（材料加工工程专业论文）am60b镁合金的晶粒细化及其在部分重熔过程中的组织演变.pdf

硕上学位论文 摘要 镁合金作为一种新型的工程材料，发展潜力和应用优势毋庸置疑，其应用技术与 开发研究也日益受到国内外的广泛重视。然而鉴于镁合金自身的缺陷及传统成形工艺 的不足，严重阻碍了其应用的发展，而半固态加工技术的出现恰好解决了这一难题， 因此，对镁合金半固态成形工艺的研究意义非常重大。 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或固态向液态转变过程中所具有的特性 进行成形的方法。其中金属锭料的制备是该工艺的基础，本文对晶粒细化及半固态重容 方法制备a m 6 0 b 金属锭料的工艺及相关机理进行了研究探讨，其工艺过程主要包括两部 分：s i c 变质处理细化a m 6 0 b 合金和之后的半固态重熔处理。 实验通过研究s i c 的添加含量、变质温度、熔体的保温时间、金属型温度、浇注温 度、锭料尺寸等对晶粒大小、微观组织的影响，确立了一组s i c 变质法细化a m 6 0 b 合金 的工艺参数：s i c 力1 入量0 2 叭，变质温度7 9 0 * ( 2 ，保温时间0 m i n ，浇注温度7 2 0 ，金 属型温度室温。之后对其细化机理研究认为主要是由于s i c 力n 入合金后反应生成了大量 弥散的a 1 4 c 3 ，而a 1 4 c 3 可作为a m g 原子结晶的非均匀异质晶核，促进结晶，提高形核 率，使合金晶粒细化，反应过程可以用以下方程式表示：3 s i c + 4 a 1 _ a 1 4 c 3 - 1 - 3 s i ； 2 m g + s i - - m 9 2 s i 。 实验随后对部分重熔过程中的组织演变进行了研究。认为其演变过程可分为三个 阶段：细小枝状晶的粗化消失阶段，初生固相颗粒部分熔化所致的球化分离阶段，剩 余初生q 相的粗化阶段。在进一步相变分析认为，组织演变过程可分为以下四个阶段， 即p l 阶段、仅邯一l 阶段、a _ l 阶段和a t = l 阶段。 实验同时还研究了加热温度、初始晶粒尺寸、锭料尺寸对半固态组织的影响。最 终结论得出s i c 对于a m 6 0 b 合金来说是一种有效的晶粒细化剂，晶粒细化及半固态 重容法制备a m 6 0 b 镁合金金属坯料的工艺可以在实际中应用。 关键词：a m 6 0 b 镁合金；晶粒细化；半固态成形；部分重熔；组织演变； i i i a m 6 0 b 镁合金的品粒细化及其在部分重熔过程中的组织演变 a b s t r a c t a san e we n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，t h e p o t e n i a ld e v e l o p m e n ta n da d v a n t a g e s o f m a q n e s i u ma l l o yi su n d o u b t e d h o w e v e r , d u et ot h es e l f - l i m i t a t i o na n ds h o r t a g eo f t r a d i t i o n a lf o r m i n gt e c h n o l o g y ，i ti sh a r dt os p r e a di t sa p p l i a t i o n n o wt h i sp r o b l e mi ss o l v e d b yt h es e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo f m a q n e s i u ma l l o y ss e m i - s o l i df o r m i n g s e m i - s o l i df o r m i n gi saf o r m i n gm e t h o d i tm a k e su s eo ft h em e t a l ss p e c i a l i t yw h e n t h em e n t a lc h a n g e sf r o ml i q u i ds t a t et os o l i ds t a t eo rf r o ms o l i ds t a t et ol i q u i ds t a t e p r e p a r a t i o no fc a s t i n gi n g o ti st h eb a s eo ft h i st e c h n o l o g y t h i st h e s i se x p l o r e st h er e f i n e d g r a i n sa n dt h et e c h n o l o g yo fm a k i n ga m 6 0 bp a r t i a l l yc a s t i n gi n g o ti nt h ep a r t i a l l yr e m e l t e d m e t h o d t i l i st e c h n o l o g ye n c o m p a s s e st w op a r t