（材料加工工程专业论文）半连续铸造az31和az61镁合金大铸锭组织和性能均匀性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 镁合金越来越多的应用于汽车，航空航天，通讯电子等领域。在这些应用领 域，需要大型镁合金型材，这就要求高质量的镁合金铸坯。铸坯中的各种缺陷， 如：组织性能不均匀、偏析、缩孔等，严重制约了镁合金大型型材的应用。镁合 金半连续铸造工艺主要包括浇注温度，结晶器尺寸，拉坯速度和冷却水强度。当 浇注温度和结晶器尺寸一定时，拉坯速度是非常重要的工艺参数，它结合一次冷 却和二次冷却强度最终影响大锭坯径向组织和性能的均匀性。 本文以a z 6 1 和a z 3 1 镁合金为研究对象，通过金相分析、s e m 分析、x r a y 物相分析、显微硬度和力学性能测试等试验方法，研究了半连续铸造, 5 0 0 m ma z 6 1 镁合金大铸锭径向组织和性能的均匀性。研究了均匀化退火对a z 6 1 镁合金铸锭径 向组织和性能的影响。研究了拉坯速度( 3 5 m m m i n 和4 5 m m m i n ) 对, 5 0 0 m m a z 3 1 镁合金大铸锭组织和性能均匀性的影响。 研究结果表明：在半连续铸造中5 0 0 m m a z 6 1 镁合金大铸锭中，从铸锭心部到 边部，晶粒尺寸逐渐减小。心部是较粗大的等轴晶，晶粒大小不均匀，铸锭边部 为明显的细柱状晶，表层细晶区较窄。铸锭中发现有0 c m g ，m g l 7 a 1 1 2 和a 1 8 m n 5 三种化合物。从铸锭心部到边部，第二相百分含量逐渐减少。心部的第二相呈粗 大的块状断续分布在晶界、枝晶界，晶粒基体内含量少。边部化合物较为细小且 弥散分布。从铸锭心部到边部，显微硬度逐渐增大。屈服强度和抗拉强度差异不 大，但由于边部的柱状晶组织，使得铸锭边部的塑性显著降低。经过4 5 0 x 1 5 h 均匀化退火处理后，组织偏析得到消除，大量的第二相化合物溶于基体，但铸锭 各部位仍存在a 1 8 m n 5 相。从铸锭中心到边部，显微硬度值差异明显减小，峰值应 力和应变值分布范围也较小。 半连续铸造拉坯速度为3 5 m m m i n 和4 5 m m m i n 的中5 0 0 m m a z 31 镁合金大铸 锭中心均为等轴晶，铸锭边部均是明显的柱状晶组织。铸态组织中存在m 9 1 7 a 1 】2 和a 1 8 m n 5 两种第二相，铸锭中心第二相粗大且含量较多，铸锭边部第二相较为细 小；提高拉坯速度，第二相析出含量增多。提高拉坯速度，铸态组织显微硬度降 低。铸锭不同部位的力学性能不均匀，铸锭边部延伸率明显低于铸锭中心部位。 拉坯速度影响力学性能的均匀性，提高拉坯速度，力学性能的均匀性降低。经过 4 5 0 x 1 5 h 均匀化退火处理后，a z 3 l 镁合金大铸锭的组织偏析得到消除，大量的 第二相化合物溶于基体，但两种拉坯速度下铸锭各部位都存在大量条状和颗粒状 的a i s m n 5 相。从铸锭中心到边部，显微硬度值差异明显减小，均匀化处理后，拉 坯速度为3 5 m m m i n 的显微硬度值仍高于拉坯速度为4 5 m m j m i n 时铸锭的显微硬度 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 值。拉坯速度为3 5 m m m i n 时各部位的峰值应力和应变值分布范围较小，拉坯速度 为4 5 m m m i n 时仍存在应力值不均匀分布。 关键词：镁合金，半连续铸造，组织，性能，均匀性 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sa r ei n c r e a s i n g l yu s e di na u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n s ， e l e c t r o n i c sa n do t h e rf i e l d s i nt h e s ea p p l i c a t i o n s ，b e c a u s eo ft h en e e d i n go fl a r g e - s i z e d m a g n e s i u ma l l o ys e c t i o n a lb a r s ，h i g h - q u a l i t ym a g n e s i u ma l l o yb i l l e t 而ll a r g es i z ew a s r e q u i r e d v 撕o u sd e f e c t si nt h eb i l l e t s ，s u c ha s u n e v e nm i c r o s t r u c t u r e ，s e g r e g a t i o n ， s h r i n k a g e ，e t c ，h a v es e r i o u s l ye f f e c to nt h ea p p l i c a t i o no fl a r g em a g n e s i u ma l l o y p r o f i l e s s e m i c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o