（材料加工工程专业论文）冷却速度对镁铝系合金凝固组织影响的研究.pdf

摘要 论文题目：冷却速度对镁一铝系合金凝固组织影响的研究 学科专业：材料加工工程 研究生：罗红斌签名：变釜毯 指导教师：袁森教授签名；彳经 摘要 为了改善镁铝系合金的高温抗蠕变性能，提高其塑性和韧性，必须深化对镁一铝系 合金的凝固机制，特别是m g - m 9 1 7 a 1 1 2 共晶组织的形成机制的认知，这将有助于通过调整 合金成分，改进铸造条件，来控制合金的凝固组织，以获得性能良好的铸件。 本文采用不同的铸型条件，以获得不同冷却速度，制备了铝含量从3 w t 3 8 w t 的 宽成分范围的镁合金凝固试样。采用o m 、s e m 等手段观察了合金的显微组织，采用x r d 定量分析计算了阶梯金属型试块两个区域显微组织中m g l 7 a 1 1 2 相的质量分数，采用d s c 和t e m 分析了在近共晶成分的合金中出现的特殊共晶组织，依据凝固动力学、热力学理 论分析了镁铝合金共晶生长机制。研究结果表明： 冷却速度的影响作用是：随冷却速度增大，初生树枝晶的晶粒越小，二次、三次枝 晶臂发达。在铝含量较低时，随冷却速度增加，凝固组织中b 相的析出量增加；在铝含 量较高时，随冷却速度增加，凝固组织中b 楣的析出量反而减少。冷却速度对共晶成分 合金凝固组织中b 相的析出量几乎没有影响。冷却速度增大，增加了在b 相形核前形成 大过冷度的可能性，使共晶b 相趋向于以离异方式生长。高冷速下发达的树枝晶生长也 会增大形成离异共晶组织的倾向。 m g - a 1 系合金的共晶形貌有着多种类型。随铝含量的增加，共晶组织经历了完全离 异、部分离异、粒状到纤维状和层片状共晶的转变这一系列转变是一个连续的过程，粒 状共晶可以看作是规则共晶( 共生生长) 和非规则共晶( 分离生长) 的一种过渡形貌。共 晶的质量分数处于3 0 5 0 范围内是m g m g l 7 a l u 规则共晶一非规则共晶的过渡区，在 此范围内还会受到冷却速度和初生枝晶形貌影响。 在普通铸造的冷却速度条件下，近共晶成分m g - a l 合金的凝固过程中，有可能会形 成一种带有板条状鱼脊特征的树枝状共晶组织。即先析出板条状共晶，然后以板条状共晶 为树枝主杆，侧向生长出纤维状共晶作为分枝，形成一种特殊形貌的树枝状共晶组合体。 这种共晶形貌在以前的文献中尚未见报道。 关键词：镁一铝系合金：冷却速度；凝固组织：共晶形貌；先析出板条状共晶 a b s t r a c t t i t i e ：s t u d y0 nt h ei n f l u e n c e s0 fc o o l i n gr a t e0 n s o u d i f i c a m o nm i c r o s t r c t u r eo fm a g n e s i u m - a l u m l n u m s y s t e m a l l o y s m a j o r m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g n a m e , h o n g b l nl u o s u p e r v i s o r ：p r o f s e ny u a n a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丛幻丛 s i gn a t u r e ：抚馓丘私 a nu n d e r s t a n d i n go ft h es o l i d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fm a g n e s i u m a l u m i n u m a l l o y s ， e s p e c i a l l y , t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fm g - m g l t a i l 2e u t e c t i c ，i se s s e n t i a li no r d e rt oi m p r o v et h e h i g l l - t e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t a n c e ，t o u g h n e s sa n dp l a s t i c i t yo fa l l o y s i tw i l l e n a b l et h e c o m p o s i t i o na n dc a s t i n gc o n d i t i o n so fm g - a ia l l o y st ob et a i l o r e dt