Mg-Zr系合金凝固过程中膨胀率和收缩率的预测方法

本发明涉及冶金技术、金属材料技术和铸造，特别是涉及mg-zr系合金凝固过程中膨胀率和收缩率的预测方法。

背景技术：

1、大部分镁合金制品都是由常规铸造而来。随着镁合金应用领域的扩展，对采用镁合金生产薄壁铸件、复杂铸件和大型铸件提出了更高的要求。那么在铸造工艺的精细化管理和改进方面，尤其是在铸造缺陷的控制方面的要求，亦在逐步提高。

2、疏松、缩孔和热裂是常见的铸造缺陷，显著影响镁合金铸件的质量和成品率。这些缺陷与镁合金熔体凝固过程中的液体补缩、凝固收缩等凝固行为密切相关。因此，对镁合金熔体的凝固行为进行定量预测，能够为精准控制镁合金凝固过程中的铸造缺陷数量和出现概率提供支持，从而为铸造工艺的制定和改进提供技术参考。

3、另一方面，镁合金熔体的凝固行为又与合金成分密切相关，在镁熔体中添加不同种类的合金元素，以及所添加合金元素含量的不同均会显著改变镁合金的凝固行为。因此，首先建立合金元素种类、含量与镁合金凝固行为的定量关系，是精准、合理制定或改进镁合金铸造工艺，生产高品质镁合金铸件的基础。

4、锆(zr)元素是诸如mg-zn-zr等商用镁合金中所添加的重要合金元素之一，合金应用于多个领域。zr的添加以及不同的zr含量对镁合金熔体的凝固行为影响十分显著。因此，定量表征含zr量对镁合金熔体凝固行为的影响，发明出一种依据镁合金熔体中的含zr量预测镁合金熔体凝固行为的方法至关重要。

5、镁合金熔体的凝固行为主要表现为熔体在凝固过程中的膨胀行为与收缩行为，本发明提供了一种根据镁合金的含zr量，预测合金在凝固过程中的膨胀率和收缩率的方法。该方法能够为含zr镁合金铸造工艺的制定和改进、提高含zr镁合金铸件质量和成品率等方面提供技术支持和数据支撑。

技术实现思路

1、本发明针对现有的含zr镁合金熔体凝固过程中的膨胀和收缩行为未受重视、相应膨胀率和收缩率无法精准预测和控制的问题，提供了mg-zr系合金凝固过程中膨胀率和收缩率的预测方法。依据镁合金的含zr量，实现镁合金熔体凝固过程膨胀和收缩行为的定量准确预测。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、mg-zr系合金凝固过程中膨胀率和收缩率的预测方法，包括：

4、确定镁合金中锆元素的含量，熔炼所述镁合金，将熔炼后的所述镁合金浇入型腔进行凝固；

5、在凝固过程中，基于所述锆元素的含量，分别构建膨胀率预测模型和收缩率预测模型；

6、基于所述膨胀率预测模型和所述收缩率预测模型，预测所述镁合金的膨胀率和收缩率。

7、优选地，确定镁合金中锆元素的含量，熔炼所述镁合金，将熔炼后的所述镁合金浇入型腔进行凝固包括：

8、当所述镁合金中锆元素的重量百分比不大于2.00％时，在镁合金常规的浇铸温度下，将纯镁在坩埚中熔化，在所述坩埚中加入镁锆中间合金块体，进行搅拌，并在加入和搅拌过程中通入保护气体，得到熔炼后的所述镁合金；

9、将熔炼后的所述镁合金加入熔剂进行精炼，完成扒渣，并在精炼和扒渣过程中通入所述保护气体，得到熔体，将所述熔体浇入型腔进行凝固。

10、优选地，所述凝固过程包括：

11、所述镁合金发生膨胀行为，在发生所述膨胀行为结束后，开始发生收缩行为，直至所述镁合金凝固过程完全结束；

12、其中，所述膨胀行为包括：液相膨胀行为和凝固膨胀行为，所述收缩行为包括：液相收缩行为和凝固收缩行为。

13、优选地，基于所述膨胀率预测模型，预测所述镁合金发生液相膨胀行为的膨胀率包括：

14、基于膨胀率变化范围的第一极值点、膨胀率变化范围的第二极值点、膨胀率随锆含量线性变化的斜率和膨胀率随锆含量线性变化的截距，构建所述液相膨胀行为的膨胀率预测模型，当所述镁合金中锆元素的重量百分比不大于0.35％时，通过所述液相膨胀行为的膨胀率预测模型，获取所述液相膨胀行为中膨胀率的线性变化，预测所述镁合金发生液相膨胀行为的膨胀率；

15、其中，所述膨胀率变化范围的第一极值点为0.350‰，所述膨胀率变化范围的第二极值点为0.250‰，所述膨胀率随锆含量线性变化的斜率为-28.994和所述膨胀率随锆含量线性变化的截距为0.360‰。