ym a i n l yi n c l u d e dc a s t i n g t e m p e r a t u r e ，m o l ds i z e ，c a s t i n gs p e e da n dc o o l i n gw a t e ri n t e n s i t y w h e nt h ec a s t i n g t e m p e r a t u r ea n dm o l ds i z e i s f i x e d ，t h ec a s t i n gs p e e di sv e r yi m p o r t a n tp r o c e s s p a r a m e t e r s ，w h i c hc o m b i n e st h ep r i m a r yc o o l i n gw a t e ra n ds e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r i n t e n s i t y , a n dh a sa ni n f l u e n c eo nt h eu n i f o r m i t yo f t h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f l a r g e - s i z e db i l l e t s t h ep a p e rf o c u so nt h ea z 6 1a n da z 31m a g n e s i u ma l l o y s b ym e a n so fo m ( o p t i c a lm i c r o s c o p e ) ，s e m ，e d s ，t h ex - r a yd i f f r a c t i o n ，h a r d n e s sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s t i n g ，m a i n l ys t u d yt h eu n i f o r m i t yo ft h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa z 6 1m a g n e s i u ma l l o yi n g o t 、析mt h es i z eo f 中5 0 0 m md i a m e t e r t h e e f f e c t so ft h eh o m o g e n i z a t i o na n n e a l i n go nt h em i c r o s t r u c t u r e s ，s e c o n dp h a s e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 61a l l o yw e r ea l s or e s e a r c h e d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so ft h e c a s t i n gs p e e do nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 3 1a l l o yw e r ea l s o r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r a i ns i z er e d u c e da tt h es e m i c o n t i n u o u sc a s t i n ga z 61 a l l o y , f o r mt h ec e n t e rt ot h ee d g eo fi n g o t t h ea s - c a s ts t r u c t u r ec o n s i s t so ft h er e g i o no f e q u i a x e dg r a i n ，ar e g i o no fc o l u m n a rg r a i na n daf i n eg r a i n e dr e g i o n t h et ) c - m g ， m g l t a l l 2 a n da l s m n 5w e r ef o u n di nt h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r e a tt h ee d g eo fi n g o t ，t h e g r a i n ，t h es e c o n d a r yd e n d r i t ea r ma n dt h es e c o n dp h a s ew e r er e f i n e d ，a n dt h e s o l i d s o l u b i l i t yo fa l l o ye l e m e n t si n c r e a s e d o nt h ec o n t r a r y , t h eg r a i n ，t h es e c o n d a r yd e n d r i t e a r l