op r o d u c es o u n dc a s t i n g s i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oo b t a i nd i f f e r e n tm i c r o s t r u e t u r e su n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s ，t h e m a g n e s i u m a l u m i n u ma l l o y s , r a n g i n gw i d e l yf r o m3 w t t o3 8 w t o fa l u m i n u mc o n t e n t , w e r ec a s ti nd i f f e r e n tm o u l d t h em i c r o s t m c t u r e so fa l l o y sw e r eo b s e r v e db yu s i n go ma n d s e m t h ew e i g h tf r a c t i o u so fm 9 1 7 a 1 1 2 - p b a s ei nt w od i f f e r e n tz o n e so fs t e p - t y p es t e e l - m o u l d s a m p l e s m i c r o s t m c t u r e sw e r ec a l c u l a t e dt h r o u g hq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fx r d t h es p e c i a l s t r u c t u r e si nn e a r - e u t e e t i ca l l o y sw e r ea n a l y z e db yu s i n gd s ca n dt e m t h ee u t e c t i cg r o w t h m e c h a n i c sw e r ea n a l y z e db a s e do nt h et h e o r yo fs o l i d i f i c a t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h ei n f l u e n c e so ft h ec o o l i n gr a t ei st h a t , t h es i z eo fp r i m a r yd e n d r i t eg r a i n sb e c o m e s s m a l l e rw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o o l i n gr a t e , a n ds e c o n d a r yo rt e r t i a r yd e n d r i t i ca m sw e l l d e v e l o p i n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t ew i l ll e a dt om o r ep r e c i p i t a t eb - p h a s ei nt h es o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t t t r e ，w h e nt h ea l l o y sh a sl o wa l u m i n u mc o n t e n t w h e r e a s , i n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t e w i l ll e a dt ol e s sp r e c i p i t a t e1 3p h a s ei nt h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e ，w h e nt h ea l l o y sh a sh i g h a l u m i n u mc o n t e n t c o o l i n gr a t eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo na m o u n to fp r e c i p i t a t e1 3 - p h a s ei ne u t e c t i c a l l o y i