Mg-Zn-Er合金鑄造性能與工藝的深度解析：多因素影響與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展的今天，高性能合金材料的研發(fā)與應(yīng)用成為推動(dòng)眾多工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的關(guān)鍵因素。其中，Mg-Zn-Er合金憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，在航空航天、汽車制造等多個(gè)重要領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，受到了科研人員與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芤髽O為嚴(yán)苛，輕量化、高強(qiáng)度、耐高溫以及良好的耐腐蝕性是關(guān)鍵考量因素。Mg-Zn-Er合金作為一種輕質(zhì)合金，其密度顯著低于傳統(tǒng)的鋼鐵材料和部分鋁合金，這使得在航空航天部件的制造中，使用Mg-Zn-Er合金能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)而降低飛行器的能耗，提高其飛行性能與機(jī)動(dòng)性。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件的制造中，應(yīng)用Mg-Zn-Er合金可大幅減輕衛(wèi)星重量，降低發(fā)射成本，同時(shí)提高衛(wèi)星的有效載荷能力。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些零部件制造中，Mg-Zn-Er合金良好的耐高溫性能能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和可靠性。汽車產(chǎn)業(yè)同樣對材料性能有著較高要求，隨著全球汽車行業(yè)向輕量化、節(jié)能減排方向的發(fā)展，Mg-Zn-Er合金因其低密度和較高的比強(qiáng)度，為汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供了理想的材料選擇。采用Mg-Zn-Er合金制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體等零部件，不僅能夠有效減輕汽車自身重量，降低燃油消耗和尾氣排放，還能在一定程度上提高汽車的操控性能和加速性能。有研究表明，汽車重量每降低10%，燃油消耗可降低6%-8%，尾氣排放可降低4%左右，這充分凸顯了Mg-Zn-Er合金在汽車輕量化進(jìn)程中的重要作用。然而，要充分發(fā)揮Mg-Zn-Er合金在這些領(lǐng)域的優(yōu)勢，深入了解其鑄造性能與工藝至關(guān)重要。鑄造作為一種廣泛應(yīng)用的金屬成型方法，能夠生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、尺寸精確的零部件，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著不可或缺的地位。合金的鑄造性能直接關(guān)系到鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對于Mg-Zn-Er合金而言，其鑄造性能涵蓋流動(dòng)性、收縮性、吸氣性和偏析傾向等多個(gè)方面。流動(dòng)性是指合金在鑄造過程中，在特定溫度和壓力下，能夠充滿鑄型的能力。良好的流動(dòng)性可以使合金更好地填充鑄型的各個(gè)角落，減少氣孔、夾渣等缺陷的形成，確保鑄件的完整性和質(zhì)量。若Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性不佳，可能導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷，影響鑄件的性能和使用可靠性。收縮性是合金在冷卻過程中體積減小的性質(zhì)，鑄造過程中，合金從液態(tài)冷卻到固態(tài)，會(huì)發(fā)生收縮，這可能導(dǎo)致鑄件尺寸精度降低，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至引發(fā)鑄件變形或開裂。因此，了解Mg-Zn-Er合金的收縮特性，并通過合理的工藝控制，對于保證鑄件尺寸精度和防止鑄件缺陷至關(guān)重要。吸氣性是指合金在熔煉和澆注過程中吸收氣體的能力，合金吸氣會(huì)導(dǎo)致鑄造件產(chǎn)生氣孔、縮孔、熱裂等缺陷，降低合金的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等，同時(shí)還會(huì)影響鑄造件的尺寸精度和表面質(zhì)量。偏析傾向是指合金在凝固過程中，溶質(zhì)元素在固相和液相中的重新分布，導(dǎo)致合金的非均質(zhì)性，這會(huì)導(dǎo)致鑄造件的性能不均勻，降低材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，甚至引起鑄造件的熱裂傾向增大。鑄造工藝的選擇和優(yōu)化同樣對Mg-Zn-Er合金的性能和質(zhì)量有著深遠(yuǎn)影響。不同的鑄造工藝，如砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等，具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，它們在充型能力、冷卻速度、凝固方式等方面存在差異，這些差異會(huì)直接影響Mg-Zn-Er合金鑄件的微觀組織和性能。砂型鑄造工藝簡單、成本低，但鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量相對較低；金屬型鑄造可以提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量，但模具成本較高；壓力鑄造則適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、薄壁的鑄件，且生產(chǎn)效率高，但設(shè)備投資大。因此，根據(jù)Mg-Zn-Er合金的特性和具體應(yīng)用需求，選擇合適的鑄造工藝，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對于獲得高質(zhì)量的鑄件至關(guān)重要。研究Mg-Zn-Er合金的鑄造性能與工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從學(xué)術(shù)研究角度來看，深入探究Mg-Zn-Er合金在鑄造過程中的物理化學(xué)變化規(guī)律，揭示合金成分、鑄造工藝參數(shù)與鑄造性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于豐富和完善合金鑄造理論，為新型合金材料的研發(fā)和鑄造工藝的創(chuàng)新提供理論支持。從工業(yè)應(yīng)用層面而言，通過對Mg-Zn-Er合金鑄造性能與工藝的研究，可以優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，從而推動(dòng)Mg-Zn-Er合金在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。在航空航天領(lǐng)域，高質(zhì)量的Mg-Zn-Er合金鑄件能夠滿足飛行器對零部件高性能的要求，提升飛行器的綜合性能和競爭力；在汽車制造領(lǐng)域，優(yōu)化的鑄造工藝和高質(zhì)量的鑄件有助于汽車企業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。Mg-Zn-Er合金在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，而其鑄造性能與工藝的研究是充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。通過深入研究這一課題，有望為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的突破和機(jī)遇。1.2Mg-Zn-Er合金概述Mg-Zn-Er合金是一種基于鎂（Mg）基體，添加鋅（Zn）和鉺（Er）元素形成的多元合金。在這一合金體系中，各元素憑借自身獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，對合金的微觀組織和宏觀性能產(chǎn)生著重要影響，元素之間的相互作用更是賦予了合金許多優(yōu)異的綜合性能。鎂作為地殼中儲(chǔ)量豐富的金屬元素，具有密度低（約為1.74g/cm3）的特點(diǎn)，這使得以鎂為基體制備的合金在追求輕量化的航空航天、汽車制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，鎂還具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，有效減輕零部件的重量，提高能源利用效率。鎂合金還具備良好的鑄造性能、切削加工性能和電磁屏蔽性能，為其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用提供了便利條件。然而，純鎂的強(qiáng)度和硬度較低，耐腐蝕性較差，限制了其在一些對材料性能要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。鋅在Mg-Zn-Er合金中主要發(fā)揮固溶強(qiáng)化和提高耐蝕性的作用。鋅原子半徑（1.39?）與鎂原子半徑（1.60?）存在一定差異，當(dāng)鋅原子固溶到鎂基體中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。有研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著鋅含量的增加，Mg-Zn合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。鋅還可以改善鎂合金的耐蝕性。在鎂合金中，鐵、鎳等雜質(zhì)元素會(huì)降低其耐蝕性，而鋅的添加可以抑制這些雜質(zhì)元素的有害作用，形成較為致密的保護(hù)膜，阻礙腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，從而提高合金的耐蝕性能。鉺是一種重稀土元素，在Mg-Zn-Er合金中具有多種重要作用。鉺在鎂基體中具有較大的固溶度（在共晶溫度下為32.7wt.%），且原子半徑（1.76?）比鎂大，其溶解會(huì)導(dǎo)致鎂晶格膨脹。這種晶格畸變可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度。鉺能夠細(xì)化合金的晶粒。在合金凝固過程中，鉺原子可以作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，使晶粒細(xì)化，從而改善合金的力學(xué)性能。細(xì)化的晶粒可以增加晶界面積，晶界對裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用，提高合金的韌性和塑性。鉺還可以與合金中的其他元素形成化合物，這些化合物在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度。在Mg-Zn-Er合金中，可能會(huì)形成Mg-Er、Zn-Er等化合物，它們均勻分布在基體中，阻礙位錯(cuò)的滑移，增強(qiáng)合金的性能。在Mg-Zn-Er合金中，各元素之間存在著復(fù)雜的相互作用。鋅和鉺之間可以形成特定的化合物，如準(zhǔn)晶I相（Mg?Zn?Er?）。當(dāng)合金中鋅和鉺的質(zhì)量比Zn/Er≥6，尤其10≥Zn/Er≥6時(shí)，會(huì)析出準(zhǔn)晶I相。這種準(zhǔn)晶相具有獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu)，其存在有利于提升鎂合金的耐腐蝕性能，能夠削弱析氫反應(yīng)，減少負(fù)極材料在水性電解質(zhì)中的自腐蝕，提高鎂負(fù)極的利用效率。