na n ds e c o n dp h a s e sw e r em a s s i v e ，a n dt h ec o n t e n to fs o l u t ee l e m e n t sr e d u c e da tt h e c e n t e ro fi n g o t 1 1 1 em i c r o h a r d n e s sv a l u ei n c r e a s e df r o mt h ec e n t e rt ot h ee d g eo fi n g o t i nt h ee q u i a x e dg r a i na r e a , t h et e n s i l ep r o p e r t i e sw e r eu n i f o r m i nt h ec o l u m n a rg r a i n z o n e ，t h ee l o n g a t i o ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e d a f t e rh o m o g e n i z a t i o na n n e a l i n gt r e a t m e n to f 4 5 0 x15 h ，t h es e g r e g a t i o nh a v eb e e nb a s i c a l l ye l i m i n a t e d b u tt h ea l s m n 5s t i l le x i s t i na z 61m a g n e s i u ma l l o ym a t r i x t h ei n h o m o g e n e i t yo fm i c r o h a r d n e s sa n dm e c h a n i c a l i i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p r o p e r t i e sr e d u c e d ，s i g n i f i c a n t l y t h ea s c a s ts 仃u c n l r ec o n s i s t so ft h er e g i o no fe q u i a x e dg r a i n ar e g i o no fc o h u n n a r g r a i na n daf i n eg r a i n e dr e g i o ni ns e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n ga z 3 1 a l l o yi n g o t 、析t l lt h e s i z eo f 中5 0 0 m md i a m e t e r t h es e c o n dp h a s e so f m g l 7 a l l 2a n da 1 8 m n 5w e r ef o u n di nt h e a s - c a s tm i c r o s t r u c t u r e a tt h ee d g eo fi n g o t ，t h eg r a i na n dt h es e c o n dp h a s ew e r er e f i n e d ， a n dt h es o l i ds o l u b i l i t yo fa l l o ye l e m e n t si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fc a s t i n gs p e e d ， t h ec o n t e n to fs e c o n dp h a s ei n c r e a s e da n dt h em i c r o h a r d n e s sv a l u er e d u c e d t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w e r en o n u n i f o r m ，a n d e l o n g a t i o n a tt h e i n g o te d g e i s s i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h ea ti n g o tc e n t e r t h ee f r e c tc a s t i n gs p e e do nt h eh o m o g e n e i t y o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 31a l l o yw a sd i s t i n c t i n c r e a s i n gt h ec a s t i n gs p e e d ，t h e h o m o g e n e i t yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e d u c e d t h es e g r e g a t i o nh a v eb e e nb a s i c a l l y e