n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t ew i l li m p r o v et h ep o s s i b i l i t yo fr e a c h i n gah i g hu n d e r e o o l i n g b e f o r en u c l e a t i o nt h ebp h a s eo c c u r s , w h i c hm a k e se u t e c t i c1 3p h a s et r e n dt og r o w 髂d i v o r c e d e u t e c t i e t h ew e l ld e v e l o p e dd e n d r i t e sw i l li n c r e a s et h et e n d e n c yo ff o r m i n gd i v o r c e de u t e c t i e t h ee u t e c t i cm o r p h o l o g i e so fm g - a 1s y s t e ma l l o yh a v es e v e r a lt y p e s w i t ht h ei n c r e a s i n g o fa l u m i n u mc o n t e n t ，t h ee u t e c t i cm o r p h o l o g yc h a n g e sf r o mf u l l yd i v o r c e dt op a r t i a l l yd i v o r c e d , 西安理工大学硕士学位论文 t og r a n u l a r , t of i b r o u sa n dl a m e l l a r t h et r a n s i t i o n sa r ec o n t i n u o u 8 ，a n dg r a n u l a re u t c c t i cc a n s e e ma st r a n s i t i o n a lm o r p h o l o g yb e t w e e nr e g u l a re u t e e t i c ( c o u p l e dg r o w t h ) a n di r r e g u l a r e u t e c t i c ( s e p a r a t e dg r o w t h ) i ti st r a n s i t i o nr e g i o n ，w h e r et h ew e i g h tf r a c t i o no fe u t e c t i cr a n g e s f r o m3 0 t o5 0 i nt h i sr e g i o n , t h em o r p h o l o g yo fe u t e c t i cw i l lb ea l s oe f f e c t e db yc o o l i n g r a t ea n dm o r p h o l o g i e so fp r i m a r yd e n d r i t e s u n d e rc o o l i n gc o n d i t i o no fc o m m o nc a s t s ，t h ep l a t e - l i k eh e r r i n g b o n ed e n d r i t i ce u t e c t i c m a yf o r mi nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n go fn e s r - e u t e e t i cm g - a ia l l o y s t h a ti s ，p l a t e - l i k e e u t e c t i cp r e c i p i t a t e sf i r s t l y , a n df i b r o u se u t e e t i c sg r o wl a t e r a la sb r a n c h e sf r o mt h ep l a t e - l i k e e u t e e t i c , w h i c hs e e m 5a st r u n ko ft r e e t h ee u t e c t i cc o m b i n a t i o nc h a r a c t e r sas p e c i a lt r e e l i k e m o r p h o l o g y , w h i c hh a sn o tb e e nr e p