s ：s i ci n o c u l a t i o nr e f i n e da m 6 0 b a l l o ya n d s e m i s o l i d r e m e l t i n g t h r o u g hs t u d i n gt h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r st ot h er e f i n e dg r a i n sa n dm i c r o c o s i m i c s t r u c t u r e ，i te s t a b l i s h e dag r o u po ft e c h n i c sp a r a m e t e ro fs i ct r a n s f o r m e dr e f i n e da m 6 0 b a l l o y t h ef a c t o r si n c l u d e ：a p p e n dc o n t e n t ，t r a n s f o r m e dt e m p e r a t u r e ，h e l d i n gt i m eo ft h e f u s e dm a s s ，i r o nm o l dt e m p e r a t u r e ，c a s t i n gt e m p e r a t u r e ，d i m e n s i o no fi n g o tm e t a la n ds oo n s i ca f f i l i a t e dq u a n t i t yi s0 2 w t ；t r a n s f o r m e dt e m p e r a t u r ei s7 9 0 ( 2 ；h e l d i n gt i m ei s0m i n ； c a s t i n gt e m p e r a t u r ei s7 2 0 。c 功et e m p e r t u r eo fi r o nm o l di sr o o mt e m p e r a t u r e 髓口s t u d yo f r e f i n e dm e c h a n i s mr e v e a l st h a tt h er e a c t i o no fs i cw i t ha l l o yp r o d u c e saw e a l t ho fd i s p e r s e d a 1 4 c 3w h i l ea 1 4 c 3c a nb eu s e da sh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o no f 伐一m ga t o mr i m ea n ds p e e d s r i m ea n dt h ef o r ma n dc o r e t h ep r o c e s sc a nb ed e m o n s t r a t e da sf o l l o w s ：3 s i c + 4 a i a 1 4 c 3 + 3 s i ：2 m g + s i - - * m 9 2 s i ，n l em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nw a sr e s e a r c h e di nt h es u b s e q u e n te x p e r i e n c eo ft h e p a r t i a l l yr e m e l t t h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nc o u l db ed i v i d e dt h r e es t a g e s ，t h ep e t t y d e n d r i t i cg r a i nw e r ec o a r s i n ga n dd i s a p p e a r , s t r u c t u r es e p a r a t i o na n ds p h e r o i d i z a t i o nd u et o p a r t i a lm e l t i n go fp r i m a r yp a r t i c l e sa n dt h ef i n a lc o a r s e n i n gs t a g eo ft h er e m n a n tp r i m a r y p a r t i c l e s 1 1 1 ef u r t h e rp h a s et r a n s i t i o na n a l y s i sb e l i e v e d ，t h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nc o u l d b ed i v i d e df o u rs t a g e s ，p ls t a g e 、a + p ls t a g e 、a ls t a g ea n da = l s t a g e