16、优选地，基于所述膨胀率预测模型，预测所述镁合金发生凝固膨胀行为的膨胀率还包括：

17、基于所述膨胀率变化范围的第一极值点、所述膨胀率变化范围的第二极值点、所述膨胀率随锆含量线性变化的斜率和所述膨胀率随锆含量线性变化的截距，构建所述凝固膨胀行为的膨胀率预测模型，当所述镁合金中锆元素的重量百分比大于0.35％，并小于或等于1.10％时，通过所述凝固膨胀行为的膨胀率预测模型，获取所述凝固膨胀行为中膨胀率的线性变化，预测所述镁合金发生凝固膨胀行为的膨胀率；

18、其中，所述膨胀率变化范围的第一极值点为0.250‰，所述膨胀率变化范围的第二极值点为0.510‰，所述膨胀率随锆含量线性变化的斜率为27.041和所述膨胀率随锆含量线性变化的截距为0.207‰。

19、优选地，预测所述镁合金发生凝固膨胀行为的膨胀率还包含：

20、基于所述膨胀率变化范围的第一极值点、所述膨胀率变化范围的第二极值点、所述膨胀率随锆含量线性变化的斜率和所述膨胀率随锆含量线性变化的截距，构建所述凝固膨胀行为的膨胀率预测模型，当所述镁合金中锆元素的重量百分比大于1.10％，并小于或等于2.00％时，通过所述凝固膨胀行为的膨胀率预测模型，获取所述凝固膨胀行为中膨胀率的线性变化，预测所述镁合金发生凝固膨胀行为的膨胀率；

21、其中，所述膨胀率变化范围的第一极值点为0.510‰，所述膨胀率变化范围的第二极值点为0.090‰，所述膨胀率随锆含量线性变化的斜率为-44.231和所述膨胀率随锆含量线性变化的截距为0.977‰。

22、优选地，获取所述液相膨胀行为或所述凝固膨胀行为中膨胀率的线性变化的方法为：

23、ye＝kex+be

24、其中，ye为膨胀率，x为镁合金中锆元素的含量，ke为膨胀率随锆含量线性变化模型的斜率，be为膨胀率随锆含量线性变化模型的截距。

25、优选地，基于所述收缩率预测模型，预测所述镁合金发生液相收缩行为的收缩率包括：

26、基于收缩率变化范围的第一极值点、收缩率变化范围的第二极值点、收缩率随锆含量线性变化的斜率和收缩率随锆含量线性变化的截距，构建所述液相收缩行为的收缩率预测模型，当所述镁合金中锆元素的重量百分比不大于0.35％时，通过所述液相收缩行为的收缩率预测模型，获取所述液相收缩行为中收缩率的线性变化，预测所述镁合金发生液相收缩行为的收缩率；

27、其中，所述收缩率变化范围的第一极值点为0.450‰，所述收缩率变化范围的第二极值点为0.750‰，所述收缩率随锆含量线性变化的斜率为12.800和所述收缩率随锆含量线性变化的截距为0.596‰。

28、优选地，预测所述镁合金发生凝固收缩行为的收缩率包括：

29、基于所述收缩率变化范围的第一极值点、所述收缩率变化范围的第二极值点、所述收缩率随锆含量线性变化的斜率和所述收缩率随锆含量线性变化的截距，构建所述凝固收缩行为的收缩率预测模型，当所述镁合金中锆元素的重量百分比大于0.35％，并小于或等于2.00％时，通过所述凝固收缩行为的收缩率预测模型，获取所述凝固收缩行为中收缩率的线性变化，预测所述镁合金发生凝固收缩行为的收缩率；

30、其中，所述收缩率变化范围的第一极值点为0.100‰，所述收缩率变化范围的第二极值点为0.780‰，所述收缩率随锆含量线性变化的斜率为23.609，所述收缩率随锆含量线性变化的截距为0.306‰。

31、优选地，所述液相收缩行为中收缩率的线性变化为：

32、yls＝klsx+bls

33、其中，yls为液相收缩行为的收缩率，kls为液相收缩行为的收缩率随锆含量线性变化模型的斜率，x为镁合金中锆元素的含量，bls为液相收缩行为的收缩率随锆含量线性变化的模型截距；

34、所述凝固收缩行为中收缩率的线性变化为：

35、yss＝kssx+bss

36、其中，yss为凝固收缩行为的收缩率，kss为凝固收缩行为的收缩率随锆含量线性变化模型的斜率，x为镁合金中锆元素的含量，bss为凝固收缩行为的收缩率随锆含量线性变化的模型截距。

37、本发明的有益效果为：

38、本发明适用于常规商用镁合金的熔炼与浇铸工序，通过mg-zr合金的实际zr含量，实现对该合金熔体凝固过程中的膨胀率和收缩率的准确预测。从而为精细化制定或改进镁合金铸造工艺、提高铸造产品质量和成品率提供技术数据支持。该预测方法不受限于浇铸模具对应型腔、铸件、铸锭的尺寸。