o r t e di nf o r m e rl i t e r a t u r e s k e yw o r d s ：m a g n e s i u m - a l u m i n u ms y s t e ma l l o y ：c o o l i n gr a t e ：s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e ； e u t e e t i cm o r p h o l o g y t p r i m a r yp r e e i p i t a t e 【lp l a t e - l i k ee u t e c t i c 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致跚的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：翠邋j 唧年j 月丫日 学位论文使用授权声明 本人玺蔓i 盘在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后。适用本授权说明) 论文作者签名：弹 导师签名： 鼬7 年 a 矽b 绪论 1 绪论 1 1 引言 2 1 世纪的人类社会发展将更加强调保护环境、节约能源以及持续发展三大主题。目 前全世界汽车尾气排放的c 0 2 所造成的污染占大气污染的6 0 7 0 。当今举世瞩目的 温室效应和臭氧保护层破坏等都与汽车排放的污染物有关，汽车排放的污染被认为是世界 重大公害之一，已严重地危害到人类的生存和发展。汽车制造业力求通过提高燃油效率来 减小空气污染，为了达到这一目标，方法之一就是使用更轻的结构材料来减小交通工具的 重量，而且材料可以回收，因而人们期待着用镁合金作为轻质材料应用于汽车，以减轻汽 车重量、节约能源、降低污染、改善环境。减轻重量同样是其他一些行业追求的目标，镁 合金已经广泛地应用于摄像器材、移动电话和小型电器等3 c 产品。镁及镁合金具有越来 越受到人们的关注，被誉为2 1 世纪的绿色工程材料n 叫。 镁资源十分丰富，为地球上储量最大的元素之一( 位列第八位) ，海水是镁元素的主 要来源，0 1 3 的含镁量，实际上是取之不竭的。中国镁蕴藏量居世界第一，镁资源约占 全球总量5 0 以上，菱镁矿、白云石分佃遍及全国各省区，其中辽宁省大石桥地区的菱 镁矿储量居世界首位。 美、欧、日等发达国家投入大量人力和物力，实施多项大型联合研究发展计划，研究 镁合金制造汽车零部件，目前镁合金压铸汽车零部件至少已超过6 0 种。世界各大汽车公 司已经将镁合金制造汽车零部件作为重要发展方向，极力争取将更多的镁合金零部件应用 于汽车，并将其作为汽车技术领先的重要标志之一“州。 我国镁出口量居世界第二，现有的镁冶炼能力已达4 3 万吨年( 2 0 0 4 年) ，成为世界 的镁业大国，镁锭的出口量占世界的四分之一1 9 , 1 0 | e 但j , t 成形技术却相对落后，镁锭廉 价出口，同时又以几倍、几十倍的高价从国外进口镁合金产品，因此，提高本国的镁合金 加工成形技术应该是我国镁工业发展的重点。 1 2 镁及镁合金的性质 1 2 1 镁元素的性质 镁的原子序数为1 2 ，相对质量分数为2 4 3 2 ，电子结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于周期表 中第3 周期第2 族。镁的晶体结构为密排六方结构( 见图1 - 1 ) ，在2 5 x 2 时的晶格常数为： a = 0 3 2 0 2 n m ，o = 0 5 1 9 9 n m i 晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 ，箭头所指的是独立的滑移系方向 镁在2 0 ( 2 时的密度只有1 7 3 8 9 c m 3 。 在温度低于5 3 7 k 时，m g 只有3 个滑移系，所有滑移系都平行于基i 面( o o o l l | 1 1 1 m g 原子半径较大，而且具有较强的电负性，所以大多数合金元素在镁合金中的固溶度较 低，倾向于与m g 形成化合物，这些化合物在基体中容易粗大化。当合金元素较少时，形 成的金属间化合物量不是很多，大部分化合物相以离异共晶的形式析出，形成沿晶界以及 西安理工大学硕士学位论文 枝晶间分布的粗大形态，这种形态不利于合金的力学性能。在变形过程中，粗大的化合物 相割裂了基体，使合金中的变形几乎不可能发生，而且脆性的化合物相内部以及与基体的 界面容易出现裂纹，所以在提高镁合金的性能时，阻止化合物的粗大化，改善其形态是非 常重要的。 