a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c eo ft h eh e a t i n g u pt e m p e r a t u r e 、t h ep r i m a r yg r a i ns i z e 、 t h ei n g o tm e t a ls i z et ot h es e m i - s o l i dm i c r o s t r u c t u r a lw a sb er e s e a r c h e di nt h es u b s e q u e n t e x p e r i e n c e c o m et o af i n a lc o n c l u s i o n ，s i ci sa l le x c e l l e n tg r a i nr e f i n e rf o ra m 6 0 b m a g n e s i u ma l l o y ，t h et e c h n o l o g yo fg r a i nr e f i n e m e n ta n dp a r t i a l l yr e m e l t e dm e t h e dt o p e p a r ea m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o y c a s t i n gi n g o tc a l lb eu s e di nt h ep r a c t i c e k e yw o r d s ：a m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o y ；g r a i nr e f i n m e n t ；s e m i - s o l i df o r m i n g ； p a r t i a lr e m e l t i n g ；m i c r o s t r u e t u r a ie v o l u t i o n ； i v 硕i j 学位论义 插图索引 图2 1s i c 激光粒度分析图谱9 图2 2 熔炼装置示意图1 0 图2 3 浇铸试样1 0 图2 4 拉伸试样11 图2 5s i c 的加入量对a m 6 0 b 镁合金微观组织的影响( 叭) 1 4 图2 6s i c 加入量与晶粒尺寸的关系1 4 图2 7 细化温度对a m 6 0 b 镁合金微观组织的影响1 5 图2 8 细化温度与晶粒尺寸的关系1 6 图2 9 保温时间对晶粒细化的影响1 6 图2 1 0 保温时间与晶粒尺寸的关系1 7 图2 1 l 模具温度对晶粒细化的影响1 7 图2 1 2 模具温度与晶粒尺寸的关系1 8 图2 1 3 浇铸温度对晶粒细化的影响1 8 图2 1 4 浇铸温度与晶粒尺寸的关系1 9 图2 1 5 锭料尺寸对试样晶粒大小的影响2 0 图2 1 6 锭料尺寸与晶粒尺寸的关系2 1 图2 1 7 晶核结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系2 2 图2 1 8 未加入s i c 及s i c 含量为5 w t 的试样金相照片对比2 3 图2 1 9a m 6 0 b 合金中出现的新相2 4 图2 2 0 铸态a m 6 0 b 镁合金的x r d 衍射图样。2 5 图2 2 l 加入了不同含量s i c 后合金的x r d 衍射图样2 6 图2 2 2d 相的量变与s i c 加入量的关系一2 6 图2 2 3a m 6 0 b 合金中块状组织的电子探针点分析2 7 图2 2 4 a m 6 0 b 合金中引入5 的s i c 后在电子探针下的分析照片2 8 图2 2 5s i c 细化处理前后a m 6 0 b 合金试样断口形貌31 图3 1部分重熔温度对固液相体积比的影响3 3 图3 2热处理温度在6 2 0 时试样中心温度随时间的变化3 4 图3 3部分重熔过程中的组织演变3 6 图3 4 初生q m g 的平均直径与保温时间的关系3 8 图3 5 初生a m g 的形状因子与保温时间的关系3 8 图3 6 试样中初生a m g 等效圆直径d 3 和保温时间t 的关系曲线3 9 图3 7 在6 2 0 时保温不同时间后的扫描电镜照片4 0 图3 8 部分重熔温度对半固态组织的影响4 1 图3 9 初始晶粒尺寸对半固态组织的影响4 2 图3 1 0 细化后合金试样的尺寸效应对组织形态的影响4 4 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权 说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：马彳南、蓄日期：z , , o q6 月t o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：墨彳南室 导师签名：马导k 日期：加矿q 年6 月d 日 日期：j 州，年月l 。日 硕上学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 镁合金的特点及应用现状 1 1 1 镁合金的特点 镁是地壳中分布较广的元素，储蓄量居第八种，其重量约占地壳的2 3 5 ， 海洋的o 13 。