鋅和鉺的添加量還會(huì)影響微觀組織第二相的形成與分布，進(jìn)而影響合金的性能。通過調(diào)整Zn、Er元素的含量，可以獲得具有不同形貌、尺寸、分布和含量的第二相，實(shí)現(xiàn)對合金微觀組織和性能的調(diào)控。Mg-Zn-Er合金中Mg、Zn、Er元素各自發(fā)揮獨(dú)特作用，元素間的相互作用進(jìn)一步優(yōu)化了合金的性能，使其在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。深入研究各元素的作用及相互關(guān)系，對于優(yōu)化合金成分、提高合金性能具有重要意義。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，Mg-Zn-Er合金因其在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外學(xué)者從合金成分優(yōu)化、鑄造工藝探索以及微觀組織與性能關(guān)系研究等多個(gè)角度對Mg-Zn-Er合金展開了深入研究，取得了一系列重要成果。在合金成分優(yōu)化方面，眾多研究聚焦于Zn和Er元素含量對Mg-Zn-Er合金性能的影響。有研究表明，在Mg-Zn-Er合金中，當(dāng)合金元素Zn/Er的質(zhì)量比Zn/Er≥6，尤其10≥Zn/Er≥6時(shí)，合金中將析出準(zhǔn)晶I相（Mg?Zn?Er?）。這種準(zhǔn)晶相具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，能夠提升鎂合金的耐腐蝕性能，削弱析氫反應(yīng)，減少負(fù)極材料在水性電解質(zhì)中的自腐蝕，提高鎂負(fù)極的利用效率。調(diào)整Zn、Er元素的含量，還可以改變微觀組織第二相的形成與分布，進(jìn)而對合金的性能進(jìn)行調(diào)控。通過優(yōu)化Zn、Er元素的添加量，可以獲得具有不同形貌、尺寸、分布和含量的第二相，實(shí)現(xiàn)對合金微觀組織和性能的精確控制。部分學(xué)者還嘗試添加其他元素來進(jìn)一步改善Mg-Zn-Er合金的性能。哈爾濱工程大學(xué)的研究人員通過添加Er、Y和Zn元素，在鑄造Mg-Y-Zn-Er合金中引入了新型納米級超晶格析出相（NSP），使合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到154MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到234MPa，總伸長率約為13%。研究發(fā)現(xiàn)，平均半徑為4nm的NSP具有五個(gè)周期性超晶格結(jié)構(gòu)，且富含Zn、Y和Er，其優(yōu)異的強(qiáng)度主要來自于NSP的有序強(qiáng)化，Er的添加還增強(qiáng)了變形過程中位錯(cuò)的增殖和<c+a>位錯(cuò)系統(tǒng)的激活，有助于提高合金的延展性。鑄造工藝對Mg-Zn-Er合金的性能同樣有著顯著影響，國內(nèi)外學(xué)者在這方面也進(jìn)行了大量研究。不同的鑄造工藝，如砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等，會(huì)使合金在充型能力、冷卻速度、凝固方式等方面存在差異，進(jìn)而影響合金的微觀組織和性能。砂型鑄造工藝簡單、成本低，但鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量相對較低；金屬型鑄造可以提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量，但模具成本較高；壓力鑄造則適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、薄壁的鑄件，且生產(chǎn)效率高，但設(shè)備投資大。有研究針對Mg-Zn-Er合金的特點(diǎn)，對砂型鑄造工藝中的澆注溫度、澆注速度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高澆注溫度和速度可以改善合金的流動(dòng)性，減少鑄件的澆不足和冷隔缺陷。在金屬型鑄造中，通過控制模具的預(yù)熱溫度和冷卻速度，能夠細(xì)化合金的晶粒，提高鑄件的力學(xué)性能。對于壓力鑄造，研究重點(diǎn)在于優(yōu)化壓力參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，以提高鑄件的致密度和尺寸精度。在微觀組織與性能關(guān)系的研究上，學(xué)者們通過多種分析手段，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）等，深入探究了Mg-Zn-Er合金的微觀組織特征及其與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，Er元素在Mg基體中的固溶和析出行為會(huì)影響合金的晶粒尺寸和強(qiáng)化相的分布，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。當(dāng)Er元素溶解在Mg基體中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Mg晶格膨脹，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用；而在合金凝固過程中，Er元素會(huì)與其他元素形成化合物，如Mg-Er、Zn-Er等，這些化合物在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用。Mg-Zn-Er合金中的第二相，如準(zhǔn)晶I相、LPSO相（長周期堆垛有序相）等，對合金的性能也有著重要影響。準(zhǔn)晶I相的存在可以提高合金的耐腐蝕性，LPSO相則通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和激活非基面滑移，為合金提供了較好的強(qiáng)度和延展性。盡管國內(nèi)外在Mg-Zn-Er合金的研究方面已取得了不少成果，但仍存在一些不足之處和研究空白。在合金成分優(yōu)化方面，雖然對Zn和Er元素的作用有了一定的認(rèn)識(shí)，但對于多種元素復(fù)合添加時(shí)的交互作用機(jī)制以及如何實(shí)現(xiàn)合金性能的全面優(yōu)化，還需要進(jìn)一步深入研究。在鑄造工藝方面，目前的研究主要集中在傳統(tǒng)鑄造工藝的參數(shù)優(yōu)化上，對于一些新型鑄造工藝，如半固態(tài)鑄造、噴射成形等在Mg-Zn-Er合金中的應(yīng)用研究還相對較少。這些新型鑄造工藝可能為改善Mg-Zn-Er合金的組織和性能提供新的途徑，但相關(guān)研究還處于起步階段，需要更多的探索和實(shí)踐。在微觀組織與性能關(guān)系的研究中，雖然對一些微觀組織特征與性能的關(guān)系有了初步了解，但對于合金在復(fù)雜服役條件下的微觀組織演變規(guī)律及其對性能的影響，還缺乏系統(tǒng)的研究。在高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境下，Mg-Zn-Er合金的微觀組織如何變化，以及這種變化如何影響合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性等，都有待進(jìn)一步深入研究。國內(nèi)外對Mg-Zn-Er合金的研究為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但仍存在諸多需要深入探索的方向。后續(xù)研究可圍繞合金成分的深度優(yōu)化、新型鑄造工藝的應(yīng)用以及復(fù)雜服役條件下微觀組織與性能關(guān)系的系統(tǒng)研究等方面展開，以進(jìn)一步挖掘Mg-Zn-Er合金的性能潛力，推動(dòng)其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。二、Mg-Zn-Er合金的鑄造性能2.1流動(dòng)性2.1.1流動(dòng)性的定義與測試方法在鑄造過程中，合金的流動(dòng)性是一項(xiàng)至關(guān)重要的性能指標(biāo)，它直接關(guān)乎鑄件的質(zhì)量與成型效果。合金的流動(dòng)性，是指液態(tài)合金在重力或外力作用下，能夠在鑄型中自由流動(dòng)并填充鑄型型腔各個(gè)部位的能力。簡單來說，流動(dòng)性良好的合金，在澆注時(shí)能夠順利地充滿鑄型的復(fù)雜形狀和細(xì)微結(jié)構(gòu)，確保鑄件輪廓清晰、尺寸精確；而流動(dòng)性差的合金則可能無法完全填充鑄型，導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷，嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量和使用性能。為了準(zhǔn)確評估Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性，科研人員和工程師們采用了多種測試方法，其中螺旋線試樣法是應(yīng)用最為廣泛的一種。螺旋線試樣法的原理基于液態(tài)合金在特定鑄型中的流動(dòng)行為，通過測量合金在螺旋形溝槽中流動(dòng)的長度來間接反映其流動(dòng)性大小。在實(shí)際操作中，首先需要制備專門的螺旋線試樣模具，該模具通常由上砂箱和下砂箱組成，內(nèi)部設(shè)有一條具有特定形狀和尺寸的螺旋形溝槽，溝槽的斷面一般為倒梯形。這種形狀設(shè)計(jì)有助于引導(dǎo)液態(tài)合金的流動(dòng)，并減少流動(dòng)過程中的阻力。在進(jìn)行流動(dòng)性測試時(shí)，將Mg-Zn-Er合金加熱至液態(tài)，并保持一定的澆注溫度。然后，將液態(tài)合金從模具的澆口杯澆入，使其在重力作用下沿著螺旋形溝槽流動(dòng)。待合金完全凝固后，打開模具，取出螺旋線試樣。使用鋼卷尺等測量工具，精確測量合金在螺旋形溝槽中流動(dòng)的長度，該長度即為螺旋線試樣的長度。一般情況下，螺旋線試樣的長度越長，表明合金的流動(dòng)性越好；反之，長度越短，則流動(dòng)性越差。為了提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性，通常會(huì)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并取測量結(jié)果的平均值作為最終的流動(dòng)性數(shù)據(jù)。除了螺旋線試樣法外，還有球形試樣法、U形試樣法、楔形試樣法以及真空試樣法等多種流動(dòng)性測試方法。球形試樣法通過測量液態(tài)合金填充球形型腔的情況來評估流動(dòng)性；U形試樣法則關(guān)注合金在U形溝槽中的流動(dòng)表現(xiàn)；楔形試樣法利用合金在楔形模具中的流動(dòng)特性來判斷流動(dòng)性；真空試樣法主要用于研究在真空環(huán)境下合金的流動(dòng)性變化。不同的測試方法各有其特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的研究目的、實(shí)驗(yàn)條件以及合金的特性來選擇合適的測試方法。對于Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性測試，螺旋線試樣法因其操作相對簡便、測量結(jié)果直觀且與實(shí)際鑄造過程較為接近等優(yōu)點(diǎn)，成為了首選的測試方法。通過該方法，可以較為準(zhǔn)確地獲取Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性數(shù)據(jù)，為后續(xù)的鑄造工藝優(yōu)化和性能研究提供重要的依據(jù)。2.1.2影響流動(dòng)性的因素Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性并非固定不變，而是受到多種因素的綜合影響。