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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

作　者: 于帆
导　师: 李庆奎
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: ZK60A镁合金微量Ca 微量Ti Zr实收率晶粒尺寸
分类号: TF822
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
图和附表清单  11-13
1 绪论  13-26
  1.1 变形镁合金  13-15
  1.2 ZK60A镁合金的研究现状  15-19
    1.2.1 ZK60A镁合金的化学成分及发展历史  15-16
    1.2.2 ZK60A镁合金中合金相及其铸态组织研究现状  16-19
  1.3 ZK60A镁合金合金元素的作用  19-20
    1.3.1 Zn在ZK60A镁合金中的作用  19
    1.3.2 Zr在ZK60A镁合金熔炼及凝固过程中的作用  19-20
  1.4 热裂的形成及常用的检测装置  20-22
  1.5 镁合金熔体纯净化研究现状  22-24
    1.5.1 除气  22-24
    1.5.2 除夹杂物  24
    1.5.3 除铁  24
  1.6 ZK60A镁合金铸锭生产中存在的主要问题  24-25
  1.7 课题的提出及研究意义  25
  1.8 研究内容  25-26
2 实验材料与实验方法  26-32
  2.1 实验材料及实验设备  26-27
    2.1.1 实验材料  26
    2.1.2 实验设备  26-27
  2.2 实验工艺  27-29
    2.2.1 配料  27
    2.2.2 熔炼前的准备工作  27-28
    2.2.3 熔炼过程  28-29
  2.3 试样制备及分析  29-32
    2.3.1 金相试样的制备及分析  29-30
    2.3.2 XRD分析  30
    2.3.3 化学滴定法测锆含量  30
    2.3.4 光谱分析测元素含量  30-31
    2.3.5 DSC(差式扫描量热分析)  31-32
3 熔炼工艺对ZK60A镁合金Zr元素实收率及晶粒尺寸的影响  32-49
  3.1 熔炼坩埚底部熔体物相检测及Zr损失途径分析  32-34
  3.2 Zr加入方式对Zr元素实收率及晶粒尺寸的影响  34-40
    3.2.1 锆加入方式对Zr元素实收率的影响  34-39
    3.2.2 不同加锆方式得到的Mg-Zn-Zr合金的晶粒尺寸的影响  39-40
  3.3 加锆过程中搅拌时间对Zr元素实收率及晶粒尺寸的影响  40-43
    3.3.1 不同搅拌时间对Zr元素实收率的影响  40-42
    3.3.2 不同搅拌时间对ZK60A镁合金晶粒尺寸的影响  42-43
  3.4 加锆温度、静置保温时间对ZK60A镁合金Zr元素实收率及晶粒尺寸的影响  43-49
    3.4.1 加锆温度、静置保温时间对Zr元素实收率的影响  43-45
    3.4.2 加锆温度、静置保温时间对ZK60A镁合金晶粒尺寸的影响  45-49
4 微量Ca、Ti对ZK60A镁合金Zr元素实收率及晶粒尺寸的影响  49-61
  4.1 微量Ca对ZK60A镁合金Zr元素实收率的影响  49-52
    4.1.1 微量Ca对ZK60A镁合金Zr元素实收率的影响  49-50
    4.1.2 微量Ca对ZK60A镁合金晶粒尺寸的影响  50-52
  4.2 微量Ti对ZK60A镁合金Zr元素实收率及铸态组织的影响  52-56
    4.2.1 微量Ti对ZK60A镁合金Zr元素实收率的影响  52-54
    4.2.2 微量Ti对ZK60A镁合金晶粒尺寸的影响  54-56
  4.3 微量Ti、Ca对ZK60A镁合金热裂倾向影响  56-61
    4.3.1 自制热裂检测装置对ZK60A镁合金合金热裂倾向的测定  56-58
    4.3.2 DSC分析  58-61
5 结论  61-62
参考文献  62-65
致谢  65-66
个人简历在学期间发表的学术论文及研究成果  66

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

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