图卜1 镁的密排六方晶胞结构 f i g 1 1h e x a g o n a lc u b ec r y s t a ls t r u c t u r eo fm a g n e s i u m 1 2 2 镁合金的性能优势 相比于其他结构材料，镁合金具有以下独特的性能优势： 轻，比强度和比刚度高，是一种优良的、轻质结构材料。镁合金的密度约为 1 7 4 9 c m 2 ，为铝合金的2 3 ，钢铁的1 “，但比强度和比刚度均优于铝合金和钢铁，远远 高于工程塑料。 减震性能好，具有较高振动吸收性，用于产品外壳可减少噪音传递。用于运动零 部件，可吸收振动，延长零件使用寿命。 无磁性，具有良好的电磁波屏蔽性能，因此被用于电子产品。 尺寸稳定性商，因环境温度和时间变化造成尺寸变化小。 良好的散热性，仅次于铝合金。 压铸性好，铸件最小壁厚可达0 6 n n n 。 良好的切削性能，具有低切削力、高的切削效果，长的刀具寿命。 可1 0 0 回收，是一种优良的可再生利用金属材料。 1 2 3 合金元素对镁合金组织和性能的影响 工业纯镁的力学性能很低，不能直接用作结构材料，通常添加合金元素的方法改善镁 的力学及其他性能。镁的合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径，其他 方法往往都是建立在镁的合金化的基础上的。镁合金中每种合金元素有着不同的特点和作 用，下面对镁合金中主要的几种合金元素予以介绍1 1 2 1 。 a l 铝在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为1 2 7 ，而且随温度的降低 显著减少，在室温时的固溶度为2 o 左右。铝可改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度。 但是m g l 7 a l l 2 相在晶界上析出会降低抗蠕变性能。特别是在a z 9 1 合金中这一析出量会达 2 绪论 到很高。在铸造镁合金中铝含量可达到7 - 9 ，而在变形镁合金中铝含量一般控制在 3 - 5 。铝含量越高，耐蚀性越好。但是，应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加。 z n 锌在镁合金中的固溶度约为6 2 ，其固溶度随温度的降低而显著减少。锌可提 高铸件的抗蠕变性能锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高镁合金的疲劳极限。 m n 锰在镁中的极限溶解度为3 4 在镁中加入锰对合金力学性能影响不大，但 降低塑性，在镁合金中加入1 - 2 5 锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而 提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。 s i 硅可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能。因为在晶界处可形成细小弥散的 析出相m 9 2 s i ，它具有c a f 2 型面心立方晶体结构，有较高的熔点和硬度。 r e 向镁合金中添加微量的稀土元素可以起到细化晶粒的作用，稀土元素与其他合 金元素形成强化相，提高合金的力学性能和高温抗蠕变性能，因此常用于合金的变质剂。 缺点是价格较高。 1 2 4m g - a i 合金的凝固过程 a 平衡凝固过程 根据m g - a i 二元平衡相图( l 3 1 对于成分为m g - 9 a i 的合金，当冷却至相图中的液相 线温度时，合金首先发生匀晶反应：i 厂a ，当温度下降到固相线时匀晶反应结束，伴随着 缓慢的冷却过程，a l 原子通过扩散使a m g 的成分趋于均匀化。随着a - m g 继续冷却到固 溶线以下时，b 相将开始从过饱和的a 固溶体中沉淀析出，这一过程一直持续至室温。因 此m g - 9 a i 合金平衡结晶组织为a 固溶体与b ( m g l 7 a 1 2 ) 沉淀相的混合物，8 相主要弥散分 布于晶内，没有共晶组织。 b 非平衡凝固过程 假设在固相内不存在溶质扩散时，成分为m g - 9 a 1 的合金不平衡凝固过程如图1 2 所 示凝固结束后固相的中心浓度为b c 线，并不随温度的降低而变化固- 液界面处固相 一侧的浓度，沿固相线b d 向着d 点变化。即使新结晶的固相，其浓度达到d 时，已凝 固部分的平均成分也只是在图中的e 点，达不到最初的合金成分9 ，这意味着凝固并没 邀零 怵枇成分f m g a l ( ) 图1 2m g - 9 a i 合金在固相内无扩散时的凝固过程 f i g 1 - 2 t h es o l i d i f i c a t i o np r o i n g o f m g - g a i a l l o y , n od i f f u s e i ns o l i d p h a 3 西安理工大学硕士学位论文 有终结。