l i m i n a t e db yh o m o g e n i z a t i o na n n e a l i n gt r e a t m e n t b u tt h ea 1 8 m n 5s t i l le x i s ti na z 31 m a g n e s i u ma l l o ym a t r i x w i mt h ei n c r e a s i n go fc a s t i n gs p e e d t h ei n h o m o g e n e i t yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a z 31a l l o yi n g o tw i n ll a r g es i z ed i a m e t e rr e d u c e d k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ，s e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t y ，h o m o g e n e i t y i v 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 镁及镁合金概述 1 1 1 镁的主要物理性能 在所有的结构金属材料中，镁的密度是最低的。其密度是钢的四分之一，是 铝的三分之二。然而纯镁的力学性能较差，在很多情况下并不能满足工程应用， 这也使它的应用范围受到很大限制。其主要物理化学性能【l ，2 】数据如表1 1 所示： 表i 1 镁的基本物理化学性能 t a b l e l 1p h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e s i u m 镁的晶体结构是密排六方( h c p ) ，室温下滑移系较少，镁在室温下的塑性变形 主要依赖于滑移与孪生同时协调运动，而且镁晶体中滑移仅发生在滑移面与拉力 方向相倾斜的某些晶体内，使滑移的发生受极大的限制。孪生是很难发生的，晶 体在变形时很快就会出现脆性断裂。在温度超过2 5 0 * c 时，由于镁晶体中的附加滑 移面被激活，其塑性变形能力会得到改善。在纯镁中添加合金元素，可以显著改 善镁的性能，满足工程应用【3 5 。 1 1 2 镁合金的特点 镁合金的主要优点【6 。1 0 】如下： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 密度低 镁的低密度特点决定了镁合金是最轻的金属结构材料，这在当代是一个很重 要的优势。因为随着能源的消耗，资源的枯竭，节能和可持续发展成为2 1 世纪新 材料的发展方向。如果各个领域都采用大量的镁合金，无疑会大大减轻器件的重 量，减少在运输，起重等过程中的能耗。当汽车的零部件中使用大量的镁合金器 件时，就可以节约大量能源。因此，美、欧、日等发达国家都在设想未来开发出 百公里仅耗油3 l 的新型超轻节能概念汽车。 比强度和比刚度高 比起铝合金和钢，镁合金的强度和弹性模量是较低的，但是由于它的密度小， 具有较高的比强度。其比刚度则与铝合金和钢铁大致相同，但是远远高于纤维增 强塑料。 切削加工性能好 镁合金硬度不高，但是也不会因为太软而粘着，所以镁合金易于切削加工。 它的切削加工速度远远超过其他种类合金。这可以节约加工时间，提高生产效率， 同时降低能耗，另外，镁合金的切削不需要预先处理和添加切削液，就能得到比 较光整的切削加工表面。 良好的电磁屏蔽性能 电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。镁合金 能够起到这方面的作用，被用于制作电磁屏蔽材料。比如很多电子产品和精密仪 器的屏蔽。当然，发出电磁干扰的电子产品也可以用镁合金来制作。 承受冲击载荷能力强，具有良好的减震性能 镁合金的弹性模量小，使镁合金在受到冲击载荷时产生大量的弹性变形来吸 收冲击功，减少由于冲击给材料基体造成裂纹的机会，从而承受较大的冲击外载。 镁合金在弹性范围内吸收的冲击功要比铝高一倍。同时，镁合金还具有优良的滞 弹性和减震性能，抗冲击性能是铝合金的1 0 倍，是塑料的2 0 倍。镁合金在许多 领域被用来降低震动。 散热性能好 散热在大型机械，高度集成的高端电子等领域是一个重要的问题，有时甚至 成为发展的瓶颈。镁合金的散热性能来自于它的导热能力强，现已经有很多散热 的零部件都是用镁合金来制作，比如笔记本电脑散热底座，发动机外壳等等。 易于回收利用 材料是否能回收再利用，是评价一种材料好坏的一个重要指标，如果一种材 料难以回收利用，那么，这种材料越是性能好，对人类来说，它的损失越大，用 一点，就少一点。镁合金的回收利用费用仅占新料成本的4 ，这完全符合环保要 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 求，使得镁合金的再次利用变得容易。回收的镁合金通过重熔再铸，能够较好的 循环利用，对环境带来的污染较小。 镁合金的缺点： 变形能力差 镁合金的变形能力，特别是室温下的变形能力，远不如铝和铁，或者钢。这 是镁的本性所决定的。镁的晶体结构是密排六方，所以镁的塑性变形主要是依赖 于滑移与孪生的共同作用。