由于其化学性质泼，在自然界中仅以化合物形态存在。我国镁资 源丰富，分布广泛，菱镁矿总储量达2 7 亿吨，其质量和储存量均居世界第一位， 白云石矿4 0 多亿吨。因此我国有着极为显著的发展镁合金产业的优势。镁合金作 为一种新型的工程材料具有以下特点【l - 4 】： ( 1 ) 现在应用当中最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚性，优于钢、 铝。密度约为铝的2 3 ，钢的1 4 ，镁合金的强度接近于铝合金，但镁合金的比强 度明显高于铝合金和钢，比刚度则接近铝合金。( 2 ) 具有高的阻尼性，吸震、减 震性能极佳。( 3 ) 良好的抗冲击和抗压缩能力，其抗冲击能力是塑料的2 0 倍。 ( 4 ) 具有较大的铸造适应性，除砂型铸造外，还可金属型铸造、压力铸造、壳型 铸造、石膏型铸造、低压铸造等几乎所有特种铸造工艺。( 5 ) 较高的尺寸稳定性 和稳定的收缩率。( 6 ) 相变收缩率约为铝合金的1 3 ，缩孔倾向小。( 7 ) 比热 和结晶潜热小，所以流动性好、凝固快，铸模生产率比铝压铸高出4 0 5 0 ， 最高可达压铸铝的2 倍。( 8 ) 镁合金的切削阻力小，具有良好的机械加工性能。 ( 9 ) 在大气中，镁具有很好的耐蚀性，比铁的耐蚀性好。( 1 0 ) 具有高的散热性， 很适合制作元件密集的电子产品。( 11 ) 非磁性金属，抗电磁波干扰，具有优于 铝合金的电磁屏蔽性能。( 1 2 ) 材料回收率高，符合环保要求。另外，镁合金还 具有抗疲劳性、无毒性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点，可适合于某些 特定领域。 由于镁的这些特点，被称为2 1 世纪的“绿色 工程材料，其发展潜力和应用 优势毋庸置疑，镁合金的应用技术与开发研究也受到国内外镁业生产企业和政府 的重视。随着镁冶炼技术的不断提高，以及人们对能源和环境保护的高度重视， 近年来镁合金用量的增长速度远远高于其他金属材料。 1 1 2 镁合金的分类 工业镁合金内主要有的添加元素分别为m n 、a i 、z n 、z r 和稀土的5 个基本 合金体系：m g m n 、m g a 1 一m n 、m g a i - z n m n 、m g z r 、m g z n z r 、m g 稀土z r 、 m g a g 一稀土一z r 和m g y 稀土一z r 等。此外，t h 也是镁合金中添加元素之一，因 a m 6 0 b 镁合金的品粒细化及其住部分暖熔过程中的组织演变 t h 具有放射性，现已基本不用。另外，根据镁合金中是否含z r 又可分为含z r 镁 合金和不含z r 镁合金；按加工工艺也可划分为铸造和变形合金两大类。除以上常 用镁合金外，还有其他一些新系镁合金，如m g z n c u 系，典型合金有砂铸合金 z c 6 3 和变形合金z c 7 1 ；m g l i 系合金，其中l a l 4 1 a 和l s l 4 1 a 已在航空航天 工业得以应用。 近来，结合新工艺方法，一些新型镁合金体系得以开发和应用：快凝( r s p ) 合金，如e a 5 5 r s ；非晶镁合金，如著名的三元合金m g m l n ，其中m 为c u 或 n i ，l n 为l a 系元素，如y ；金属基复合材料( m m c ) ，如以s i c 、玻璃、a 1 2 0 3 和 石墨等作为纤维强化添加剂的a z 9 1 ，a z 3 1 及m g l i 系合金等。这些合金的强度 比一般镁合金的高得多，甚至高于一般铝合金的强度1 5 , 6 j 。 1 1 3 当今镁合金应用的主要领域 镁合金是迄今在工程中应用的最轻的金属材料，和其他金属材料相比，具有 一系列优越的性能。从2 0 世纪4 0 年代开始，镁合金首先在航空航天及军工领域 得到了优先应用，之后逐步发展，广泛地应用于交通运输、3 c ( c o m p u t e r ， c o m m u n i e a t i o n ，c o n s u m e te l e c t r o n i c sp r o d u c t s ) 、生物医用材料等领域【7 ，17 1 。 ( 一) 航空航天及军工领域 镁合金的特点可满足于航空航天及军工等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、 防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量，可使 武器轻量化，以更好满足现代战争远程快速部署的要求。 ( 二) 交通运输领域 镁合金在交通领域中的应用包括汽车工业、摩托车工业、自行车工业等。镁 合金零件的好处可简单归纳为：1 可减轻车身重量，提高加速和减速性能，减少 行驶过程中的燃油消耗量；2 镁合金耐冲击、阻尼性好，用于壳体可降低噪声， 用于座椅、轮圈可以减少震动，提高安全性和舒适性；3 镁具有良好的铸造性和 尺寸稳定性，容易加工，废品率低。 ( 三) 通讯电子行业 镁合金集优异的薄壁铸造性能、良好的比强度比刚度、极佳的减震能力、高 的散热性、良好的防电磁波功能等诸多优点于一身，能充分满足3 c 产品高度集 成化、转薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽、散热和环保的要求。