深入探究這些影響因素，對于優(yōu)化合金成分、改進(jìn)鑄造工藝以及提高鑄件質(zhì)量具有至關(guān)重要的意義。合金成分作為影響流動(dòng)性的關(guān)鍵因素之一，其對流動(dòng)性的作用機(jī)制較為復(fù)雜。合金中的各種元素會(huì)改變合金的熔點(diǎn)、黏度和表面張力等物理性質(zhì)，進(jìn)而影響合金的流動(dòng)性。在Mg-Zn-Er合金體系中，Zn和Er元素的含量變化會(huì)顯著影響合金的流動(dòng)性。當(dāng)合金成分接近共晶成分時(shí)，其流動(dòng)性通常較好。這是因?yàn)樵诠簿c(diǎn)時(shí)，合金的凝固溫度區(qū)間最小，液態(tài)金屬能夠保持較長時(shí)間的流動(dòng)狀態(tài)。隨著Zn含量的增加，合金的熔點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)合金的黏度和表面張力也會(huì)受到影響。當(dāng)Zn含量過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金的熔點(diǎn)升高，黏度增大，從而使流動(dòng)性下降。Er元素的加入也會(huì)對合金的流動(dòng)性產(chǎn)生影響。適量的Er可以細(xì)化合金的晶粒，改善合金的組織結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上提高合金的流動(dòng)性。但如果Er含量過多，可能會(huì)形成一些高熔點(diǎn)的化合物，增加合金的黏度，降低流動(dòng)性。溫度對Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性有著顯著的影響。提高澆注溫度是改善合金流動(dòng)性的常用方法之一。當(dāng)澆注溫度升高時(shí)，合金的黏度降低，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，使得液態(tài)合金在鑄型中的流動(dòng)更加順暢。在相同的散熱條件下，提高澆注溫度可以延長合金從澆注溫度到凝固溫度的時(shí)間，即保持液態(tài)金屬的時(shí)間延長，從而有利于合金更好地填充鑄型。過高的澆注溫度也會(huì)帶來一些負(fù)面影響。高溫會(huì)使合金的吸氣增加，氧化嚴(yán)重，這不僅會(huì)降低合金的純度和性能，還可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。高溫還可能使鑄型材料受到更大的熱沖擊，縮短鑄型的使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要在提高澆注溫度以改善流動(dòng)性和避免過高溫度帶來的不良影響之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)和模擬等手段確定合適的澆注溫度。澆注速度也是影響Mg-Zn-Er合金流動(dòng)性的重要因素。較快的澆注速度可以使液態(tài)合金在較短的時(shí)間內(nèi)充滿鑄型，減少合金在流動(dòng)過程中的熱量散失，從而有利于保持合金的流動(dòng)性。當(dāng)澆注速度過慢時(shí)，合金在鑄型中流動(dòng)的時(shí)間過長，熱量容易散失，導(dǎo)致合金溫度降低，黏度增大，流動(dòng)性變差。過快的澆注速度也可能會(huì)引發(fā)一些問題。高速澆注可能會(huì)使合金液產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致卷入氣體和夾雜物，影響鑄件的質(zhì)量。高速澆注還可能對鑄型造成較大的沖擊力，損壞鑄型，影響鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。在確定澆注速度時(shí)，需要綜合考慮合金的特性、鑄型的結(jié)構(gòu)和尺寸等因素，選擇合適的澆注速度，以確保合金能夠順利填充鑄型，同時(shí)保證鑄件的質(zhì)量。除了合金成分、溫度和澆注速度外，還有其他一些因素也會(huì)對Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性產(chǎn)生影響。合金熔體的純凈度，熔體中的雜質(zhì)會(huì)增大其黏度，降低流動(dòng)性。提高合金熔體的純凈度，可以有效提高流動(dòng)性。鑄造工藝中的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)影響合金的流動(dòng)性。合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以引導(dǎo)合金熔體平穩(wěn)、均勻地流入型腔，提高流動(dòng)性。鑄型的性質(zhì)，如鑄型的導(dǎo)熱性、透氣性和表面粗糙度等，也會(huì)對合金的流動(dòng)性產(chǎn)生一定的影響。導(dǎo)熱性好的鑄型會(huì)使合金冷卻速度加快，可能降低流動(dòng)性；透氣性差的鑄型可能會(huì)導(dǎo)致氣體無法排出，影響合金的流動(dòng)；表面粗糙的鑄型則會(huì)增加合金流動(dòng)的阻力。Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性受到多種因素的綜合影響，合金成分、溫度和澆注速度是其中的主要因素。在實(shí)際的鑄造生產(chǎn)中，需要全面考慮這些因素，通過優(yōu)化合金成分、控制澆注溫度和速度以及改進(jìn)鑄造工藝等措施，來提高M(jìn)g-Zn-Er合金的流動(dòng)性，從而獲得高質(zhì)量的鑄件。2.2收縮性2.2.1收縮的階段與類型在Mg-Zn-Er合金的鑄造過程中，收縮性是一個(gè)不容忽視的重要性能，它對鑄件的質(zhì)量和尺寸精度有著關(guān)鍵影響。合金從液態(tài)冷卻到常溫的過程中，會(huì)發(fā)生體積和尺寸縮小的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被稱為收縮。Mg-Zn-Er合金的收縮過程可細(xì)分為三個(gè)階段，每個(gè)階段都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和對鑄件質(zhì)量的影響。液態(tài)收縮是合金收縮的第一個(gè)階段，它發(fā)生在從澆注溫度到液相線溫度之間。在這個(gè)階段，隨著溫度的降低，合金原子間的距離逐漸減小，合金的體積開始收縮。液態(tài)收縮主要表現(xiàn)為鑄型內(nèi)液面的降低，通常用體收縮率來衡量。體收縮率的計(jì)算公式為：體收縮率=\frac{V_0-V_1}{V_0}\times100\%，其中V_0是金屬在澆注溫度t_0時(shí)的體積，V_1是金屬在液相線溫度t_1時(shí)的體積。液態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因之一。當(dāng)液態(tài)收縮得不到及時(shí)補(bǔ)充時(shí)，鑄件內(nèi)部就會(huì)形成空洞，這些空洞如果集中在一起，就會(huì)形成縮孔；如果分散分布，則會(huì)形成縮松。在Mg-Zn-Er合金的鑄造中，若液態(tài)收縮控制不當(dāng)，縮孔和縮松缺陷會(huì)降低鑄件的致密性和力學(xué)性能，嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量和使用壽命。凝固收縮是合金收縮的第二個(gè)階段，它發(fā)生在從液相線溫度到固相線溫度之間。在這個(gè)階段，合金從液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，伴隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，原子排列更加緊密，合金的體積進(jìn)一步收縮。凝固收縮同樣表現(xiàn)為鑄型內(nèi)液面的降低，也用體收縮率來表示。凝固收縮也是導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的重要因素。在凝固過程中，若液態(tài)合金無法有效地填充因凝固收縮而產(chǎn)生的空隙，就會(huì)在鑄件內(nèi)部形成縮孔或縮松缺陷。不同的合金成分和凝固方式會(huì)對凝固收縮產(chǎn)生顯著影響。對于Mg-Zn-Er合金，其合金成分中的Zn和Er元素會(huì)改變合金的凝固溫度區(qū)間和結(jié)晶方式，從而影響凝固收縮的程度。如果合金中形成了較多的高熔點(diǎn)化合物，可能會(huì)使凝固收縮提前發(fā)生，增加縮孔和縮松的傾向。固態(tài)收縮是合金收縮的最后一個(gè)階段，它發(fā)生在從固相線溫度到室溫之間。在這個(gè)階段，合金已經(jīng)完全凝固成固態(tài)，隨著溫度的繼續(xù)降低，原子的熱振動(dòng)減弱，原子間的距離進(jìn)一步減小，導(dǎo)致鑄件的外形尺寸減小。固態(tài)收縮通常用線收縮率來衡量，線收縮率的計(jì)算公式為：線收縮率=\frac{l_0-l_1}{l_0}\times100\%，其中l(wèi)_0是金屬在固相線溫度t_0時(shí)的長度，l_1是金屬在室溫t_1時(shí)的長度。固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的根本原因。由于鑄件各部分的冷卻速度不同，固態(tài)收縮的程度也會(huì)存在差異，這就會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過鑄件材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，鑄件就會(huì)發(fā)生變形；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過鑄件材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。在Mg-Zn-Er合金鑄件中，固態(tài)收縮引起的內(nèi)應(yīng)力和變形問題需要特別關(guān)注，因?yàn)檫@些問題可能會(huì)導(dǎo)致鑄件的尺寸精度下降，甚至使鑄件報(bào)廢。從收縮的類型來看，主要包括體收縮和線收縮。體收縮主要反映合金在液態(tài)和凝固階段體積的變化，對鑄件內(nèi)部的縮孔和縮松缺陷影響較大。線收縮則主要反映合金在固態(tài)階段尺寸的變化，對鑄件的應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷影響顯著。在Mg-Zn-Er合金的鑄造過程中，需要綜合考慮體收縮和線收縮的影響，采取有效的工藝措施來控制收縮，以獲得高質(zhì)量的鑄件。通過合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和冒口，來補(bǔ)償體收縮，減少縮孔和縮松的產(chǎn)生；通過優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)和控制冷卻速度，來減小線收縮引起的內(nèi)應(yīng)力和變形。2.2.2影響收縮性的因素Mg-Zn-Er合金的收縮性受到多種因素的綜合影響，深入了解這些因素對于精確控制合金的收縮行為、提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。合金成分作為影響收縮性的關(guān)鍵因素之一，其作用機(jī)制較為復(fù)雜。不同的合金成分具有不同的收縮特性，這是因?yàn)楹辖鹬械母鞣N元素會(huì)改變合金的凝固溫度區(qū)間、結(jié)晶方式以及原子間的結(jié)合力等，進(jìn)而影響合金的收縮行為。在Mg-Zn-Er合金中，Zn和Er元素的含量變化會(huì)顯著影響合金的收縮性。當(dāng)合金中Zn含量增加時(shí)，合金的凝固溫度區(qū)間可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致收縮率發(fā)生變化。有研究表明，隨著Zn含量的增加，Mg-Zn合金的收縮率可能會(huì)增大。這是因?yàn)閆n的加入可能會(huì)使合金的結(jié)晶方式發(fā)生變化，形成更多的樹枝晶，從而增加了凝固過程中的體積變化。