镁合金塑性变形机理的研究还不完善，镁合金的孪生， 一直困扰着很多，甚至全世界的镁合金研究者，这些问题一时没法解决，镁合金 的塑性变形也就难以完全掌握，带来了不少困难。镁晶体中的滑移只发生在滑移 面与外加拉力方向相倾斜的某些晶体内，这使滑移的过程受到极大的限制，更糟 糕的是，在这种取向下孪生是很难发生的，这时如果外部应力继续加大，晶体很 快出现显微裂纹，导致脆性断裂。只有在温度超过一定温度时，晶体中的附加滑 移系才能开启，它的塑性变形才得到提高。 抗腐蚀能力差 抗腐蚀能力是材料又一重要特性，任何材料，如果被大规模的使用，它就必 然会和其他介质接触，大气，水，土壤等。如果材料的抗腐蚀能力差，那么构件 很快就会被这些介质中的带腐蚀能力的物质侵蚀，造成构件氧化，溶解等现象， 破坏其完整性，同时需要维修替换，增加成本。镁合金的抗腐蚀能力不如铝，铝 可以在其表层生产致密的氧化膜而阻止进一步的氧化，但镁合金被氧化以后，它 表层的氧化膜却是疏松的，而且多孔，起不到阻止继续氧化的目的。同时，镁合 金的电极电位很低，当与其他金属接触时，易发生电化学腐蚀，充当阳极，也易 被腐蚀掉。镁合金的这一特点使镁合金大量用于海洋，船舶工业等的牺牲阳极。 容易燃烧 镁元素与氧元素有极大的亲和力，当处于高温状态时，甚至镁合金材料还处 于固态的情况下，它都很容易与空气中的氧气发生反应，反应时会放出大量的热， 生成的氧化镁膜导热性能差，致使热量不能及时散发，这又促进了氧化反应进一 步进行，如此循环，最终可能导致自燃，甚至发生爆炸事故。 1 1 3 镁合金的应用 自镁元素被发现以来，到了1 8 8 6 年，德国才率先将其应用于工业领域，当时 的产量和使用量均较小。主要用于结构件、烟火制造、化学、电化学和冶金的应 用。如今，镁合金的应用正逐渐的被扩大，越来越多的领域需要镁合金的加入， 钢铁、铝的大量消耗，也需要一种新的材料去弥补，随着镁冶炼成本的降低，和 高性能新型镁合金的不断开发，镁合金，将与我们的生活息息相关。现阶段，镁 合金在交通，航空航天，电子产品及国防领域应用越来越广泛【1 1 。酬。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 汽车领域 进入2 1 世纪，迫于环境、能源的压力，汽车行业在2 0 世纪7 0 年代以来，对 汽车节能和尾气排放标准之上，提出了更为严格的要求。同时，全世界汽车的产 量日益增多。近年来，全世界的汽车数量高速增长，给石油，能源，环境都带来 了极大的压力。在中国，能源短缺已经严重制约了汽车产业的发展，低油耗、低 排放的汽车是循环经济和可持续发展的需要。在汽车的燃油消耗中，主要在发动 机的排量和汽车自重。如果降低汽车的质量，汽车在同样载荷下，可以使用更少 的油量，或者说使用相同的油耗是可以有更多的载荷。现在，镁合金零件在汽车 上的应用已经超过了6 0 种。例如，车身的零部件用变形镁合金来制备，汽车底盘 的承载件可用镁合金锻件来制造。交通行业中的镁合金零件举例如图1 1 所示。在 国内，长安汽车公司，东风日产、一汽等大型汽车公司都在开发各种镁合金汽车 零部件，而且已经取得了很多成果。汽车零部件重量的减少，汽车在运营中的节 约大量的能耗。同时，这些构件足以保证使用质量要求和安全指标。这些优势还 会在汽车更多的零部件上得到应用，进一步减轻汽车重量。 图1 1 镁合金在汽车行业的应用 f i g 1 1t h ea p p l i c a t i o no f m a g n e s i u ma l l o yi na u t o m o b i l ei n d u s t r y 电子工业领域 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 我们生活中的很多电子产品，像电视、电脑、相机、手机等，这些产品的外 壳，已经有很多是镁合金制造的，镁合金在这些电子产品上的应用，会更加刺激 镁合金的使用量，节省钢和铝的用量，同时，镁合金用在这些产品，也有其独特 的功效，如散热、防震等。 航空航天领域 航空航天更加注重飞行器自身的重量，镁合金以其密度小的优势无疑成为这 个领域的必用材料。随着各种高性能的镁合金的不断开发，比如耐热耐蚀性的提 高，强度、塑性和韧性的改善，越来越多的镁合金会取代铝合金和钛合金而得到 亲睐。我国航空航天工业，不论是在飞机，雷达，导弹，还是火箭、卫星、飞船， 都使用到了镁合金构件，有的甚至在一个机器上使用到了上百个镁合金零部件。 随着镁合金制造技术的不断发展，镁合金在航空航天领域的应用还会继续扩大。 国防领域 和平和发展，仍是当今世界的主题，但是，在这个主题的背后，战争仍然是 此起彼伏，国家安全是一个民族发展的重要保证。国防力量的强大，离不开先进 的技术和高性能的材料。镁及镁合金耐冲击，在国防领域有望获得大量应用。利 用镁合金的特点，开发出耐蚀性能相当于铝合金的新型镁合金，结合其轻，比强 度比刚度高的优势，会在很多武器上得到使用。比如枪支机匣，提把，扶手，枪 托，瞄准座等。更多的军用镁合金零部件已经处于开发阶段，将来会有更多的镁 合金军用品。 除了以上这些应用，镁合淦在办公、家用及体育用品等方面，自行车车架、 球拍已经出现在我们身边。随着镁合金新材料新工艺的不断开发，我们相信，镁 合金在材料领域的地位会稳步提高，镁合金的应用领域会进一步扩大。 1 2 半连续铸造镁合金 1 2 1 半连续铸造工艺 传统的铸坯生产主要使用钢锭模，其生产过程是不连续的。