由于e 点溶质含量低于d 点，使残余液体溶质富集，达到f 点的共晶成分，最 后发生共晶反应。所以，凝固后的组织中，在a 相的晶界处会出现共晶组织，即在非平 衡条件下，即使合金的成分在d 点以左，仍然会在晶界处出现共晶组织，由于剩余共晶 液相少而以离异方式生长凝固组织相对平衡状态的偏移，随合金凝固时冷却速度的增大 而更加显著。 1 3 镁一铝合金凝固组织控制研究现状及发展 m g - a l 系合金是最早用于铸件的二元合金系，该合金系既包括铸造合金又包括变形合 金，是目前牌号最多、应用最广的系列，因此对于m g - a 1 系合金加工成形技术及性能的研 究也最为充分。m g - a i 合金的缺点是室温塑性、韧性较差，高温抗蠕变性能差。例如最常 使用的镁合金a z g l d ，抗拉强度2 0 0 m p a 左右，延伸率只有2 ( 砂型铸造) ；1 0 0 时开始 发生蠕变，最高服役温度为1 2 5 2 m g - a l 合金强韧化和提高合金高温抗蠕变性能是国内外研究的热点，研究集中在对 凝固组织进行控制，细化晶粒，改善晶粒形貌。目前，已得到发展和应用的提高铸造镁合 金性能的技术主要有变质处理法、熔体过热法、半固态法等。 1 3 1 凝固组织的微细化 实现凝固组织的微细化是提高力学性能的重要措旌。 根据h a l l p e t c h 公式1 1 4 1 s y - - s 0 + k d 1 2 ( 1 1 ) k o c m 2 t 。 ( 1 2 ) 式中，s 广材料的屈服强度； s 旷单晶体的屈服强度； 1 0 一常数； d 一晶粒尺寸； m 泰勒因子( t a y l a r sf a c t o r ) ： t 广剪切应力。 由式( 1 1 ) 可知，晶粒越细，枝晶间距越小，屈服强度越高。根据式( 1 2 ) 可知， 常数k 与泰勒因子m 的平方成正比，通常泰勒因子依赖于滑移系的数目。同面心立方金 属( 如铝合金) 相比，密排六方的镁合金的滑移系有限，泰勒因子较大，镁合金的k 值 约为铝合金的4 倍( m g 的h a l l p e t c h 系数k = 2 8 0 m p a m 忱，a l 的系数k = 6 8 m p a , , m - 1 2 ) 。 因此，镁合金晶粒尺寸的大小对强度影响更大，见图1 - 3 1 4 1 由图可知，细化镁合金晶粒 尺寸能显著提高其力学性能，这对推广镁合金的应用具有重要意义。 晶粒细化到一定程度可以保证多晶镁具备充分的塑性变形能力。纯镁晶粒尺寸细化 到8 z m 以下时，其延性转变温度可降至室温。若采用适当合金化及快速凝固工艺细化到 拙m 时，甚至在室温下镁合金亦具有超塑性，其延伸率超过1 0 0 0 1 5 1 4 绪论 d - t a 图1 - 3 晶粒尺寸( d ) 对镁合金和铝合金强度( s v ) 的影响“” f i g 1 - 3 t h e i n f l u e n c e o f g r a i n s i z e 0 1 1s t r e n g t h o f m a g n e s i u m a n da l u m i n u m a l l o y s 镁合金铸态晶粒细化技术主要指在浇注前或铸造过程中通过改变铸造工艺参数( 如 冷却速度等) 、添加合金元素、晶粒细化剂或对合金熔体施加强烈的外力( 如强磁场、超声 波、机械搅拌等) 等以使合金获得细小晶粒的工艺措旋或方法。 1 3 2 对合金熔体进行变质处理 变质处理( t g 称孕育处理) 是指向合金熔体中微量的元素以获得细小等轴晶粒结构 的方法。目前广泛采用对镁一铝合金进行变质处理的方法，来改变合金的显微组织，从而 提高合金的性能。 ( 1 ) 文献【1 6 】研究了c 对镁一铝合金的细化机制，认为c 在m g 中有限固溶，并 且固溶度受温度影响而改变，因此m g 合金凝固过程中c 在固液界面被排挤出，被排挤 出的c 元素将在很大程度下影响固液界面的成分过冷度，限制晶粒的长大。已结晶的晶 体周围的液体进一步过冷，从而其他晶粒能够更容易地在此区域形核。 ( 2 ) 文献【1 7 】研究了f e 对高纯镁铝合金的细化机制，实验表明以无水f e c l 3 的 形式添加f c 能够细化高纯镁铝合金( 含m n 量小于1 0 p p m ) 。 ( 3 ) 文献【1 8 】研究了c a 的添加对于a z 9 1 镁合金的显微组织和机械性能的影响 表明c a 的添加能够细化合金的显微组织，减少m 9 1 7 a 1 1 2 相的数量，在a z 9 1 镁合金中形 成了新相a l z c a 证实了c a 的添加提高了a z 9 1 合金室温的强度和韧性。 ( 4 ) 此外，在镁合金中加入稀土元素细化晶粒也是最近研究的热点文献【1 9 2 3 】 研究了c c 、n d 、y 等稀土元素和混合稀土( m m ) 对镁铝合金的变质作用。 1 3 3 熔体过热法 熔体过热法是早期用于m g 舢系合金的一种晶粒细化工艺，其工艺原理是将合金熔体 过热到高于熔点的某一温度范围内( 通常在1 8 0 3 0 0 范围内过热) 并保温较短的时间后， 快速冷却到浇注温度进行浇注。研究表明2 4 , 2 3 采用熔体过热法可以获得良好的晶粒细化 5 西安理工大学硕士学位论文 效果。 p e n gc a o 等人2 酊对熔体过热法细化镁合金的影响因素作了总结，认为： ( 1 ) a i 是熔体过热法细化镁合金的关键，过热法对m g - a i 系合金的细化效果比其他 合金系都显著； ( 2 ) 过热法细化晶粒很大程度上受f c 和m n 的存在的影响； ( 3 ) 过热法会引起凝固开始前过冷度的减小； ( 4 ) 过热法细化晶粒的程度会受到合金中t i 、z r ： g l b e 等元素的抑制，即使只是微量 的存在； ( 5 ) 成功的晶粒细化需要合适地控制过热温度和时间，需要迅速地将熔体从过热温 度冷却到浇注温度，然后立即浇注； ( 6 ) 过热效果通常在重熔后消失。 1 3 3 半固态成形细化组织并改善合金性能 金属半固态成形的原理2 7 , 2 s 1 是指在金属凝固过程中，对其进行剧烈的搅拌或扰动、 或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固等，使初生树枝晶的网络骨架 结构被打碎，形成分散的颗粒状组织，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状或 近球状初生固相的固液混合浆料，固相分数一般控制为4 0 6 0 。这种浆料具有独特 的流变性和触变性，可以用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，获得半固态制品。 半固态成形加工温度低，易于控制，磨具使用寿命长，半固态制备的材料晶粒圆整，晶粒 尺寸明显减小，因此半固态成形是m g - a ! 合金强韧化的一个重要研究方向。 非技晶组织半固态坯料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、半固态等温处理法 应变诱发熔化激活法( s m 队) 、化学晶粒细化法等。 文献1 2 9 1 研究了工艺参数对电磁搅拌制备半固态a z 9 1 镁合金的影响规律。在电 磁搅拌条件下得到蔷薇状或粒状a m g ，随电磁搅拌功率的增大，蔷薇状形态逐渐消失， 固相颗粒趋于粒状和圆整。 半固态等温热处理( s e m i - s o l i di s o t h e r m a lh e a t - t r e a t m e n t ，简称s s r r ) 是2 0 世纪9 0 年代中期发展的一种方法，它省略了半固态非枝晶坯料制备的步骤，而是在半固态成形前 的二次加热过程中实现半固态非枝晶化，其工艺过程简单、成本低廉。半固态等温热处理 可使未变质处理和变质处理的a z 9 1 d 镁合金都能由枝晶转变为球状晶组织 文献 3 0 ，3 1 】研究了等温热处理温度和保温时间等工艺参数对a z 9 1 d 镁合金半固态 组织演变和成形性的影响半固态等温热处理可以将普通金属型铸造的a z 9 1 d 镁合金锭中 的枝晶组织转变为球形晶粒组织 s m 认是预先铸造出晶粒细小的镁合金铸锭，再将镁合金铸锭进行一定的预变形， 然后加热到固相线和液相线之间( 半固态) 的某一温度，在加热过程中，先发生再结晶，然 后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成镁合金半固态材料3 2 1 6 绪论 翟秋亚等人3 3 通过挤压态a z 9 1 镁合金的s i m a 法，获得以a m g 等轴晶为主相，与极 少量细粒状成串分布于a m g 基体上的m 9 1 7 a 1 1 2 颗粒组成的两相组织，基体中存在大量的大 角度亚晶及高密度的位错缠结。在二次加热过程中，原子扩散通道多，晶界液化及颗粒球 化所需的加热温度低，等温时间短。5 6 5 等温5 m i n ，即可获得固相率为5 7 ，颗粒平均 直径为5 8 a n 、形状圆整、分布均匀的半固态组织。等温时间延长，半固态颗粒发生长大， 其长大机制为o s t w a l d 熟化。 等径道角挤压是一种很好的细化工艺，它可以获得较大的塑性应变量。把这种工艺 引入到镁合金半固态制坯工艺中是一种有益的探索。等径道角挤压工艺能在不改变坯料尺 寸的前提下细化晶粒，并且使晶粒获得大的应变诱导。把等径道角挤压与二次重熔结合在 一起，这也是一种新的应变诱导熔化激活法( s i 诅a ) 。