因此，当前在 手机、笔记本电脑、p d a 、c d 机、数码相机、摄像机、m p 3 、便携d v d 、对讲 机等行业，也已掀起了镁合金外壳及零部件研发与应用的热潮。 ( 四) 生物医用材料 镁合金作为硬组织植入材料，具有一系列突出的优点，如：密度小( 约为 1 7 9 c m3 ，接近人骨的密质骨密度1 7 5 9 c m ) 、比强度和比刚度高、加工性能好、 2 硕l 学位论文 弹性模量较低( 和人体匹配，能有效缓解应力遮挡效应) 等。另外，镁合金还参与人 体内一系列新陈代谢过程，包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力。 1 1 4 镁合金成形方法及存在的问题 传统的金属成形主要分为两种：一种是金属的液态成形，利用液态金属呈现 出良好的流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直至凝固结束，如铸造、液态 模锻、液态轧制、连铸等；其发展趋势是采用机械压力替代重力填充，从而改善 成形件内部质量和尺寸精度，但从凝固机制角度看，凝固加工想要完全消除成形 件内部缺陷是极其困难的，甚至是不可能的，从而影响了金属件的性能，凝固过 程中的常见缺陷有缺肉和冷隔、裂纹、气孑l 、夹杂、缩松、偏析等。另一种是金 属的固态成形，利用金属的塑性流动性，以完成成形过程中的形变和组织演变， 如轧制、锻造、冲压、挤压等；与液态成形相比，采用固态成形的产品质量明显 好，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，设备也很庞大，因此要消耗大 量能源，对于复杂零件往往需要多道成形工序才能完成；因此，降低加工能耗和 成本、减小变形阻力、提高成形件尺寸精度和表面与内部质量成为固态成形的发 展方向1 1 8 , 1 9 】。 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的m c f l e m i m g s 教授等提出了一种金 属成形的新方法，即半固态加工技术。半固态加工是利用金属从液态向固态转变 或固态向液态转变( 即液固共存) 过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新 的成形加工方法综合了液态成形和固态成形的长处，即加工温度比液态低、变形 抗力比液态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的 零件。半固态加工被国外有的专家称为2 1 世纪最有前途的材料成形加工方法，与 普通的加工方法相比，具有许多独特的优点【2 0 】： 黏度比液态金属高，容易以控制：模具夹带的气体少，减少氧化、改 善加工性，减少模具黏接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁 度，易形成自动化和新加工工艺。 流动应力比固态金属低。半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力 非常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加 工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高 速成形，加工成本低。 应用范围广。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用 于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复 合及成形。 镁晶体为密排六方结构，独立滑移系比较少，致使镁合金的室温塑性较低， 直接塑性加工能力较差，因此实际生产中很少采用锻压、轧制、挤压等塑性成形 3 ) ) ) 1 2 3 a m 6 0 b 镁合金的品粒细化及其住部分重熔过样中的组织演变 方法加工，大部分镁合金制品都是用铸造方法成形( 世界镁合金铸件的9 3 是用压 铸工艺生产的) 。铸造成形过程中，由于多数镁合金凝固温度范围宽以及冷却条件 和溶质的再分配等因素，使合金熔体通常以枝状晶组织形式凝固；对于镁合金， 无论是冷室压铸还是热室压铸，都将使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填压 铸型腔，气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形成许多弥散分布在压铸件 内的高压微孔，铸件质量不高。用传统压铸法生产的镁合金件不能进行热处理强 化，也不能在较高温度下使用，严重阻碍了镁合金应用的发展【2 卜2 8 】。半固态成形 技术的出现恰好解决了这一难题，因此，对镁合金半固态成形工艺的研究意义非 常重大，它不仅对镁合金的成形工艺的完善有很好的益处，而且对镁合金应用的 进一步推广有很大的推动作用。 