较差的凝固组织、 致密度和成分偏析都影响产品的质量。铸锭的铸态组织和性能在轴向和径向都是 不均匀的。连续铸造技术的出现，不仅提高了生产率，降低物质消耗和浪费，同 时内部冶金材料质量得到极大改善。由于连续铸造不是像以前那样注入熔体，凝 固，开坯等繁杂过程，边凝固边拉坯，减少生产环节，降低成本，不用切除缩孔 口，车间、设备投资要求降低。同时，坯料成分组织稳定，性能好，生产的机械 化程度高，劳动强度低，在很多金属力h - r _ 领域被广泛的应用1 1 7 2 1 j 。镁合金熔炼及 半连续铸造工艺过程如图1 2 所示： 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 一次冷却水 却水 图1 2 半连续铸造示意图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g 半连续铸造基本原理：先将金属熔体均匀地导入结晶器中，结晶器通有冷却 水，熔体注入到结晶器中后，受到结晶器冷却水和型壁、底座的冷却作用，开始 结晶，并很快在结晶器外层形成壳层【2 2 j 。继续注入熔体，铸锭机底座下降，同时 已经凝固的和没有凝固的金属液体随着底座一起下降，这时，新的液体要继续注 入，已经凝固的铸锭被拉出时，慢慢脱离结晶器，进入二次冷却水冷却，随着热 量的散出，凝固层不断加厚，向铸锭中心移动，最终全部凝固。就这样不断注入 金属熔体，不断的拉出铸锭，铸锭长度达到一定尺寸后，铸造完成。 图1 3 半连续工艺生产的镁合金大铸锭 f i g 1 3m a g n e s i u ml a r g e - s i z e di n g o tm a n u f a c t u r e db ys e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g 1 2 2 镁合金半连续铸造中的传热原理 对于金属的凝固，熔体从液态到固态，放出的热量多少，是工艺过程的一个 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 重要参数。热量过多，散热越困难，实现控制也增加难度。热量少，散热容易实 现，控制也容易。 采用半连续铸造工艺生产镁铸锭，从镁的熔体流入到结晶器开始，一直到熔 体完全冷却凝固，一共有三次冷却过程。第一次冷却，即熔体注入到结晶器，热 量直接通过热传导使结晶器升温。同时，在一次冷却水的作用下，热量通过结晶 器壁连续不断地导出，由一次冷却水带走。这时，熔体外层便开始了结晶，形成 一层凝固外壳。进入二次冷却。对已经拉出的坯料在结晶器下缘喷射的二次冷却 水，这时铸锭直接与冷却水接触，铸锭温度显著下降，中心部位还没有凝固的液 体也逐渐冷却凝固。经过前两次冷却，熔体基本上全部结晶。但是这时铸锭的温 度依然比较高。这时，铸锭的热量主要是通过传导和辐射散出到周围的相接触的 其他物体和周围的空气中去。这就是第三次冷却。由于半连续铸造是一个阶段性 的连续铸造过程，在一个连续过程内，金属散热过程应该是是一个平衡的过程。 这个热平衡过程，对于获得良好的组织和性能，保证铸造过程的连续进行，都很 重要【2 3 ，2 4 1 。 1 2 3 铸造工艺对铸态组织的影响 在半连续铸造中，当合金的化学元素一定时，影响合金铸态组织和性能的主 要因素是半连续铸造工艺，如结晶器尺寸，拉坯速度，冷却水强度等【2 5 锄】。 铸造速度影响 铸造速度对镁合金半连续铸造的组织和性能均匀性影响很大。对半连续铸造 来说，铸造速度就是结晶器中铸坯的拉坯速度，或者是熔体注入结晶器的速度。 前面已经分析过，拉坯速度越快，则带入的热量越多，散热能力不改变的情况下， 液穴的深度会不断增加，过渡区范围也不断扩大。但是冷却水只能冷却外部极薄 的一层金属液体，而很难达到铸锭的内部，这就在铸锭中心部位留下了大量得固 液两相区和完全的熔体区域。这时，夹杂、气体都不易浮上来，容易产生缩孔， 气泡，偏析等缺陷的产生。同时，如果浇注速度过快，铸锭不同半径尺寸处的温 度差增大，对于获得均匀的组织和性能也不利。但是适量的提高连铸速度，能提 高生产效率。 冷却水强度 在镁合金的半连续铸造的三次冷却过程中，二次冷却水起着重要的作用。而 二次冷却水的冷却作用，取决于它的水压或者水量。二次冷却水在镁合金凝固过 程中带走的热量最多。二次冷却水带走金属凝固时的大多数热量。水量越大，水 温越低，二次冷却水的冷却能力就越强。二次冷却水水量大，可以快速降低铸锭 表面的温度，有利于细化组织，改善铸锭质量。但冷却强度越大，铸锭容易裂纹。 一次冷却水在合金凝固过程中也很重要，它是液态镁合金开始凝固是热量散 7 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 发的开始。要使凝固顺利进行，铸锭表层必须要形成一定厚度的凝固壳层。这个 壳层在后面的凝固过程中起到传热和保护铸锭中心熔体的作用。拉坯时铸锭和结 晶器的摩擦都在这个壳层上面，还补偿液体的静压力，金属凝固的收缩等。在凝 固组织方面，因为一次枝晶的生长是背着散热的方向。所以这还可能决定枝晶的 生长方向，也影响着一次枝晶的尺寸大小。 结晶器高度的影响 结晶器的高度影响半连续铸造铸锭组织的机理如下： 若结晶器越高，则熔体在结晶器中的停留的时间被延长。而熔体中热量的传 导，主要是依靠结晶器出口二次冷却水的激冷作用。