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    熔模鑄造

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    鎂合金熔模鑄造技術的發展現狀(一)

    2021-08-10 18:40:01

    鎂合金熔模鑄造技術的發展現狀(一)



    簡介:鎂合金是目前使用最輕的金屬結構材料,在航空航天輕量化方面具有良好的應用前景。隨著應用技術和要求的提高,航空航天領域使用的零件逐漸向精密化、薄型化和集成化方向發展。與傳統的鎂合金鑄造方法相比,熔模鑄造技術在生產精密復雜的薄壁零件方面具有獨特的優勢。鎂合金熔模鑄造能更好地滿足航空航天零件的要求。介紹了鎂合金的成形技術,重點綜述了熔模鑄造技術及存在的金屬-模具界面反應問題和研究現狀。

    模具熔模鑄造

    模具熔模鑄造

      鎂及其合金具有較高的比強度和比剛度,良好的機械加工性和尺寸穩定性,以及良好的電磁屏蔽性能。鎂合金已經應用于汽車制造、航空航天、電子通信等各個領域。在輕量化工程中具有巨大的應用潛力。早在20世紀40年代,美國就曾將鎂合金應用于戰斗機零部件,以降低機身質量;幾乎與此同時,在20世紀50年代,鎂合金被用于中國的飛機和導彈蒙皮以及發動機外殼。目前,航天領域使用的鎂合金絕大多數為鑄造鎂合金,主要鑄造方法為壓鑄,少數為重力鑄造。隨著應用技術和要求的提高,航空航天領域的零部件正朝著精密化、薄壁化和大規模集成化方向發展。傳統的鎂合金鑄造工藝面臨著越來越復雜的零部件,存在開模困難、鑄造工藝復雜等問題。與傳統的鑄造方法相比,熔模鑄造技術具有非常適合生產這些結構復雜、薄壁和厚度可變的零件的技術特點。該鑄造技術的研發對鎂合金在航空航天領域的未來應用具有重要意義。


      1鎂合金成形技術


      鎂合金成形技術包括鑄造和塑性成形。鑄造包括砂型鑄造、定型鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造和新型半固態鑄造。其中,砂型鑄造和壓鑄應用最廣泛,適應性好,可用于大、小、單、批量生產。塑性成形是指通過擠壓、軋制、鍛造和熱處理等手段獲得目標形狀、組織和性能。與鑄造成形相比,塑性變形獲得的鎂合金缺陷少,力學性能較好,但鎂合金室溫塑性成形性差,加工成本較高。隨著鎂合金鑄造成形技術的不斷發展,鑄造成形仍然是商用鎂合金的主要成形方法。目前,商業上使用的鎂合金90%是鑄造鎂合金。

    熔模鑄造模具

    熔模鑄造模具

      2鎂合金熔模鑄造


      熔模鑄造可以獲得機械性能與普通鑄件相當、表面質量和尺寸精度更高的鑄件。特別是對于大型復雜的薄壁鑄件,熔模鑄造有其獨特的優勢。熔模工藝包括蠟模壓制、裝模焊接、脫脂、制殼、脫蠟焙燒、熔化澆注、清殼、拋光精加工、無損檢測等工序。熔模鑄造具有以下優點:適用于生產結構復雜的鑄件;熔模鑄造可近凈成形;適用于各種薄壁復雜鑄件的生產。鎂合金用于航空航天結構件可以有效減輕飛機重量。這些飛機上的一些零件不僅是結構復雜的薄壁零件,而且要求尺寸精度高、表面光滑。目前,航空航天領域使用的鑄件趨向于精密化、輕量化、集成化和緊密成型。鎂合金與熔模鑄造技術的結合不僅可以實現輕量化,還可以滿足航空航天零件的高要求。


      2.1鎂合金熔模鑄造中的界面反應


      鎂是一種化學性質極其活躍的金屬,熔融金屬鎂液會與空氣接觸,容易燃燒。此外,熔模鑄造的殼體材料和結合材料中含有大量的氧化物,導致鎂與熔模鑄造的殼體發生高活性反應。這種界面反應會降低鑄件的表面質量,嚴重的金屬-模具反應會直接報廢鑄件。從而大大限制了鎂合金熔模鑄造的應用。鎂合金在熔融狀態下與氧或含氧化合物發生放熱反應。


      鎂合金熔模鑄造中金屬-模具界面反應有三種類型:熔融金屬與型殼反應。高溫熔融金屬倒入模殼時,可能直接與模殼材料發生反應,或分解模殼產生氣體,或在界面之間形成薄膜,也可能分解成游離原子后與合金液發生反應;(2)熔融金屬分解殼體材料,然后熔融金屬與分解的物質反應;熔融金屬與模具氣氛發生反應,澆注前用保護氣體沖洗模腔。如果沖洗不充分,空腔中的殘余空氣將與高溫金屬發生反應。例如,鎂液在高溫下與空氣中的N2或O2反應。


      為了減緩和消除熔融鎂與型殼的界面反應,研究人員探索了多種方法?,F有的研究報告主要包括:氣體保護阻燃劑;阻燃劑;(3)選擇合適的耐火材料制作外殼,以獲得阻燃性。

    熔模鑄造模具

    熔模鑄造模具

      2.2氣體保護阻燃方法


      氣體保護阻燃法主要有兩種保護機理。一方面,趕走型腔內的空氣和水分,形成保護氣氛,隔絕鎂熔體與大氣的接觸;另一方面,氣體與Mg或MgO反應形成密度更高的產物,填充在鎂熔體的氧化膜之間,提高氧化膜的密度,防止金屬與空氣進一步反應。常用的阻燃保護氣體有SF6、CO2和SO2。目前,SF6是研究最多的一個。其保護機制是氣體中的S和F與Mg或MgO反應生成MgF2,增加了多孔氧化膜的密度,降低了孔隙率,使Mg原子更難穿透氧化膜。


      一般SF6以CO2、Ar、N2等氣體為載體,形成混合保護氣體。ARRUEBARRENA  G等人[6]使用與CO2混合的9% SF6進行無氧化物鑄造。ZHANG  Z等以二氧化硅和氧化鋯為結合劑制作了兩種陶瓷殼體,并選用AZ91鎂合金,比較了1% SF6和CO2形成的混合氣體和1% SF6對殼體-金屬反應的抑制作用。研究結果表明,CO2和1% SF6的混合氣體對兩種類型的殼體都能達到良好的保護效果,獲得光滑的鑄件表面。由混合保護氣體和鎂液形成的保護層的密度隨著SF6濃度的增加而增加?,F有的研究結果表明,SF6的阻燃防護效果比較好,但SF6是一種有害的溫室氣體,其溫室效應是CO2的23 900倍,在一些國家已經被法律法規限制或禁止。SO2的阻燃機理與SF6相似。鎂熔體與SO2反應生成氧化鎂,氧化鎂與氧化鎂復合形成致密的表面膜,防止進一步反應。SO2雖然不產生溫室效應,但有毒,會危害生產工人的健康。


      目前研究表明,新型HFC-143a氣體是一種環保氣體,無毒無害,對鎂熔體有很好的保護作用。


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