Er元素的加入也會(huì)對合金的收縮性產(chǎn)生影響。適量的Er可以細(xì)化合金的晶粒，使合金的組織結(jié)構(gòu)更加均勻，從而在一定程度上降低收縮率。這是因?yàn)榧?xì)化的晶?？梢詼p少晶界處的應(yīng)力集中，降低因收縮不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。但如果Er含量過多，可能會(huì)形成一些高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物會(huì)阻礙合金的收縮，導(dǎo)致收縮應(yīng)力增大，反而增加了鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向。溫度是影響Mg-Zn-Er合金收縮性的另一個(gè)重要因素，其中澆注溫度對收縮率的影響尤為顯著。提高澆注溫度，會(huì)使合金的收縮率增大。這是因?yàn)闈沧囟仍礁?，合金在液態(tài)時(shí)的體積越大，當(dāng)冷卻到室溫時(shí)，體積變化量也就越大，從而導(dǎo)致收縮率增大。澆注溫度過高還會(huì)使合金的吸氣增加，氧化嚴(yán)重，這不僅會(huì)降低合金的純度和性能，還可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，進(jìn)一步影響鑄件的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要嚴(yán)格控制澆注溫度，在保證合金流動(dòng)性的前提下，盡量降低澆注溫度，以減小收縮率和其他不利影響?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)和模擬等手段，確定Mg-Zn-Er合金的最佳澆注溫度范圍，以實(shí)現(xiàn)對收縮性的有效控制。冷卻速度對Mg-Zn-Er合金的收縮性也有著重要影響?？焖倮鋮s會(huì)導(dǎo)致較大的收縮，因?yàn)槔鋮s速度越快，晶體生長越快，原子來不及充分?jǐn)U散和排列，導(dǎo)致收縮量增大。在快速冷卻過程中，鑄件表面和內(nèi)部的溫度梯度較大，這會(huì)使鑄件各部分的收縮不均勻，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，增加鑄件變形和裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。相反，緩慢冷卻則可能導(dǎo)致較小的收縮。緩慢冷卻時(shí)，原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和排列，晶體生長較為均勻，收縮量相對較小。但緩慢冷卻也可能會(huì)帶來一些問題，如生產(chǎn)效率降低，鑄件內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生粗大的晶粒，影響鑄件的力學(xué)性能。在實(shí)際鑄造過程中，需要根據(jù)鑄件的形狀、尺寸和性能要求，合理控制冷卻速度，以平衡收縮性和其他性能指標(biāo)?？梢酝ㄟ^選擇合適的鑄型材料、優(yōu)化澆注系統(tǒng)和采用冷卻控制裝置等方法，來實(shí)現(xiàn)對冷卻速度的有效調(diào)節(jié)。除了合金成分、溫度和冷卻速度外，還有其他一些因素也會(huì)對Mg-Zn-Er合金的收縮性產(chǎn)生影響。鑄型材料的導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)會(huì)影響合金的冷卻速度和收縮行為。導(dǎo)熱性好的鑄型材料能更快地將熱量從合金中傳遞出去，導(dǎo)致較快的冷卻速度和較大的收縮。當(dāng)鑄型材料的熱膨脹系數(shù)與合金的熱膨脹系數(shù)不匹配時(shí)，也會(huì)引起額外的收縮應(yīng)力。如果鑄型材料的熱膨脹系數(shù)小于合金的熱膨脹系數(shù)，在冷卻過程中，鑄型對合金的約束作用會(huì)使合金產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，增加鑄件產(chǎn)生裂紋的可能性。鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響收縮。鑄件中較厚的部分和壁厚的突變區(qū)域往往會(huì)經(jīng)歷更大的收縮，因?yàn)檫@些區(qū)域的熱量傳遞較慢，冷卻速度不均勻，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力集中。在設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量避免壁厚的急劇變化，采用合理的過渡圓角和加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，以減小收縮應(yīng)力和變形。Mg-Zn-Er合金的收縮性受到合金成分、溫度、冷卻速度、鑄型材料和鑄件結(jié)構(gòu)等多種因素的綜合影響。在實(shí)際的鑄造生產(chǎn)中，需要全面考慮這些因素，通過優(yōu)化合金成分、控制澆注溫度和冷卻速度、選擇合適的鑄型材料以及合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)等措施，來有效控制合金的收縮性，提高鑄件的質(zhì)量和尺寸精度。2.3吸氣性2.3.1吸氣的原理與危害在Mg-Zn-Er合金的熔煉和澆注過程中，吸氣現(xiàn)象是一個(gè)不可忽視的問題，它對合金的性能和鑄件質(zhì)量有著顯著的影響。合金的吸氣原理主要涉及氣體在液態(tài)合金中的溶解和擴(kuò)散過程。在熔煉過程中，合金熔體與周圍環(huán)境中的氣體，如氫氣（H?）、氧氣（O?）、氮?dú)猓∟?）等接觸，這些氣體分子會(huì)吸附在合金熔體表面。由于液態(tài)合金中存在著原子間的空隙，氣體分子在一定條件下能夠克服表面能和分子間作用力，溶解進(jìn)入合金熔體內(nèi)部。這一過程遵循一定的物理化學(xué)規(guī)律，其中氣體在合金中的溶解度與溫度、氣體分壓等因素密切相關(guān)。根據(jù)西華特定律，在一定溫度下，氣體在金屬中的溶解度與該氣體的分壓平方根成正比。對于氫氣在Mg-Zn-Er合金中的溶解，隨著氫氣分壓的增加，氫氣在合金中的溶解度也會(huì)相應(yīng)增大。溫度對氣體溶解度的影響也較為復(fù)雜。一般來說，溫度升高，氣體在合金中的溶解度會(huì)增大。這是因?yàn)闇囟壬?，合金原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的空隙增大，為氣體分子的溶解提供了更多的空間。當(dāng)溫度降低時(shí)，氣體在合金中的溶解度會(huì)減小，已溶解的氣體可能會(huì)從合金中析出。在澆注過程中，吸氣現(xiàn)象同樣可能發(fā)生。當(dāng)液態(tài)合金注入鑄型時(shí)，由于合金液的流動(dòng)和與鑄型的接觸，可能會(huì)卷入空氣或鑄型中的氣體。如果鑄型的透氣性不好，氣體無法及時(shí)排出，就會(huì)被合金液包裹，導(dǎo)致鑄件中出現(xiàn)氣孔等缺陷。合金吸氣對鑄件質(zhì)量和性能會(huì)產(chǎn)生諸多危害。吸氣會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。氣孔是鑄件中常見的缺陷之一，它的存在會(huì)降低鑄件的致密性，減小鑄件的有效承載面積。當(dāng)鑄件承受載荷時(shí)，氣孔周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得鑄件在較低的應(yīng)力水平下就可能發(fā)生斷裂，從而降低鑄件的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性等。氣孔還會(huì)影響鑄件的氣密性，使其無法滿足一些對氣密性要求較高的應(yīng)用場景，如航空航天領(lǐng)域的零部件。吸氣還可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔和熱裂等缺陷。由于氣體在合金中的溶解度隨溫度變化，當(dāng)合金冷卻時(shí)，氣體溶解度降低，析出的氣體可能會(huì)占據(jù)一定的空間，阻礙合金的正常收縮，從而增加縮孔和縮松的傾向。析出的氣體還會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度時(shí)，就可能引發(fā)熱裂。熱裂是一種嚴(yán)重的鑄造缺陷，它會(huì)使鑄件的完整性遭到破壞，無法使用。合金吸氣還會(huì)對合金的耐腐蝕性產(chǎn)生負(fù)面影響。氣孔等缺陷的存在為腐蝕介質(zhì)提供了侵入鑄件內(nèi)部的通道，加速了腐蝕過程。合金中溶解的某些氣體，如氧氣，可能會(huì)與合金中的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物，降低合金的耐腐蝕性能。在潮濕的環(huán)境中，含有氣孔的Mg-Zn-Er合金鑄件更容易發(fā)生腐蝕，縮短其使用壽命。Mg-Zn-Er合金在熔煉和澆注過程中的吸氣現(xiàn)象是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生多種缺陷，嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量和性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要采取有效的措施來減少合金的吸氣，以提高鑄件的質(zhì)量和可靠性。2.3.2影響吸氣性的因素Mg-Zn-Er合金的吸氣性受到多種因素的綜合影響，深入了解這些因素對于有效控制合金的吸氣行為、提高鑄件質(zhì)量至關(guān)重要。合金化學(xué)成分是影響吸氣性的關(guān)鍵因素之一，不同的合金元素對氣體的溶解度和吸附能力存在差異，從而導(dǎo)致合金吸氣性的不同。在Mg-Zn-Er合金中，Zn和Er元素的含量變化會(huì)顯著影響合金的吸氣性。Zn元素的存在可能會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，進(jìn)而影響氣體在合金中的溶解和擴(kuò)散。有研究表明，適量的Zn可以細(xì)化合金的晶粒，使合金的組織結(jié)構(gòu)更加均勻，從而在一定程度上降低合金的吸氣性。這是因?yàn)榧?xì)化的晶粒增加了晶界面積，晶界對氣體的擴(kuò)散具有一定的阻礙作用，減少了氣體進(jìn)入合金內(nèi)部的機(jī)會(huì)。如果Zn含量過高，可能會(huì)形成一些金屬間化合物，這些化合物的存在可能會(huì)增加合金的表面活性，使合金更容易吸附氣體，從而提高吸氣性。Er元素對Mg-Zn-Er合金吸氣性的影響也較為復(fù)雜。Er元素可以與合金中的其他元素形成化合物，這些化合物可能會(huì)在合金表面形成一層保護(hù)膜，阻礙氣體的吸附和溶解，降低合金的吸氣性。當(dāng)Er元素在合金中形成穩(wěn)定的氧化物或氮化物時(shí)，這些化合物可以覆蓋在合金表面，阻止氣體與合金基體的直接接觸。Er元素還可能會(huì)影響合金的凝固過程，改變合金的微觀組織，進(jìn)而對吸氣性產(chǎn)生影響。如果Er元素的加入導(dǎo)致合金凝固過程中形成粗大的晶粒，可能會(huì)增加氣體在晶界處的聚集，提高吸氣性。溫度對Mg-Zn-Er合金的吸氣性有著顯著的影響。隨著溫度的升高，合金的吸氣性通常會(huì)增強(qiáng)。這是因?yàn)闇囟壬?，合金原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的空隙增大，氣體分子更容易溶解進(jìn)入合金內(nèi)部。溫度升高還會(huì)使合金的表面活性增加，氣體在合金表面的吸附能力增強(qiáng)。在熔煉過程中，當(dāng)溫度過高時(shí)，合金與周圍氣體的反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致吸氣量大幅增加。過高的溫度還可能會(huì)使合金中的某些元素?fù)]發(fā)，進(jìn)一步改變合金的成分和性能，間接影響吸氣性。