这就是说，结晶器高度增加 以后，延长了熔体从注入结晶器到接触到二次冷却水的时间，结果总体上液穴深 度增加，结晶过渡范围增加。但是铸锭的底部情况恰恰相反，二次冷却水使底部 的过渡区宽度反而减少，这相当于在底部增加了二次冷却水的作用，结果铸锭中 心部位的组织相对更加细小，而中心外围的组织粗大。 若结晶器高度低，熔体在结晶器停留的时间短，一次冷却水对其的作用弱化， 很快就接触到了二次冷却水的激冷。这样产生的效果，积极的一面是：细化了铸 锭的晶粒尺寸，改善了铸锭的组织偏析，性能得到了提高。同时表面的质量也得 到了提高。不利的一面是：由于熔体在结晶器停留的时间缩短，一次冷却作用不 是很明显，铸锭壁厚不厚，液穴宽度增加，刚接触n - - 次冷却水的时候，易产生 裂纹。 铸锭直径的影响 铸锭直径也会影响到铸锭组织性能。当铸锭直径大，内部的散热冷却相对均 匀，凝固过程中产生的各种差异减少，铸锭组织比小直径的铸锭要均匀得多。但 是，并不是直径越大，组织越均匀。若铸锭的直径过大，铸锭外围表面离铸锭中 心距离过大。那么在铸锭外围冷却过后，由于周围熔体凝固所散的热量，已经凝 固的壳层厚而传热慢，凝固速度会很慢，枝晶可以长时间的生长。结果中心部位 的晶粒尺寸特别粗大，偏析严重。而表层由于二次冷却水的激冷作用，组织细小， 这种心部和外围的组织差异太大，使性能折扣。 合金元素的影响 合金元素对镁合金铸锭的组织影响十分复杂。在镁合金中加入各种合金元素， 最终的目的是为了提高镁合金的铸造性能和改善后续的加工性能以及使用性能。 而对镁合金来说，由于密排六方的晶体结构没办法改变，室温下的变形能力差， 所以，晶粒尺寸对提高镁合金的力学性能显得更为重要。晶粒细化以后，可同时 提高镁合金的强度和塑性，其耐腐蚀性能和机加工性能也会得到提高。细化晶粒 还可减少镁合金的热裂，缩松等缺陷，改善镁合金热处理过程。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在合金凝固过程中，通过振动或搅拌等方法，比如电磁场搅拌【3 0 。3 2 1 、超声场 搅拌【3 3 。3 5 j ，也可以细化晶粒。同时，在镁合金半连续铸造过程中，通过加入形核 剂，提高非均匀形核，可以有效的细化晶粒【3 6 , 3 7 j 。 在镁合金中加入形核剂，是最为简易的方法。镁合金常用的形核剂的元素主 要有c e 、c a 、s r 等元素。c e 在镁合金中是否能细化晶粒，还存在很多争议。有 的学者认为，在镁合金中加入c e 以后，可以在镁合金熔体中提前形成许多凝结核， 细化金相组织。除此之外，c e 还可以和m g 形成m g l 2 c e 相，使晶界变得很窄， 析出物变得更加弥散。但是，也有一些研究者认为，在镁合金中加入c e ，不但不 可以细化晶粒，反而会粗化晶粒。例如，有著名研究者选用常用的a z 3 1 镁合金， 采用很常用的金属型铸造工艺，通过加入c e 来研究它是否有细化晶粒的效果。结 果是：在a z 3 1 镁合金中加入0 5 1 5 w t c e 的时候，组织的晶粒大小不但没有细 化，反而比没加c e 之前粗大。加入0 5 w t c e 的时候，晶粒尺寸从6 0 1 m l 增加到 了1 6 4 1 u n ，晶粒长大明显。但是，如果c e 含量从0 5 w t 继续上升到1 5 w t ，镁 合金平均晶粒尺寸变化方向又反转。晶粒尺寸开始逐渐减小，却也要比没有加入 c e 之前大【3 8 4 0 1 。c a 元素减小镁合金的晶粒尺寸的效果十分明显。加入的c a 的量 越大，其效果也越好。c a 还可以使镁合金柱状晶的宽度方向和长度方向尺寸减少。 甚至最终变成细化的等轴晶。当0 4 的c a 加入到纯镁中时，镁的晶粒尺寸可以 减小到2 7 0 阻n 左右，这个尺寸对纯镁的晶粒尺寸来说，已经很细小【4 1 舢】。s r 也可 以细化镁合金晶粒，晶粒尺寸变得更细小，更均匀。特别是在镁铝系合金中，它 的作用显得更为重要。不但如此，s r 还可以与镁合金中的氢发生反应，生成s r h ：。 这就减少了镁合金熔体中氢的含量，既可以减轻气孔，还可以改善铸造性能 4 5 - 4 7 】。 金属本性的影响 金属本性，主要是指金属熔体冷却结晶时的结晶潜热。对于体积一定的熔体， 在稳定的连续铸造阶段，金属的本性决定它带入的热量多少。如果带入的热量太 多，在相同散热情况下，凝固的外壳层厚度肯定就要小一些，液穴深度深一些。 铸锭本身的散热能力也是很重要的一个因素，如果已经凝固的壳层散热能力强， 那么里面包住的熔体热量就可以顺利的透过壳层散出，凝固顺利进行。如果导热 能力不好，加上外壳凝固收缩，在壳层和铸型之间形成薄的空气膜，散热进一步 难以进行，而进入激冷的二次冷却水冷却，就会导致热裂等缺陷。 总之，半连续铸造铸锭的组织影响因素很多，拉坯速度和二次冷却水的冷却 在这些影响因素中是最为重要的。要着重控制这两个因素；结晶器高度是另一个 较重要的影响因素，结晶器高增大一次冷却面积，下移二次冷却水的位置，缓和 了二次冷却水的激冷，增加液穴深度。故多采用的是矮的结晶器；铸锭直径也直 接影响着组织，它通过影响铸锭中心和外面凝固层得稳定梯度而影响组织分布； 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 合金元素的加入，非均匀形核的大量发生，不但可以细化晶粒，还可以大大改善 镁合金的机械性能。 