改善ZK61M镁合金Zr化合物偏析工艺研究

改善ZK61M镁合金Zr化合物偏析工艺研究

才智1，吴晓旭2，贾宁2，石广福2

（内蒙古锦联高精铝板带有限公司，内蒙古霍林郭勒，029200）

（东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨，150060）

摘要：本文针对ZK61M镁合金Zr化合物偏析缺陷深入展开熔铸工艺研究，采取多个技术创新手段进行试验，从铸锭全分析结果来看，Zr化合物的偏析聚集得到有效控制并运用在生产中且取得了理想的效果，熔铸成品率得以显著提升。

关键词：镁合金1；化合物2；成品率3

1 前言

Zr化合物偏析是ZK61M镁合金较为常见的质量缺陷之一，且随铸锭直径的增加Zr化合物偏析倾向随之增加，尤其是以Φ482mm规格铸锭最为典型[1]。近年来也采取了一些措施进行控制但始终收效甚微，Φ482mm规格铸锭Zr化合物偏析废品占到总产量的40%以上。为从根本上找到ZK61M镁合金铸棒Zr化合物偏析问题的原因，攻克Zr化合物偏析的质量难题，经过一系列工艺攻关，最终Zr化合物偏析废品率降低近40%，收到了良好的效果。

2镁合金的化学元素组成及其作用

2.1 ZK61M变形镁合金的合金成分

ZK61M变形镁合金的化学成分见表1。

     表1 ZK61M镁合金合金化学成分

2.2各元素的作用

ZK61M属Mg-Zn-Zr系镁合金，添加的主要化学元素为Zn和Zr，其中Zn元素5.0～6.0%，Zr元素0.30～0.90%。Zn是ZK61M合金中添加最多的合金元素，Zn添加比例直接影响ZK61M镁合金的组织和性能，ZK61M镁合金中Zn的添加比例略小于其在镁合金中的溶解度，由Mg-Zn二元相图可知，平衡结晶时340℃时发生共晶反应L→α→Mg+Mg7Zn3，随后又分解为α-Mg和MgZn，而Mg-Zn二元相也是ZK61M镁合金的主要强化相。但随着Zn元素添加量的增大，也增大了热裂倾向，对于焊接性能存在不利影响。合金中添加Zr元素有诸多优点，最主要是可起到晶粒细化的作用，增加了该合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能，另外Zr元素可以减少热裂纹倾向、提高耐腐蚀、耐高温、抗蠕变等诸多优点，但Zr元素易与Zn形成化合物，分布在枝晶网边界导致偏析聚集。

3试验过程

3.1 配料

根据合金特性和熔铸工艺特点，控制配料使用30～50%的重熔料或一级废料，Zn以纯金属的形式加入，Zr以Mg-Zr中间合金的形式加入，余料用二级Mg锭（99.9%）。配料时应仔细检查各原料有无混料、油污或严重腐蚀，是否符合相关标准，加入熔体中的纯金属、中间合金等材料必须清洁干燥。

3.2 熔炼

装炉时先装小块料或Mg锭铺底再装入大块料，最后用小块料填充空隙，严禁炉料在坩埚内搭桥；升温熔化过程中，若发现熔体燃烧要及时撒覆盖剂将其熄灭；Zn锭和Mg-Zr中间合金在Mg锭、重熔料（一级废料）完全熔化后采取煽化方式加入，熔炼温度730～780℃， 搅拌时使用2#熔剂进行覆盖，使用5#熔剂进行精炼，时间控制5～10min为宜。

3.3铸造工艺

具体铸造参数执行表2相应规定。

表2   ZK61M镁合金铸造参数

4 试验结果

切掉浇口部和尾端200mm后，我们选择1-152（ZK61M）、1-150（ZK61M）、1-143（ZK61M）3个熔次切取20～30mm厚试片，对铸锭进行低倍、高倍、化学成分进行分析。

4.1 化学成分分析

沿试片直径方向，从边部到中心取20×20mm试样，抽取的3个熔次ZK61M合金的Zr元素化学成分均为靠近中心部位最高，靠近边部最低，铸锭Zr偏析小于等于0.08%；Zn元素化学成分均为靠近边部最高，靠近中心部位最低，铸锭Zn偏析小于等于0.05 %；总体来看，铸锭成分偏析较小，且符合表1化学成分要求。

4.2 低倍组织检查

铸锭低倍检查符合标准要求。

4.3 高倍组织检查

沿试片直径方向，从边部到中心取20×20mm试样，铸锭截面各不同位置的组织较为致密均匀，晶粒尺寸控制良好，说明Zr元素的添加有效的控制了晶粒的长大。

5 分析与讨论

减少ZK61M镁合金铸锭Zr化合物偏析措施

（1）合理控制合金成分，Zr控制在下限，Zn控制在中下限

Zr元素易与Zn形成化合物，分布在枝晶网边界导致偏析聚集。为了降低化合物偏析的倾向，在合金成分的配比上就应该严格加以控制。经试验证明，Zr控制在下限，Zn控制在中下限对于减少ZK61M镁合金的化合物偏析可以起到积极作用。

（2）防止合金熔体过热

    由于镁合金化学活性高的特性，合金熔体过热会导致局部熔体燃烧生成MgO，燃烧时必须在熔体表面撒一层5#熔剂进行覆盖，而熔剂的添加又加剧了最终产品的熔剂夹渣缺陷倾向，因而在整个熔炼铸造过程中，必须有效的防止熔体过热。

（3）合理选择铸造速度、铸造温度、铸造水压

在铸造过程中，由于铸锭规格较大，铸锭各部位的凝固时间和冷却速度不同，使铸锭中存在应力集中区域，为达到减小铸造应力、均匀分布应力的目的，应合理调整铸造工艺参数。

铸造速度、温度及冷却水压都是决定液穴深度的主要参数，液穴深度与铸造速度、温度成正比，与冷却水压成反比。ZK61M镁合金由于Zn元素添加比例高，大大的增加了铸造的裂纹倾向，因此选择合适的工艺参数十分重要。

（4）采取煽化方式加入Zn锭和Mg-Zr中间合金

使用煽化方式加入Mg-Zr中间合金，Mg-Zr中间合金是在Mg锭、一级料等全部熔化到温后，一次性集中熔化，由于煽化法熔化是在Mg熔体中上部进行，且熔化时间较短（1.5～2.5min），因此可以有效减轻Zr烧损，提高Zr的实收率；同时可以最大限度的减少偏析、化合物等缺陷的产生。

6 结论

经过以上措施的采取，效果较好，本次共试制生产了ZK61M合金Ф482mm规格铸锭88个熔次，目前已经在下游加工工序进行了加工生产，经低倍检测后，目前化合物偏析废品率为2.6%，比前一批次40%的废品率降低了约37.4个百分点。

参考文献:

[1]石广福,李海仙,高新宇,等.一种降低ZK61M含锆镁合金铸锭锆化合物偏析的制备方法:CN201610569804.2[P].