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要嚴(yán)格控制熔煉和澆注溫度，在保證合金流動(dòng)性和其他性能的前提下，盡量降低溫度，以減少合金的吸氣。熔煉時(shí)間也是影響Mg-Zn-Er合金吸氣性的重要因素。熔煉時(shí)間越長，合金與氣體接觸的時(shí)間就越長，吸氣量也就越大。在長時(shí)間的熔煉過程中，合金不斷地與周圍環(huán)境中的氣體進(jìn)行物質(zhì)交換，氣體逐漸溶解進(jìn)入合金內(nèi)部。如果熔煉時(shí)間過長，還可能會(huì)導(dǎo)致合金中的某些元素被氧化或氮化，進(jìn)一步改變合金的成分和性能，增加吸氣性。在實(shí)際操作中，應(yīng)盡量縮短熔煉時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)減少合金的吸氣?？梢酝ㄟ^優(yōu)化熔煉工藝，如采用快速熔煉技術(shù)、合理控制熔煉設(shè)備的參數(shù)等，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。熔煉設(shè)備的類型和質(zhì)量也會(huì)對Mg-Zn-Er合金的吸氣性產(chǎn)生影響。不同類型的熔煉設(shè)備，如電阻爐、感應(yīng)爐等，在熔煉過程中提供的加熱方式和氣氛環(huán)境不同，會(huì)導(dǎo)致合金的吸氣情況有所差異。電阻爐熔煉時(shí)，合金主要通過電阻絲的加熱獲得熱量，其加熱速度相對較慢，合金在高溫下停留的時(shí)間較長，可能會(huì)增加吸氣的機(jī)會(huì)。而感應(yīng)爐則利用電磁感應(yīng)原理使合金自身發(fā)熱，加熱速度快，能夠縮短合金在高溫下的停留時(shí)間，從而在一定程度上減少吸氣。熔煉設(shè)備的密封性也非常重要。如果設(shè)備密封性不好，周圍的氣體容易進(jìn)入熔煉區(qū)域，增加合金的吸氣量。在選擇熔煉設(shè)備時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮密封性好、加熱效率高的設(shè)備，并定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢查，確保其正常運(yùn)行，以降低合金的吸氣性。除了上述因素外，合金熔體的攪拌方式、精煉處理以及鑄型的性質(zhì)等也會(huì)對Mg-Zn-Er合金的吸氣性產(chǎn)生一定的影響。合理的攪拌方式可以使合金熔體更加均勻，減少氣體的局部聚集，但如果攪拌過于劇烈，可能會(huì)卷入更多的氣體。精煉處理可以去除合金中的雜質(zhì)和氣體，降低吸氣性。鑄型的透氣性和表面性質(zhì)會(huì)影響合金在澆注過程中的吸氣情況，透氣性好的鑄型可以使氣體更容易排出，減少鑄件中的氣孔缺陷。Mg-Zn-Er合金的吸氣性受到合金化學(xué)成分、溫度、熔煉時(shí)間、熔煉設(shè)備等多種因素的綜合影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要全面考慮這些因素，通過優(yōu)化合金成分、控制熔煉工藝參數(shù)、選擇合適的熔煉設(shè)備等措施，來有效降低合金的吸氣性，提高鑄件的質(zhì)量和性能。2.4偏析傾向2.4.1偏析的類型與形成機(jī)制在Mg-Zn-Er合金的凝固過程中，偏析是一種常見且對合金性能有著重要影響的現(xiàn)象。偏析是指合金中化學(xué)成分的不均勻分布，這種不均勻性會(huì)導(dǎo)致合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能出現(xiàn)差異。根據(jù)偏析的表現(xiàn)形式和形成機(jī)制，可將其主要分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三種類型。晶內(nèi)偏析，也被稱為枝晶偏析，是最為常見的偏析類型之一。其形成機(jī)制與合金的結(jié)晶過程密切相關(guān)。在合金凝固時(shí)，由于溶質(zhì)原子在固相和液相中的溶解度存在差異，導(dǎo)致溶質(zhì)原子在結(jié)晶過程中重新分布。以Mg-Zn-Er合金為例，在結(jié)晶初期，先結(jié)晶的固相含高熔點(diǎn)組元較多，而液相中則含低熔點(diǎn)組元較多。隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，固相不斷生長，液相中的溶質(zhì)原子逐漸富集。由于結(jié)晶速度較快，溶質(zhì)原子來不及充分?jǐn)U散均勻，使得先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，從而在晶粒內(nèi)部形成了成分不均勻的現(xiàn)象。這種晶內(nèi)偏析會(huì)導(dǎo)致合金的力學(xué)性能不均勻，硬度和強(qiáng)度在不同部位存在差異，降低合金的綜合性能。區(qū)域偏析是指合金中宏觀區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象。它的形成主要與合金的凝固方式和鑄件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在鑄件凝固過程中，由于冷卻速度不均勻，導(dǎo)致鑄件不同部位的凝固時(shí)間存在差異。先凝固的部位溶質(zhì)含量較低，后凝固的部位溶質(zhì)含量較高，從而形成了區(qū)域偏析。鑄件的壁厚不均勻也會(huì)加劇區(qū)域偏析的程度。厚壁部位冷卻速度慢，凝固時(shí)間長，溶質(zhì)原子有更多的時(shí)間聚集，導(dǎo)致該部位溶質(zhì)含量偏高；而薄壁部位冷卻速度快，溶質(zhì)原子來不及聚集，含量相對較低。區(qū)域偏析會(huì)使鑄件不同部位的性能出現(xiàn)顯著差異，影響鑄件的整體質(zhì)量和使用性能。比重偏析是由于合金中不同組元的密度差異而引起的偏析現(xiàn)象。在Mg-Zn-Er合金中，如果某些組元的密度與基體相差較大，在液態(tài)合金凝固過程中，這些組元就會(huì)因重力作用而發(fā)生沉浮，導(dǎo)致上下部分的成分不均勻。當(dāng)合金中存在密度較大的化合物相時(shí)，在凝固過程中，這些化合物相可能會(huì)下沉到鑄件底部，而密度較小的組元?jiǎng)t會(huì)聚集在鑄件上部，從而形成比重偏析。比重偏析同樣會(huì)對合金的性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致鑄件不同部位的性能不一致。晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析在Mg-Zn-Er合金的凝固過程中有著各自獨(dú)特的形成機(jī)制，它們的存在會(huì)導(dǎo)致合金的化學(xué)成分不均勻，進(jìn)而影響合金的微觀組織和性能。深入了解這些偏析類型及其形成機(jī)制，對于采取有效的措施來控制偏析，提高M(jìn)g-Zn-Er合金的質(zhì)量和性能具有重要意義。2.4.2影響偏析傾向的因素Mg-Zn-Er合金的偏析傾向受到多種因素的綜合影響，深入研究這些因素對于有效控制偏析、提高合金質(zhì)量至關(guān)重要。合金成分作為影響偏析傾向的關(guān)鍵因素之一，其作用機(jī)制較為復(fù)雜。不同的合金成分具有不同的結(jié)晶溫度范圍和溶質(zhì)分配系數(shù)，這會(huì)直接影響偏析的程度。在Mg-Zn-Er合金中，Zn和Er元素的含量變化會(huì)顯著影響偏析傾向。當(dāng)合金中Zn含量增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金的結(jié)晶溫度范圍擴(kuò)大，溶質(zhì)原子在固相和液相中的擴(kuò)散速度差異增大，從而增加偏析的傾向。Zn與Mg形成的固溶體在結(jié)晶過程中，Zn原子的擴(kuò)散速度相對較慢，容易在晶界和枝晶間富集，導(dǎo)致晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析的加劇。Er元素的加入也會(huì)對偏析傾向產(chǎn)生影響。適量的Er可以細(xì)化合金的晶粒，使結(jié)晶過程更加均勻，在一定程度上降低偏析傾向。細(xì)化的晶粒增加了晶界面積，晶界作為溶質(zhì)原子擴(kuò)散的快速通道，有助于溶質(zhì)原子的均勻分布。但如果Er含量過多，可能會(huì)形成一些高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物在凝固過程中會(huì)阻礙溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，反而增加偏析傾向。溫度對Mg-Zn-Er合金的偏析傾向有著顯著的影響。澆注溫度是影響偏析的重要因素之一。提高澆注溫度，會(huì)使合金的過熱度增加，液態(tài)合金的流動(dòng)性增強(qiáng)，溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散速度加快。這在一定程度上有利于溶質(zhì)原子的均勻分布，降低偏析傾向。但如果澆注溫度過高，合金在液態(tài)停留的時(shí)間過長，可能會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)原子的聚集和偏析加劇。過高的澆注溫度還會(huì)使合金的吸氣增加，氧化嚴(yán)重，進(jìn)一步影響合金的質(zhì)量和偏析情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要合理控制澆注溫度，在保證合金流動(dòng)性的前提下，盡量降低澆注溫度，以減少偏析傾向。冷卻速度也是影響偏析傾向的重要因素?？焖倮鋮s會(huì)導(dǎo)致合金的凝固速度加快，溶質(zhì)原子來不及充分?jǐn)U散均勻，從而使偏析程度增大。在快速冷卻條件下，固相迅速形成，液相中的溶質(zhì)原子被快速隔離在枝晶間或晶界處，形成嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析。相反，緩慢冷卻時(shí)，溶質(zhì)原子有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，能夠在一定程度上減輕偏析。但緩慢冷卻也可能會(huì)帶來一些問題，如生產(chǎn)效率降低，鑄件內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生粗大的晶粒，影響鑄件的力學(xué)性能。在實(shí)際鑄造過程中，需要根據(jù)鑄件的形狀、尺寸和性能要求，合理控制冷卻速度，以平衡偏析傾向和其他性能指標(biāo)。可以通過選擇合適的鑄型材料、優(yōu)化澆注系統(tǒng)和采用冷卻控制裝置等方法，來實(shí)現(xiàn)對冷卻速度的有效調(diào)節(jié)。除了合金成分、溫度和冷卻速度外，還有其他一些因素也會(huì)對Mg-Zn-Er合金的偏析傾向產(chǎn)生影響。合金熔體的攪拌方式也會(huì)影響偏析。在熔煉過程中，適當(dāng)?shù)臄嚢杩梢允购辖鹑垠w更加均勻，促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，減少偏析。如果攪拌過于劇烈，可能會(huì)導(dǎo)致合金熔體產(chǎn)生紊流，使溶質(zhì)原子分布更加不均勻，反而增加偏析傾向。鑄件的凝固方式也會(huì)影響偏析。順序凝固方式下，鑄件從一端開始逐漸凝固，溶質(zhì)原子有更多的機(jī)會(huì)向未凝固的液相中擴(kuò)散，偏析傾向相對較小；而同時(shí)凝固方式下，鑄件各部分幾乎同時(shí)凝固，溶質(zhì)原子難以擴(kuò)散均勻，偏析傾向較大。在設(shè)計(jì)鑄件和選擇鑄造工藝時(shí)，應(yīng)考慮采用合適的凝固方式，以減少偏析。Mg-Zn-Er合金的偏析傾向受到合金成分、溫度、冷卻速度、攪拌方式和凝固方式等多種因素的綜合影響。在實(shí)際的鑄造生產(chǎn)中，需要全面考慮這些因素，通過優(yōu)化合金成分、控制澆注溫度和冷卻速度、合理攪拌以及選擇合適的凝固方式等措施，來有效控制合金的偏析傾向，提高鑄件的質(zhì)量和性能。