1 3 铸态a z 31 和a z 6 1 镁合金研究现状 1 3 1 铸态a z 3 1 镁合金研究现状 a z 3 1 镁合金铸锭的铸态组织，其基体为o c _ - m g 固溶体，在枝晶间和晶界处， 有少量的呈骨骼状第二相m g l 7 a l l 2 。由于微观偏析，在晶界以及枝晶问存在m g l 7 a 1 1 2 第二相分布，使镁合金的热塑性降低，加工性能较差。因此，为保证后续热变形 工艺的实施，必须提高合金组织成分的均匀性，因此，需要对合金铸锭进行均匀 化处理。在均匀化处理过程中，通过溶质原子的扩散，晶内偏析和内应力在一定 程度上能够消除，铸锭化学成分与组织的不均匀性得到改善，其工艺塑性得到提 高。经均匀化处理后的组织，在基体上的枝晶数量大大减少，在枝晶之间以及基 体上仍然存在着少量的m g l 7 a l l 2 第二相。m n 在a z 3 1 镁合金中的作用主要是提高镁 合金的耐腐蚀性能，因为m n 与合金中的f e 元素能形成化合物，最后作为熔渣被排 除，消除了f e 对镁合金耐蚀性的有害影响，同时合金的电位得到提高。因此，一 般用于耐腐蚀性场合的镁铝合金中都含有一定量的m n 。另外，m n 还能够大大改善 合金的焊接性能和耐热性能。m n 元素在a z 3 1 镁合金铸态组织中，大部分形成 a l s m n 5 化合物，但也有少部分以单质m n 存在【4 8 5 0 1 。 郭鹏1 5 l j 等模拟计算了a z 3 l 镁合金圆锭连铸过程温度场，认为冷却水流量和浇 注温度的改变，不会明显的改变凝固过程以及温度场的分布；而铸造速度的改变对 铸造过程温度场的影响较大，铸速越快，凝固壳厚度越薄，液穴较深，而且在一定 范围内，液穴深度随着铸速变化大致同比例增减。铸锭在二次冷却时内部传热最 多，一冷区次之，底模导热最少。赵辉【5 2 】等研究了普通半连续铸造工艺对 q b 9 0 m m a z 3 1 镁合金铸锭铸态组织的影响。认为由于二次冷却水单向导热的影响， 铸锭截面存在尺寸较长的柱状晶，铸态组织中存在严重的成分偏析，越靠近铸锭 边缘，舢和z n 元素的含量较少。张志强【5 3 】等研究了电磁场施及加方式对半连续铸 造a z 3 1 镁合金锭坯组织与性能的影响。结果表明：电磁场的加入，一定程度上能 细化a z 3 1 镁合金铸态组织，第二相变得细小且弥散分布，铸锭径向方向晶粒大小 差别降低。另外，电磁场的加入能提高镁合金的力学性能。余琨【5 4 】等对半连续铸 造a z 3 1 b 镁合金进行热压缩变形研究，其峰值流变应力随变形温度的升高而降低， 应变速率增加，峰值应力增加；变形温度增加，应变速率降低，能充分进行动态 再结晶。 1 3 2 铸态a z 6 1 镁合金研究现状 a z 6 1 镁合金铸态组织中存在m g l 7 a 1 1 2 相，这种相在镁合金中多以树枝状存在， 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 而叶片状较少，颗粒状的也比较少见。而m n 在a z 6 1 镁合金中主要是以a l s m n 5 相存在，只有少部分以单质锰存在。a l 是a z 6 1 镁合金中添加的主要元素，在合 金中起固溶强化作用，同时，也可起着改善其铸造性能的作用。a z 6 1 镁合金的合 金化程度较高，所以在铸造过程中，难以避免的会发生多种凝固缺陷。枝晶偏析 是其中较为严重的铸造缺陷，由于铸态组织大都是树枝状，晶内和晶界的成分有 很大的差别。偏析严重的区域还有粗大的共晶组织。在晶内，各组元的浓度也不 均匀。这些降低了合金的塑性和强度。应力腐蚀倾向也会加重。要消除这些缺陷， 可以对铸锭进行退火处理。退火温度随组织情况和预期性能而定。退火温度的升 高和保温时间的延长，铸态组织会发生相应的变化。偏析会减轻，其他缺陷比如 空位、位错等，也会发生变化。当退火温度和时间达到一定程度后，组织的变化 更明显。第二相m g l 7 触1 2 逐渐溶于基体，大大降低偏析，可以很大程度上提高材 料的塑性和后续加工性能【5 5 。5 8 j 。 王敬丰【5 9 j 等通过铜模喷铸制备了快速凝固a z 6 1 镁合金。由于快速凝固状态下 的冷却速度较高，这使a z 6 1 镁合金的铸态组织更加细小均匀，1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 化合物主 要为颗粒状且弥散分布。大量的舢、z n 溶质原子固溶在o 【m g 基体中，产生的固溶 强化作用，大大提高了a z 6 1 合金的力学性能。于延浩【删等研究了a z 6 1 镁合金的电 磁连铸工艺与力学性能。结果表明：电磁连铸和普通连铸法制备的铸坯凝固组织 和微观相结构相同，但电磁连铸锭的晶粒尺寸较小，第二相弥散分布，较普通连 铸变形镁合金，常温抗拉强度和伸长率分别有所提高，断口形貌显示其具有韧性 断裂的倾向。滕海涛【6 1 】等利用离心铸造工艺制各t a z 6 1 a 镁合金薄壁管，认为离 心铸造镁合金管晶粒得到了显著的细化，平衡凝固条件下的三_ 仅m g + f l - m g l 7 a i 】2 共晶转变在很大程度上被抑制，形成以过饱和初生相6 c m g 为主相的凝固组织，合 金元素的整体分布均衡，合金的力学性能得到提高，塑性也得到了明显改善。 1 4 课题研究的目的及意义 在镁合金的铸造方面，多种铸造工艺相继出现，很多新的铸造技术不断