1 2 镁合金与半固态加工技术 金属半固态加工就是在金属凝固过程中，得到一种液态金属母液中均匀地悬 浮着一定球状初生固相的固液混合浆料( 固液组分一般为5 0 左右) ，即流变浆 料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态流变成形；如果将 流变浆料凝固成坯锭，按需要将此金属坯锭切成一定大小，然后重新加热( 即坯 料的二次加热) 至金属的半固态区，这时的金属坯一般称为半固态金属坯料。利 用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形。因为半固态金属 坯料的加热、输送工艺较为方便，并易于实现自动化操作，因此半固态金属触变 成形是当今金属半固态成形中最主要的商用工艺方法；相比较而言，流变成形虽 然省去了二次加热，使生产流程缩短、相对成本较低，但其工艺过程控制难度要 大一些，因此要想进入工业化生产还有待进一步研究【2 0 1 。本课题中镁合金的半固 态成形加工技术便指的是镁合金的触变成形加工技术。 十几年来，关于半固态加工实验方面的研究主要集中在：( 1 ) 浆料的制备， 先后开发出了机械搅拌法、单辊旋转法、电磁搅拌法、超生振动法、直流脉冲法 等制备方法；( 2 ) 半固态加工材料的成形，先后开发了压铸成形、模锻成形、注 射成型和连铸成形等加工工艺【2 们。本课题中主要研究的是镁合金半固态坯料的压 铸成形；在金属半固态成形工艺中，半固态金属浆料或坯料的制各是该成形工艺 的基础，以下将对浆料的制备方法做一些简单的介绍： 1 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌制备法是目前所发明的半固态金属浆料或坯料的制备方法中最成功 的一种方法，在实际半固态金属成形应用中占据主导地位。电磁搅拌方法是利用 电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金 属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织【2 9 , 3 0 】。电磁 搅拌不会污染金属浆料，金属浆料纯净，也不会卷入气体，电磁参数控制方便灵 4 硕j j 学位论文 活。将电磁搅拌技术与连铸技术相结合可以生产连续的搅拌铸锭，这是目前工业 应用的主要生产工艺方法。电磁搅拌法的缺点是：( 1 ) 由于感应电磁力从熔池边界 到半固态浆料中心呈衰减的趋势，因此这种方法不适合制备大尺寸的半固态金属 锭料；( 2 ) 交变磁场，电能消耗大；( 3 ) 能源供给、定子等装置体积大而且成本高； ( 4 ) 熔融金属四周有凝固外壳形成时，搅拌效果大大减弱。 2 ) 机械搅拌法 机械搅拌法是制备半固态合金最早使用的方法，其设备简单，分为间隙式和 连续式两种，通过搅拌使初生树枝晶破碎而成为球团状【3 1 1 。但由于搅拌温度、搅 拌速度和冷却速度等工艺参数不易控制，容易卷入气体，搅拌器与熔体接触易造 成合金液污染等，不易保持产品质量的一致性，且半固态成形坯料的晶粒尺寸较 大，一般为2 0 0 1 a m 左右。因此，目前在工业生产中很少采用，大多用于实验室研 究，并主要集中于铝合金的制备【3 2 , 3 3 】。总的来说，机械搅拌是一种能产生高剪切 率以及实现大容量搅拌的有效方法，但是仍存在以下缺点：( 1 ) 搅拌器与搅拌器内 壁之间容易形成环形死区，死区内由于得不到充分搅拌而使半固态浆料的性能恶 化；随搅拌槽尺寸增大，死区内半固态浆料的粘度会变大，从而导致区域内晶粒 粗化，这将直接影响浆料整体的均匀性。( 2 ) 搅拌器直接受到浸蚀，寿命低；另外 还会对熔融的金属产生污染。( 3 ) 半固态浆料的固相率一般在3 0 6 0 范围内，固 相率 6 0 时，浸渍在半固态金属浆料中的回转搅拌器有停止或破损的危险。( 4 ) 棒 料连铸时，半固态金属浆料经由搅拌槽下方时容易产生氧化。 3 ) 变形诱变激活法 变形诱变激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将这种具有细小晶粒 的金属锭热态挤压变形，而且变形量要大( 2 0 左右) 。通过变形破碎铸态组织，随 后对热变形的坯料再施加以少量的冷变形，在组织中预先储存部分变形能量。最 后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到固液区并适当保温。在加热 保温加过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中， 得到具有触变性的半固态坯料f 3 4 , 3 5 】。该法制备的金属坯料纯净、产量大，对制备 较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，但由于增加一道预变形工序， 不仅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制。工业中用这种方法生产小型零件毛坯。 4 ) 晶粒细化及半固态重熔方法 半固态等温热处理法是2 0 世纪9 0 年代中期新发明的一种方法。该方法首先利 用化学晶粒细化剂制备晶粒细小的金属锭料，再将该锭料重新加热至金属固液两 相区的温度范围内进行适当温度内进行适当时间的保温处理，便可获得非枝晶的 流变组织。