三、Mg-Zn-Er合金鑄造工藝3.1熔煉工藝3.1.1原材料準(zhǔn)備原材料的質(zhì)量與預(yù)處理是確保Mg-Zn-Er合金質(zhì)量的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。在原材料的選擇上，商用純鎂、純鋅和Mg-Er中間合金是制備Mg-Zn-Er合金的主要原料。商用純鎂的純度應(yīng)在99.9%以上，這是因?yàn)殡s質(zhì)的存在會(huì)對合金的性能產(chǎn)生不利影響。如鐵、鎳等雜質(zhì)元素會(huì)降低鎂合金的耐蝕性，還可能影響合金的鑄造性能和力學(xué)性能。純鋅的純度也需嚴(yán)格把控，以保證其在合金中能夠發(fā)揮預(yù)期的固溶強(qiáng)化和提高耐蝕性的作用。Mg-Er中間合金作為引入鉺元素的重要載體，其成分和質(zhì)量同樣關(guān)鍵。通常選用成分為Mg-20wt.%Er的Mg-Er中間合金，這樣的成分設(shè)計(jì)既能有效引入鉺元素，又能保證合金成分的均勻性。在使用這些原材料之前，去除表面氧化皮是必不可少的預(yù)處理步驟。鎂、鋅等金屬在空氣中容易氧化，表面會(huì)形成一層氧化皮。這層氧化皮不僅會(huì)阻礙金屬的熔化和合金化過程，還可能在熔煉過程中進(jìn)入合金熔體，成為夾雜物，影響合金的質(zhì)量。在熔煉前，需使用砂紙、鋼絲刷等工具仔細(xì)去除商用純鎂和純鋅表面的氧化皮，確保金屬表面潔凈。對于Mg-Er中間合金，同樣要進(jìn)行表面清理，以保證其與其他原材料的良好融合。除了去除氧化皮，還需對原材料進(jìn)行干燥處理。因?yàn)樗值拇嬖跁?huì)在熔煉過程中引起金屬液的飛濺，甚至可能導(dǎo)致氫氣的產(chǎn)生，增加合金的吸氣量，從而影響合金的性能?？蓪⒃牧显?50-300℃的烘箱中干燥1-2小時(shí)，去除其中的水分。通過嚴(yán)格把控原材料的質(zhì)量和進(jìn)行充分的預(yù)處理，可以為后續(xù)的熔煉過程提供良好的基礎(chǔ)，有助于獲得高質(zhì)量的Mg-Zn-Er合金。3.1.2熔煉設(shè)備與工具在Mg-Zn-Er合金的熔煉過程中，合適的熔煉設(shè)備與工具是確保熔煉質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。電阻爐是常用的熔煉設(shè)備之一，其工作原理是利用電流通過電阻加熱元件產(chǎn)生熱量，將金屬加熱至熔化狀態(tài)。電阻爐具有溫度控制精確、加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足Mg-Zn-Er合金熔煉過程中對溫度的嚴(yán)格要求。在選擇電阻爐時(shí)，需根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和合金熔煉量來確定其功率和爐膛尺寸。對于實(shí)驗(yàn)室研究，可選用功率較小、爐膛尺寸適中的電阻爐，以便于操作和控制；而對于工業(yè)生產(chǎn)，則需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求選擇大功率、大爐膛的電阻爐，以提高生產(chǎn)效率。鑄鐵坩堝是與電阻爐配套使用的重要工具，用于盛裝金屬爐料進(jìn)行熔煉。在選擇鑄鐵坩堝時(shí)，需考慮其耐高溫性能、耐腐蝕性和尺寸規(guī)格。Mg-Zn-Er合金的熔煉溫度通常在700-750℃之間，因此要求鑄鐵坩堝能夠在該溫度范圍內(nèi)保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐熱性能。鑄鐵坩堝還需具備一定的耐腐蝕性，以防止在熔煉過程中被合金液侵蝕。在尺寸規(guī)格方面，應(yīng)根據(jù)電阻爐的爐膛大小和合金熔煉量來選擇合適容量的鑄鐵坩堝。若坩堝容量過小，無法滿足合金熔煉量的需求；若坩堝容量過大，則會(huì)導(dǎo)致熱量浪費(fèi)和熔煉效率降低。除了電阻爐和鑄鐵坩堝，還需要準(zhǔn)備一些輔助工具，如鉗子、夾具、攪拌棒等。鉗子和夾具用于搬運(yùn)和放置坩堝，其材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐高溫性能，以確保操作的安全性。攪拌棒則用于在熔煉過程中攪拌合金液，促進(jìn)合金成分的均勻分布和熱量的傳遞。攪拌棒可選用石墨材質(zhì)，因?yàn)槭哂辛己玫哪透邷匦阅芎突瘜W(xué)穩(wěn)定性，不會(huì)對合金液產(chǎn)生污染。在使用熔煉設(shè)備和工具時(shí)，還需注意一些事項(xiàng)。在使用電阻爐前，應(yīng)檢查其電氣系統(tǒng)是否正常，溫度控制系統(tǒng)是否準(zhǔn)確可靠。定期對電阻爐進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，清理爐膛內(nèi)的雜物和積渣，檢查加熱元件的完好性，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。對于鑄鐵坩堝，在使用前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱處理，以去除其中的水分，防止在熔煉過程中因水分蒸發(fā)而引起金屬液的飛濺。在熔煉過程中，應(yīng)避免坩堝與電阻爐的加熱元件直接接觸，以免損壞坩堝和加熱元件。使用完的坩堝應(yīng)及時(shí)清理，去除表面的殘留合金液和雜質(zhì)，以便下次使用。對于輔助工具，也應(yīng)定期檢查和維護(hù)，確保其性能良好。電阻爐、鑄鐵坩堝等熔煉設(shè)備與工具在Mg-Zn-Er合金的熔煉過程中起著重要作用。通過合理選擇和正確使用這些設(shè)備與工具，并注意其維護(hù)和保養(yǎng)，可以為Mg-Zn-Er合金的熔煉提供可靠的保障，有助于獲得高質(zhì)量的合金液。3.1.3熔煉過程控制熔煉過程控制是確保Mg-Zn-Er合金質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)，涉及多個(gè)操作要點(diǎn)和參數(shù)控制，每個(gè)環(huán)節(jié)都對合金的最終性能有著重要影響。升溫是熔煉過程的起始階段，需要緩慢而穩(wěn)定地進(jìn)行。將裝有純鎂的鑄鐵坩堝放入電阻爐后，以適當(dāng)?shù)乃俾噬郀t溫，一般控制在5-10℃/min。這樣的升溫速率可以避免因溫度急劇變化而導(dǎo)致坩堝破裂或金屬液飛濺。在升溫過程中，需密切關(guān)注溫度的變化，確保升溫過程的平穩(wěn)。當(dāng)溫度達(dá)到純鎂的熔點(diǎn)（約650℃）時(shí)，純鎂開始熔化。此時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低升溫速度，使純鎂能夠充分熔化，避免局部過熱。待純鎂完全熔化后，將熔體溫度控制在720-730℃，保持一段時(shí)間，確保鎂液的溫度均勻。在這個(gè)過程中，可通過攪拌鎂液來促進(jìn)溫度的均勻分布。在純鎂完全熔化后，需依次添加預(yù)熱好的鋅和Mg-Er中間合金。將溫度調(diào)至730-750℃，加入全部預(yù)熱好的Zn。較高的溫度有助于鋅的快速熔化和均勻溶解。加入鋅后，保溫靜置10-15min，使鋅充分?jǐn)U散到鎂液中。再加入全部預(yù)熱好的Mg-Er中間合金，繼續(xù)保溫靜置10-15min。Mg-Er中間合金的加入會(huì)使合金液的成分發(fā)生變化，保溫靜置時(shí)間能夠確保Er元素在合金液中均勻分布。攪拌是促進(jìn)合金成分均勻化和熱量傳遞的重要操作。在加入Zn和Mg-Er中間合金并保溫靜置后，使用石墨攪拌棒對合金液進(jìn)行攪拌。攪拌時(shí)，應(yīng)控制攪拌速度和方向，避免產(chǎn)生過多的紊流，防止卷入氣體。攪拌時(shí)間一般為1-3min，以確保合金成分充分均勻。攪拌過程中，可觀察合金液的流動(dòng)情況，判斷攪拌效果。在熔煉過程中，合金液表面會(huì)產(chǎn)生浮渣，這些浮渣主要由金屬氧化物和其他雜質(zhì)組成。若不及時(shí)去除，浮渣會(huì)混入合金液中，影響合金的質(zhì)量。在熔煉后期，將溫度調(diào)節(jié)至710-730℃，用工具小心地將熔液表面的浮渣撈出。在撈渣過程中，應(yīng)盡量避免擾動(dòng)合金液，以免將浮渣重新混入合金液中。熔煉溫度和時(shí)間是影響合金質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。整個(gè)熔煉過程的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致合金吸氣增加、元素?zé)龘p嚴(yán)重，過低的溫度則會(huì)影響合金的熔化和成分均勻性。熔煉時(shí)間也需合理控制，過長的熔煉時(shí)間會(huì)增加合金的吸氣量和元素?zé)龘p，而過短的熔煉時(shí)間則可能導(dǎo)致合金成分不均勻。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)合金的成分、熔煉設(shè)備的性能以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過多次試驗(yàn)確定最佳的熔煉溫度和時(shí)間。熔煉過程控制對于Mg-Zn-Er合金的質(zhì)量至關(guān)重要。通過嚴(yán)格控制升溫、熔化、添加合金元素、攪拌、除渣等操作要點(diǎn)，以及合理控制熔煉溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以獲得成分均勻、質(zhì)量優(yōu)良的Mg-Zn-Er合金液，為后續(xù)的鑄造過程提供良好的基礎(chǔ)。3.2澆注工藝3.2.1澆注溫度的選擇澆注溫度作為澆注工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，對Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性和鑄件質(zhì)量有著深遠(yuǎn)影響。澆注溫度直接關(guān)系到合金的流動(dòng)性，適當(dāng)提高澆注溫度是改善合金流動(dòng)性的有效手段之一。當(dāng)澆注溫度升高時(shí)，合金的黏度降低，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，這使得液態(tài)合金在鑄型中的流動(dòng)更加順暢。在實(shí)際鑄造過程中，較高的澆注溫度能夠使合金液更好地填充鑄型的復(fù)雜型腔，減少澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。對于形狀復(fù)雜、薄壁的鑄件，適當(dāng)提高澆注溫度可以確保合金液能夠充滿鑄件的各個(gè)部位，獲得完整的鑄件。過高的澆注溫度也會(huì)帶來一系列負(fù)面影響。高溫會(huì)使合金的吸氣增加，氧化嚴(yán)重。在高溫環(huán)境下，合金與周圍氣體的反應(yīng)加劇，容易吸收氫氣、氧氣等氣體，導(dǎo)致鑄件中產(chǎn)生氣孔等缺陷。氧化嚴(yán)重還會(huì)降低合金的純度，影響鑄件的力學(xué)性能和耐腐蝕性。過高的澆注溫度還會(huì)使鑄型受到更大的熱沖擊，縮短鑄型的使用壽命。在砂型鑄造中，過高的澆注溫度可能會(huì)導(dǎo)致砂型表面燒結(jié)，使鑄件表面質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)粘砂等缺陷。不同成分的Mg-Zn-Er合金適宜的澆注溫度范圍也有所差異。對于Mg-Zn-Er合金，當(dāng)合金中Zn含量較高時(shí)，由于Zn會(huì)使合金的熔點(diǎn)升高，因此需要適當(dāng)提高澆注溫度，以保證合金的流動(dòng)性。當(dāng)Zn含量為5wt.%時(shí)，適宜的澆注溫度范圍可能在730-750℃。而當(dāng)Er含量增加時(shí)，由于Er元素會(huì)細(xì)化合金晶粒，在一定程度上改善合金的流動(dòng)性，澆注溫度可以相對降低。當(dāng)Er含量為1wt.%時(shí)，澆注溫度范圍可控制在720-740℃。