制件相比,鎂合金儀表板橫梁采用整體壓鑄的生產工藝,可以把傳統鋼質CCB的20多個零件集成為一個件。
(3)安裝尺寸精度高 由于采用整體壓鑄,尺寸精度很高,所有的尺寸公差都可以控制在0.5mm以內,解決目前鋼骨架安裝過程中的干涉和異響等問題。
(4)設計靈活 由于采用壓鑄工藝,產品工藝性好,零件形狀的設計自由度大。
(5)綠色環保 鎂合金材料可以回收利用。
鎂合金的選擇
目前鎂合金的種類有很多,汽車工業采用較多的是AM系和AZ系合金,常用鎂合號主要有AM60B和AZ91D。其中AM60B的鋁含量較低,由于隨著鋁含量的降低,材料的韌性逐漸增高,故與AZ91D相比,AM60B的韌性和塑性較好。AM60B是高純牌號,因此具有和AZ91D一樣優良的耐蝕性能,且與A380鋁合金相比,耐蝕性更加。
本文所介紹的儀表板橫梁形狀復雜、體積龐大而且壁厚不均,要求承載各種儀表儀器,因此需具有較高的韌性和強度。通過綜合考慮AM60B和AZ91D的性能以及參考有關文獻資料,終決定選用AM60B(性能見表1)作為制造儀表板橫梁的材料。
表1 AM60B鎂合金的化學成分和物理性能
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