它与应变诱发熔化激活法相比省去了预变形，与机械搅拌法和电磁搅 拌法相比省去专门制备半固态组织的工艺，可在半固态成形之前的二次加热中实 5 a m 6 0 b 镁合金的品粒细化及其在部分重熔过程中的细织演变 现非枝晶化。该工艺的技术关键是选择适当的晶粒细化剂【2 引，但由于合适的晶粒 细化剂极其有限，因此此种方法只能在某些合金中得到应用。 另外还有一些锭料的制备方法，如：超声振动方法、单棍旋转方法、喷射沉 积方法、粉末冶金方法、低过热度浇铸方法等，但都各有优缺点，其中大部分尚 未进入实际应用，有待进一步研究。通过分析对比可以看出，晶粒细化及半固态 重容法是一种较好的半固态锭料制备方法，该法操作简单、过程易被控制，便于 进行实验观察，且工艺简单、效率高。但其工艺的技术关键是是否能够找到适当 的晶粒细化剂对原始合金组织进行细化，为此本文对m g a 1 系合金a m 6 0 b 的晶 粒细化进行了研究，以期得到晶粒细小的金属锭料，满足半固态加工工艺的需求。 1 3 镁合金的晶粒细化 在金属半固态成形工艺中，半固态金属锭料的制备是该成形工艺的基础，对 于晶粒细化及半固态重熔方法制备半固态金属锭料来说，晶粒细化是技术的关键， 因此有必要对合金的晶粒细化作进一步的研究与探讨。不止如此，晶粒细化还是 提高金属材料力学性能的重要措施，根据h a l l p e t c h 从式o v = o o + k d 。1 尼，( 式中o v 为 材料的屈服强度，g o 为单晶体的屈服强度，k 为常数，d 为晶粒尺寸) 可知，晶粒越 细，屈服强度越高。同面心立方的a l 合金相比，密排六方的镁合金的k 值约为铝 合金的4 倍，因此，晶粒尺寸的大小对镁合金强度的影响更大，晶粒细化已成为生 产高性能优质镁合金铸件的关键技术f 3 6 1 。目前，国内外对此也已作了大量的研究 工作，主要在以下4 个方面：机械形变处理细化晶粒；采用挤压铸造细化晶粒： 利用快速凝固粉末冶金法细化晶粒；通过合金化细化晶粒【3 7 】。 1 3 1 非合金化细化晶粒 1 ) 机械形变处理细化晶粒 通过剪应力或压应力下的大应变量的机械形变，能使镁合金晶粒得到细化。 就镁合金而言，在大应变的变形过程中，晶粒不仅被挤压变形，获得较大的畸变 能，而且在其内部还产生许多亚结构和孪晶，有的晶粒甚至被破碎；变形的同时 镁合金会完全或部分地发生连续的再结晶转变，在原晶界和孪晶界上形成大量的 等轴细小晶粒，这就是机械形变细化晶粒的机理。 2 ) 挤压铸造细化晶粒 挤压铸造是在高于重力铸造几个数量级的压力下进行的，其压力范围般为 7 0 1 5 0 m p a 1 0 】。由于高的充型压力增大了合金本身及其与铸型之间的传热系数， 所以挤压铸造中镁合金的冷却速度极快，可达2 8 2 s ( 重力铸造下为1 1 s ) ，因 而能显著地提高镁合金过冷度和形核率，有效地细化镁合金晶粒。 3 ) 快速凝固粉末冶金法细化晶粒 6 硕上学位沦文 快速凝固粉末冶金法( r s p m ) 包括快速凝固制备粉末和粉末固化成形两部 分，其中快速凝固制粉技术是晶粒细化的关键【3 8 l 。由于快凝技术及设备能提供 1 0 5 s 的冷却速度，合金液便能在极大的过冷条件下凝固，得到非常细小晶粒 组织的粉末，其晶粒尺寸可达10 0 2 0 0 n m 。镁合金粉末的固化成形温度一般为 3 0 0 4 5 0 1 2 ，由于其粉末中含有弥散分布的氧化物，能阻碍晶粒在高温下长大，所 以在较宽的温度范围内，镁合金粉末均能保持细小晶粒组织。可见采用快速凝固 粉末冶金法，完全有可能制得细晶、超细晶甚至纳米晶的镁合金产品。 1 3 2 合金化细化晶粒 合金化细化晶粒法就是在镁合金熔化后将具有细化作用的熔剂添加到合金熔 体中，通过熔剂和合金体反应获得细小晶粒的一种晶粒细化工艺。根据其细化机 理不同，可分为3 类细化合金元素：促使异质形核细化晶粒类：通过钉扎作用细 化晶粒类；抑制晶粒生长而细化晶粒类【3 7 】。 ( 1 ) 促使异质形核细化晶粒 该类元素包括s b 、z r 、c e 、混合稀土和含碳化合物等。其中，z r 由于会与 a l 形成化合物a 1 3 z r ，恶化合金性能而不能用于m g a 1 系合金中，其余的均可应 用于m g a i 系合金中。可作为晶粒细化剂的含碳化合物很多，如二氧化碳、乙炔、 天然气、碳酸钙、碳酸镁、固体石蜡、粒状石墨、灯黑、六氯乙烷、六氯苯等。 其细化机理认为主要是由于在高温下分解并反应生成了大量的a 1 4 c 3 质点，由于 a 1 4 c 3 为高熔点高稳定性化合物，并且a 1 4 c 3 与a m g 均为六方晶系，且晶格常数 相近，在镁合金液凝固过程中非连续分布于q m g 晶界，并作为a m g 结晶的异质 晶核，促进结晶，提高形核率，达到细化镁合金晶粒的目的。 ( 2 ) 通过钉扎作用细化晶粒 此类元素包括s i 、c e 、r e 等，在m g a 1 系合金中分别以高熔点的汉字状 m 9 2 s i 、棒状的a l l l c e 3 或针状a l l l c e 3 分布于晶界，且难溶于伐m g 固溶体，具 有高的热稳定性。在镁合金液凝固过程中，仅m g 固溶体发生结晶，将热稳定相向 晶外推移，最终使热稳定相在晶界处弥散分布或连续网状分布，阻止a m g 固溶 体晶粒继续长大，起到钉扎晶界的作用，从而细化了镁合金的组织结构。由于热 稳定相的存在及其钉扎作用，即使镁合金在固溶温度下保温，晶粒仍不会长大。 ( 3 ) 抑制晶粒生长细化晶粒 该元素主要是c a 元素。c a 元素( 一般s 0 1 ) 在m g 合金中不形成任何中间相， 在0 【m g l n 溶体中溶解度很低，但能大量溶3 , 1 3 相( m g l 2 a l l 7 ) 中，以游离c a 原子形式 存在，c a 元素是通过抑制生长机理来细化镁合金晶粒。一方面，在镁合金凝固过 程中，合金液所含少量的c a 原子在固液界面前沿的扩散层内形成成分过冷，使处 于该过冷区的其他部分可能的形核质点被激活，进而导致更多晶核产生而细化晶 7 a m 6 0 b 镁合金的品粒细化及其住部分重熔过程中的细钐 演变 粒；另一方面，由于c a 原子的扩散速度较慢，在界面处阻碍了晶粒生长，限制了 晶体的生长速度，从而使晶粒细化。 合金化细化晶粒的方法相对于其它方法具有成本低、操作方便、工艺易掌握 等优点，因而在科研和应用中受到了人们的广泛关注。对于合金a m 6 0 b 来说， 如前所述不能用z r 来细化，较成功的细化工艺是碳质孕育法，传统的细化剂如 采用m g c 0 3 、c 2 c 1 6 等，都存在诸多不足之处：( 1 ) 存在着难以引入的问题，有的 需要加入较大量的细化剂，容易向合金中引入杂质；( 2 ) 某些工艺细节及原理还不 甚明了，工艺相对不易掌握；( 3 ) 细化效果有限，不能完全满足实际应用中的需要。 s i c 是近年来开发的一种新型含碳细化剂，其在m g a i 系合金中的细化效果较为 突出，但同时存在着难以引入、细化原理还不甚明了的问题，本文试验成功的向 a m 6 0 b 合金熔体中引入了s i c 颗粒，取得了较为明显的晶粒细化效果，后续的半 固态重容实验证明细化后的坯料能够满足半固态加工工艺的需求，与其它碳质孕 育法细化工艺相比，此工艺具有工艺简单易操作、成本低等优点。目前学术界对 s i c 在熔体中的作用还没有形成明确统一的认识，对这一问题的分析涉及到对碳 质孕育法细化机理深层次的理解，对细化工艺的进一步完善和新型细化剂的开发 都有着重要的意义，因此本文同时对s i c 的细化机理进行了分析研究。 1 4 本文的研究内容 为满足a m 6 0 b 合金半固态加工工艺的需求，本文实验采用晶粒细化及半固态 重容方法制备了晶粒细小的金属锭料，解决了该成形工艺的基础问题。实验首先 向a m 6 0 b 合金中引入s i c 颗粒，研究其细化工艺；之后对细化后的金属锭料在部 分重熔过程中的组织演变进行研究。具体研究内容如下： 1 晶粒细化工艺的研究，包括 ( 1 ) 研究s i c 的添加含量、添加温度、熔体的保温时间、金属型温度、浇注 温度、锭料尺寸等对晶粒尺寸、微观组织的影响，确立s i c 变质处理法对a m 6 0 b 合金细化处理的最佳工艺； ( 2 ) 分析s i c 对a m 6 0 b 合金的细化机理，解释实验现象； ( 3 ) 研究晶粒细化对a m 6 0 b 合金力学性能的影响，解释性能变化的原因。 2 部分重熔过程中的研究，具体为 ( 1 ) 研究细化后的a m 6 0 b 合金锭料在部分重熔过程中的组织演变，并从相 变的角度深入分析部分重熔过程中的组织的演变规律及机理。 ( 2 ) 研究加热时间、加热温度、初始晶粒尺寸、锭料尺寸对半固态组织的影 响。 8 硕j j 学位论文 第2 章s i c 对a m 6 0 b 镁合金的晶粒细化效果 与机理分析 如第1 章所述，在金属半固态成形工艺中，晶粒细化是晶粒细化及半固态重 熔法制备半固态金属锭料的技术关键；不止如此，晶粒细化还是提高金属材料力 学性能的重要措施，对密排六方的镁合金的来说意义尤其重大，已成为生产高性 能优质镁合金铸件的关键技术，因此有必要对合金的晶粒细化作深一步的研究与 探讨。 本章实验针对a m 6 0 b 镁合金进行了晶粒细化处理。实验从s i c 的添加含量、 细化温度、合金液保温时间、金属型温度、浇注温度和锭料尺寸六方面研究了s i c 对a m 6 0 b 镁合金晶粒细化的影响，确立了利用s i c 细化a m 6 0 b 合金的细化工艺， 同时还对其细化机理进行了分析与研究。 2 1 实验方法 2 1 1 材料 实验用a m 6 0 b 镁合金的化学成分见表2 1 。 表2 1a m 6 0 b 镁合金化学成分( w t ) ， 细化剂的制备：( 1 ) 实验所用的s i c 粉末经激光粒度分析( 如图2 1 所示) 得出颗粒平均直径约为1 6 9 m 。( 2 ) 机械搅匀：s i c 粉末与镁粉混合比例l ：3 ， 所用球磨机型号q m 1 s p 4 - c l ：球磨机运行参数，转速2 0 0 转分，运行时间2 小 时。( 3 ) 压实成块状：机械搅匀后的混合粉末在w d w - 10 0 d 微机控制电子式万 能力学试验机上压实成块状，受力面压强大小约为3 0 m p a 。 9 a m 6 0 b 镁台盘的品丰立细化及其在挪分堕熔过崔中的! h 纵演娈 实验采用的熔炼装置如示意图22 所示熔炼过程中采片ja r 气和r j 一2 号覆 盖剂复合保护方式防止镁合金氧化燃烧，精炼剂选用c ：c 1 6 。 图22 熔炼装置示意图 l 进气管：2 电阻炉：3 坩埚4 镁合金熔体5 热电偶6 防护盖 2 1 2 实验过程 模具清理：模其预热后，在金属