這些溫度范圍是通過大量實(shí)驗(yàn)得出的，在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要根據(jù)鑄件的形狀、尺寸、鑄型材料以及生產(chǎn)工藝等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。通過實(shí)驗(yàn)測定不同成分Mg-Zn-Er合金在不同澆注溫度下的流動(dòng)性，結(jié)果表明，當(dāng)澆注溫度在適宜范圍內(nèi)時(shí)，合金的流動(dòng)性較好，鑄件質(zhì)量較高；當(dāng)澆注溫度超出適宜范圍時(shí)，流動(dòng)性下降，鑄件缺陷增多。澆注溫度的選擇對于Mg-Zn-Er合金的鑄造至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮合金成分、鑄件結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求等因素，通過實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定合適的澆注溫度，以在保證合金流動(dòng)性的同時(shí)，減少因高溫帶來的不良影響，從而獲得高質(zhì)量的鑄件。3.2.2澆注速度的控制澆注速度是影響Mg-Zn-Er合金充型能力和鑄件質(zhì)量的重要因素，對其進(jìn)行合理控制是確保鑄造過程順利進(jìn)行和獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵。澆注速度對充型能力有著直接的影響。較快的澆注速度可以使液態(tài)合金在較短的時(shí)間內(nèi)充滿鑄型，減少合金在流動(dòng)過程中的熱量散失，從而有利于保持合金的流動(dòng)性。當(dāng)澆注速度過慢時(shí)，合金在鑄型中流動(dòng)的時(shí)間過長，熱量容易散失，導(dǎo)致合金溫度降低，黏度增大，流動(dòng)性變差。這可能會(huì)使合金無法完全填充鑄型，產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。在鑄造薄壁鑄件時(shí)，若澆注速度過慢，合金液在尚未充滿型腔時(shí)就已經(jīng)冷卻凝固，無法形成完整的鑄件。過快的澆注速度同樣會(huì)引發(fā)一些問題。高速澆注可能會(huì)使合金液產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致卷入氣體和夾雜物。當(dāng)合金液以高速?zèng)_入鑄型時(shí)，會(huì)與鑄型壁發(fā)生劇烈碰撞，形成紊流，使氣體和夾雜物被卷入合金液中。這些氣體和夾雜物在鑄件凝固后會(huì)形成氣孔、夾渣等缺陷，降低鑄件的質(zhì)量。高速澆注還可能對鑄型造成較大的沖擊力，損壞鑄型，影響鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。在砂型鑄造中，高速澆注可能會(huì)沖壞砂型的薄弱部位，導(dǎo)致鑄件尺寸偏差或表面不平整。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和尺寸確定合適的澆注速度是一項(xiàng)復(fù)雜而關(guān)鍵的任務(wù)。對于形狀復(fù)雜、薄壁的鑄件，由于其型腔狹窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較快的澆注速度，以確保合金液能夠迅速充滿型腔。在鑄造小型、薄壁的航空航天零部件時(shí)，澆注速度可控制在一定范圍內(nèi)，使合金液在短時(shí)間內(nèi)填充型腔，避免出現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷。而對于厚壁、大型的鑄件，由于其散熱較慢，可適當(dāng)降低澆注速度，以減少紊流和氣體卷入的可能性。在鑄造大型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，澆注速度不宜過快，以免對鑄型造成過大沖擊，同時(shí)也可使合金液在型腔內(nèi)平穩(wěn)流動(dòng)，減少缺陷的產(chǎn)生。確定合適的澆注速度還需要考慮合金的特性和鑄型的性質(zhì)。不同成分的Mg-Zn-Er合金，其流動(dòng)性和凝固特性不同，所需的澆注速度也會(huì)有所差異。鑄型的導(dǎo)熱性、透氣性和強(qiáng)度等因素也會(huì)影響澆注速度的選擇。導(dǎo)熱性好的鑄型會(huì)使合金冷卻速度加快，可能需要適當(dāng)提高澆注速度；透氣性差的鑄型容易導(dǎo)致氣體積聚，需要控制澆注速度，避免卷入過多氣體。澆注速度的控制對于Mg-Zn-Er合金的鑄造質(zhì)量至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮鑄件的結(jié)構(gòu)和尺寸、合金的特性以及鑄型的性質(zhì)等因素，通過實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定合適的澆注速度，以實(shí)現(xiàn)良好的充型效果，減少鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量。3.2.3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)作為鑄造工藝中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性和鑄件質(zhì)量。澆注系統(tǒng)主要包括澆口、冒口、澆注通道等部分，每個(gè)部分都有著獨(dú)特的作用。澆口是澆注系統(tǒng)中連接澆注通道和型腔的部分，其主要作用是控制合金液的流入速度和方向。合理設(shè)計(jì)的澆口可以使合金液平穩(wěn)地流入型腔，避免產(chǎn)生紊流和飛濺。通過控制澆口的尺寸和形狀，可以調(diào)節(jié)合金液的流速，使其在進(jìn)入型腔時(shí)能夠均勻地分布，從而提高鑄件的質(zhì)量。采用底注式澆口，合金液從鑄件底部緩慢流入，有利于排除型腔中的氣體，減少氣孔缺陷的產(chǎn)生。冒口的作用是在鑄件凝固過程中，補(bǔ)償合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松。冒口通常設(shè)置在鑄件的厚壁部位或熱節(jié)處，這些部位在凝固過程中需要更多的液態(tài)合金來補(bǔ)充收縮。冒口的尺寸和位置設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尺寸過小的冒口無法提供足夠的補(bǔ)縮量，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔；位置不當(dāng)?shù)拿翱趧t無法有效地補(bǔ)償收縮，影響鑄件質(zhì)量。通過計(jì)算鑄件的熱節(jié)大小和凝固時(shí)間，合理確定冒口的尺寸和位置，確保其能夠在鑄件凝固過程中發(fā)揮良好的補(bǔ)縮作用。澆注通道是連接澆口和冒口的部分，它的作用是引導(dǎo)合金液順利地從澆口流向冒口和型腔。澆注通道的設(shè)計(jì)應(yīng)保證合金液在流動(dòng)過程中阻力小、流速均勻。合理的澆注通道形狀和尺寸可以減少合金液的能量損失，提高其流動(dòng)性。采用圓形或梯形的澆注通道，能夠使合金液在通道內(nèi)流動(dòng)更加順暢，減少渦流和紊流的產(chǎn)生。合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)對于提高M(jìn)g-Zn-Er合金的流動(dòng)性和減少鑄件缺陷具有重要意義。在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：要保證合金液能夠快速、平穩(wěn)地充滿型腔，避免產(chǎn)生紊流和飛濺。這就需要合理設(shè)計(jì)澆口的尺寸、形狀和位置，使合金液能夠以合適的速度和方向流入型腔。要確保冒口能夠有效地補(bǔ)償合金的收縮，防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松。通過精確計(jì)算和模擬，確定冒口的尺寸、位置和數(shù)量，使其能夠在鑄件凝固過程中提供足夠的補(bǔ)縮量。要盡量減少澆注系統(tǒng)對鑄件質(zhì)量的影響，避免在鑄件中產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。通過優(yōu)化澆注通道的設(shè)計(jì)，使合金液在流動(dòng)過程中能夠有效地排除氣體和夾雜物。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是Mg-Zn-Er合金鑄造工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過合理設(shè)計(jì)澆口、冒口和澆注通道，遵循相關(guān)設(shè)計(jì)原則，可以提高合金的流動(dòng)性，減少鑄件缺陷，從而獲得高質(zhì)量的鑄件。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)鑄件的具體要求和合金的特性，精心設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)行優(yōu)化，以確保鑄造過程的順利進(jìn)行和鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定。3.3凝固工藝3.3.1凝固方式與特點(diǎn)合金的凝固方式主要分為逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固三種類型，每種凝固方式都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對Mg-Zn-Er合金的微觀組織和性能有著重要影響。逐層凝固是指合金在凝固過程中，其凝固區(qū)域?qū)挾葞缀鯙榱?，從表層到中心逐層凝固。在逐層凝固過程中，液態(tài)合金的溫度均勻，固相和液相之間有明顯的界限。這種凝固方式的特點(diǎn)是鑄件凝固過程中容易形成集中縮孔，因?yàn)橐簯B(tài)合金在凝固時(shí)，先凝固的外層對內(nèi)部液態(tài)合金的補(bǔ)縮作用較差。逐層凝固的鑄件組織致密，因?yàn)楣滔嗟纳L較為規(guī)則，晶粒排列緊密。對于Mg-Zn-Er合金，如果其凝固溫度范圍較窄，且冷卻速度較為均勻，就可能傾向于逐層凝固。當(dāng)合金成分接近共晶成分時(shí)，由于共晶成分的合金凝固溫度區(qū)間最小，更容易實(shí)現(xiàn)逐層凝固。在這種情況下，Mg-Zn-Er合金鑄件的質(zhì)量相對較高，內(nèi)部缺陷較少。糊狀凝固則是合金在凝固過程中，其凝固區(qū)域?qū)挾群艽?，甚至貫穿整個(gè)鑄件斷面。在糊狀凝固過程中，鑄件斷面上既有液態(tài)合金，又有固態(tài)晶體，呈糊狀。這種凝固方式的特點(diǎn)是鑄件凝固過程中容易產(chǎn)生縮松缺陷，因?yàn)橐簯B(tài)合金在凝固時(shí)，固相和液相相互交織，液態(tài)合金難以順利補(bǔ)縮。糊狀凝固的鑄件組織不夠致密，因?yàn)榫ЯＩL較為混亂，晶界較多。對于Mg-Zn-Er合金，如果其凝固溫度范圍較寬，且冷卻速度不均勻，就可能傾向于糊狀凝固。當(dāng)合金中含有較多的溶質(zhì)元素，導(dǎo)致凝固溫度區(qū)間擴(kuò)大時(shí)，就容易出現(xiàn)糊狀凝固。在這種情況下，Mg-Zn-Er合金鑄件的質(zhì)量可能會(huì)受到影響，內(nèi)部縮松缺陷較多，力學(xué)性能下降。中間凝固是介于逐層凝固和糊狀凝固之間的一種凝固方式，其凝固區(qū)域?qū)挾冗m中。在中間凝固過程中，鑄件斷面上的凝固區(qū)域既有一定的寬度，又不像糊狀凝固那樣貫穿整個(gè)斷面。這種凝固方式的特點(diǎn)是鑄件凝固過程中的縮孔和縮松傾向相對較小，鑄件的質(zhì)量和性能也介于逐層凝固和糊狀凝固之間。對于Mg-Zn-Er合金，在一些情況下，其凝固方式可能屬于中間凝固。當(dāng)合金的成分和冷卻速度處于一定范圍時(shí)，合金的凝固溫度區(qū)間和凝固區(qū)域?qū)挾冗m中，就會(huì)呈現(xiàn)出中間凝固的特點(diǎn)。在這種情況下，Mg-Zn-Er合金鑄件的質(zhì)量和性能能夠得到較好的平衡。Mg-Zn-Er合金在不同條件下會(huì)呈現(xiàn)出不同的凝固方式，其凝固方式主要取決于合金的成分、溫度和冷卻速度等因素。通過控制這些因素，可以調(diào)整Mg-Zn-Er合金的凝固方式，從而改善合金的微觀組織和性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，了解Mg-Zn-Er合金的凝固方式和特點(diǎn)，對于優(yōu)化鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。3.3.2凝固過程控制在Mg-Zn-Er合金的鑄造過程中，有效控制凝固過程對于細(xì)化晶粒、提高鑄件質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。通過控制冷卻速度和施加外力等方法，可以實(shí)現(xiàn)對凝固過程的精準(zhǔn)調(diào)控，從而獲得理想的微觀組織和性能?？刂评鋮s速度是調(diào)節(jié)凝固過程的重要手段之一?？焖倮鋮s能夠顯著細(xì)化晶粒，這背后有著深刻的物理原理。當(dāng)冷卻速度加快時(shí)，合金的過冷度增大。過冷度是指實(shí)際凝固溫度與理論凝固溫度之間的差值。較大的過冷度會(huì)導(dǎo)致形核率急劇增加。根據(jù)經(jīng)典形核理論，形核率與過冷度的關(guān)系呈指數(shù)增長。這是因?yàn)檫^冷度越大，原子的擴(kuò)散能力相對減弱，使得原子更容易在局部區(qū)域聚集形成晶核?？焖倮鋮s還會(huì)抑制晶粒的長大。在快速冷卻條件下，原子沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行長距離擴(kuò)散，限制了晶粒的生長速度。因此，快速冷卻能夠在較短的時(shí)間內(nèi)形成大量的晶核，并且這些晶核來不及長大，從而使晶粒得到細(xì)化。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用金屬型鑄造等方法來實(shí)現(xiàn)快速冷卻。金屬型具有良好的導(dǎo)熱性，能夠迅速將合金液中的熱量傳遞出去，從而加快冷卻速度。在鑄造Mg-Zn-Er合金小型零件時(shí)，使用金屬型可以使冷卻速度大幅提高，獲得細(xì)小的晶粒組織，提高鑄件的力學(xué)性能。除了控制冷卻速度，施加外力也是一種有效的凝固過程控制方法。施加機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)或電磁攪拌等外力，能夠?qū)辖鸬哪踢^程產(chǎn)生顯著影響。機(jī)械振動(dòng)通過在凝固過程中對合金液施加周期性的機(jī)械力，使合金液產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和沖擊。這種攪拌和沖擊能夠打碎正在生長的晶粒，增加晶核數(shù)量。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)作用于合金液時(shí)，正在生長的樹枝晶可能會(huì)被打斷，這些被打斷的樹枝晶片段就成為了新的晶核，從而使形核率增加，晶粒得到細(xì)化。超聲波振動(dòng)則利用超聲波在合金液中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。空化效應(yīng)會(huì)在合金液中產(chǎn)生微小的氣泡，這些氣泡在崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，對合金液產(chǎn)生攪拌作用，促進(jìn)晶核的形成和細(xì)化。超聲波的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)也能夠影響原子的擴(kuò)散和結(jié)晶過程，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。電磁攪拌是利用交變磁場在合金液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，使合金液產(chǎn)生攪拌運(yùn)動(dòng)。這種攪拌運(yùn)動(dòng)可以使合金液中的溫度和成分更加均勻，減少偏析現(xiàn)象，同時(shí)也能夠增加晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些大型Mg-Zn-Er合金鑄件，可以在凝固過程中施加電磁攪拌，通過調(diào)整電磁攪拌的參數(shù)，如電流強(qiáng)度、頻率等，來控制攪拌效果，從而實(shí)現(xiàn)對凝固過程的有效控制，提高鑄件的質(zhì)量。通過控制冷卻速度和施加外力等方法，能夠?qū)g-Zn-Er合金的凝固過程進(jìn)行有效控制，從而細(xì)化晶粒，減少偏析，提高鑄件的質(zhì)量和性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)鑄件的具體要求和合金的特性，選擇合適的凝固過程控制方法，并合理調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳的鑄造效果。四、影響Mg-Zn-Er合金鑄造性能的因素4.1合金成分的影響4.1.1Mg、Zn、Er元素的單獨(dú)作用在Mg-Zn-Er合金體系中，Mg作為合金的基體，為合金提供了基本的性能基礎(chǔ)。鎂具有密度低（約為1.74g/cm3）的顯著特點(diǎn)，這使得Mg-Zn-Er合金在追求輕量化的航空航天、汽車制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，有效減輕零部件的重量，提高能源利用效率。Mg還具備良好的鑄造性能、切削加工性能和電磁屏蔽性能，為合金在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用提供了便利條件。然而，純鎂的強(qiáng)度和硬度較低，耐腐蝕性較差，限制了其在一些對材料性能要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要添加其他元素來改善其性能。Zn元素在Mg-Zn-Er合金中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在固溶強(qiáng)化和提高耐蝕性方面。鋅原子半徑（1.39?）與鎂原子半徑（1.60?）存在一定差異，當(dāng)鋅原子固溶到鎂基體中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。相關(guān)研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著鋅含量的增加，Mg-Zn合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。鋅還可以改善鎂合金的耐蝕性。在鎂合金中，鐵、鎳等雜質(zhì)元素會(huì)降低其耐蝕性，而鋅的添加可以抑制這些雜質(zhì)元素的有害作用，形成較為致密的保護(hù)膜，阻礙腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，從而提高合金的耐蝕性能。在一些海洋環(huán)境應(yīng)用中，含鋅的Mg-Zn-Er合金能夠更好地抵抗海水的腐蝕。Er元素作為一種重稀土元素，在Mg-Zn-Er合金中具有多種獨(dú)特的作用。鉺在鎂基體中具有較大的固溶度（在共晶溫度下為32.7wt.%），且原子半徑（1.76?）比鎂大，其溶解會(huì)導(dǎo)致鎂晶格膨脹。這種晶格畸變可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度。鉺能夠細(xì)化合金的晶粒。在合金凝固過程中，鉺原子可以作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，使晶粒細(xì)化，從而改善合金的力學(xué)性能。細(xì)化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，晶界對裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用，提高合金的韌性和塑性。有研究表明，添加適量鉺的Mg-Zn-Er合金，其室溫拉伸伸長率相比未添加鉺的合金有明顯提高。鉺還可以與合金中的其他元素形成化合物，這些化合物在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度。在Mg-Zn-Er合金中，可能會(huì)形成Mg-Er、Zn-Er等化合物，它們均勻分布在基體中，阻礙位錯(cuò)的滑移，增強(qiáng)合金的性能。Mg、Zn、Er元素在Mg-Zn-Er合金中各自發(fā)揮著不可替代的作用，Mg提供基體性能，Zn增強(qiáng)強(qiáng)度和耐蝕性，Er細(xì)化晶粒和強(qiáng)化合金。這些單獨(dú)作用為合金具備良好的綜合性能奠定了基礎(chǔ)。4.1.2元素間相互作用的影響在Mg-Zn-Er合金中，Zn和Er元素之間存在著復(fù)雜且微妙的相互作用，這種相互作用對合金的性能產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。當(dāng)合金中Zn和Er的質(zhì)量比Zn/Er≥6，尤其10≥Zn/Er≥6時(shí)，合金中將析出準(zhǔn)晶I相（Mg?Zn?Er?）。這種準(zhǔn)晶相具有獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu)，其存在對合金的耐腐蝕性能有著顯著的提升作用。研究表明，準(zhǔn)晶I相能夠削弱析氫反應(yīng)，減少負(fù)極材料在水性電解質(zhì)中的自腐蝕，提高鎂負(fù)極的利用效率。在鎂空氣電池負(fù)極材料的應(yīng)用中，含有準(zhǔn)晶I相的Mg-Zn-Er合金能夠有效減弱負(fù)極在放電過程中的析氫反應(yīng)，優(yōu)化放電過程，減少放電產(chǎn)物的堆積，從而獲得平穩(wěn)的放電電壓，提升負(fù)極利用效率和放電容量。Zn和Er元素的添加量還會(huì)影響微觀組織第二相的形成與分布，進(jìn)而對合金的性能產(chǎn)生重要影響。通過調(diào)整Zn、Er元素的含量，可以獲得具有不同形貌、尺寸、分布和含量的第二相，實(shí)現(xiàn)對合金微觀組織和性能的調(diào)控。當(dāng)Zn和Er含量發(fā)生變化時(shí)，合金中可能會(huì)形成不同類型的金屬間化合物，這些化合物的性質(zhì)、數(shù)量和分布會(huì)改變合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性等。增加Er含量，可能會(huì)促進(jìn)一些含Er化合物的形成，這些化合物在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度和硬度。但如果含量過高，可能會(huì)導(dǎo)致化合物聚集，降低合金的塑性。Zn和Er元素之間還可能形成Er-Zn對。由于Er元素在Mg基體中溶解會(huì)導(dǎo)致Mg晶格膨脹，而Zn元素溶解會(huì)導(dǎo)致Mg晶格收縮，因此容易形成的Er-Zn對可以引起最小的晶格畸變和彈性應(yīng)變能，降低析出阻力。這種相互作用有助于合金中第二相的析出和均勻分布，對合金的微觀組織和性能優(yōu)化起到積極作用。在鑄造過程中，Er-Zn對的形成可以影響合金的凝固過程，使合金的凝固組織更加均勻，減少偏析現(xiàn)象的發(fā)生。Zn和Er元素在Mg-Zn-Er合金中的相互作用對合金的性能有著多方面的影響，包括析出準(zhǔn)晶相提升耐腐蝕性、影響第二相形成與分布以及形成Er-Zn對優(yōu)化微觀組織等。深入研究這些相互作用，對于優(yōu)化合金成分、提高合金性能具有重要意義。4.2工藝參數(shù)的影響4.2.1澆注溫度的影響澆注溫度作為鑄造工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，對Mg-Zn-Er合金的流動(dòng)性和