这给s i m a 法在镁合金半固态制 坯工艺上的迸一步应用开辟了一条新路。 姜巨福等人饼1 对经过等径道角挤压后的坯料在二次加热处理过程，不仅晶粒得到很 好的球化，而且晶粒尺寸也得到很好的细化。二次加热组织中，晶粒尺寸已经达到5 吮m 以 下，最小的晶粒尺寸可达到2 叽m 左右。 1 4 本课题的研究背景及意义 1 4 研究背景 目前，尽管镁合金铸态晶粒细化技术已得到很大的发展，但与铝合金相比仍然存在以 下两方面的较大差距。一方面，镁合金还缺乏可广泛用于不同合金系的可靠的通用晶粒细 化剂，如已发展的各种晶粒细化方法的使用范围都局限在某一特定的合金系，有时甚至局 限在某一特定成分的合金；另一方面，已发展的各种细化方法的细化机理还没有完全建立， 虽然目前已提出了许多镁合金晶粒的细化行为及理论，但它们都因有各自存在的不足而难 以提供令人满意的解释。也正是由于这些原因，造成目前在工业实践中多采用经验方法来 进行镁合金的晶粒细化处理。 对于具有共晶相析出的高铝含量镁合金，共晶组织为a ( m g ) + b ( m g l 7 a 1 1 2 ) ，b 相为复 杂结构的金属化合物，质硬而脆，若以聚集状析出，会使伸长率下降，必须进行控制。 m g - a i 系合金铸态显微组织与铸造方法有关。采用金属型铸造时，铸件的冷却速度 比砂型时快得多，因此其a - m g 晶粒与晶界上的f l - m g t t a l l 2 相的尺寸都比砂型的细，而且 离异共晶b - m 9 1 7 a i l 2 相周围的黑色沉淀组织( 二次1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 相) 也比砂型的少同样道 理，当采用压铸( 高压铸造) 的方法时，镁合金的铸态组织将比金属型的还要细密，往往 在晶界上只能观察到非连续网状离异共晶的a - m 9 1 7 a 1 1 2 相3 5 1 。 目前，m g - a i 合金的强韧化方法几乎都是基于细化初晶相，而对于影响凝固组织中 的共晶组织的研究还很少。e m g u t m a n 等人1 对压铸和金属型铸造a z 9 1 合金进行了 研究，通过实验观察到了在不同冷却速度下的合金组织中有着不同的b 含量：与金属型 铸件相比，在冷却速度更快的压铸件中b 相含量更高。同时铸型预热温度、浇注温度等 7 西安理工大学硕士学位论文 工艺参数对于最后的组织都有一定的影响。 以上研究说明，m g - a l 系列合金的共晶凝固组织受工艺因素的影响很大，特别是冷 却速度。铝在a m g 中高度偏析，冷却速度越大，在初生a - m g 枝晶中，铝的偏析倾向也 越大。当a l 含量较小、合金处于相图中的固溶体区时，冷却速度增大，非平衡凝固组织 大量析出，以离异共晶b 相为其特征；但当含量处于共晶成分附近时，冷却速度增大， 却有可能促使大量高a l 含量的a 固溶体相析出，共晶凝固受到抑制，共晶组织数量减少。 md n a v e 3 等人已经对m g - a 1 合金系的共晶组织形貌进行了研究，提出t m g - m 9 1 7 a 1 1 2 共晶组织可能以层片状、纤维状、粒状、部分离异和完全离异这五种形貌中的任 意种出现，而且这种转变是一个连续的过程。随着铝含量从共晶成分( m g - 3 3 w t a 1 ) 降低至纯镁，共晶组织的形貌逐渐地从层片状到完全离异共晶；而冷却速度的增加使共晶 组织的形貌向着增加铝含量相反的方向转变。 金属或合金的最终晶体形貌不仅取决于晶体的长大方式，还取决于固液界面前沿的 温度梯度、溶质浓度梯度、热流的方向及散热强度。 1 4 2 课题的意义 相比于其他结构材料，镁合金具有低密度、较高的比强度和比刚度、优良的导电导 热性和阻尼性能、优异的铸造性和可加工性，因而受到工业界尤其是汽车和电子行业的瞩 目。与其他镁合金相比，m g - a i 系合金由于相对低廉的价格，良好的铸造性能和机械性能， 在商业用镁合金中占相当大比重，而铸造是镁铝合金部件最常用的加工工艺。 阻碍镁一铝系合金更广泛使用的两个主要缺点，其一是镁一铝合金有限的高温抗蠕变 性能，限制了它在引擎和动力系统部件的应用，不得不开发一些价格较高的含有硅或稀土 的合金嘲1 ；其二是随着铝和锌含量的提高，合金的延展性下降。 当镁合金的含铝量超过2 w t ，b ( m g l t a l l 2 ) 析出相将会出现在晶间，有利于合金 的室温机械性能。由于冷却和凝固速度的不同，b 相可能会表现出不同的大小和形貌。固 溶和时效处理可以不同程度地提高合金的抗拉强度和延展性，但遗憾的是，对于含有弥散 分布的显微缩松缺陷和气孔的压铸件，由于可能会引起孔洞扩张和表面爆裂的问题，热处 理几乎不能用于此类铸件另外，b 析出相为立方结构，与密排六方方结构的m g 基体不 一致，且熔点只有4 3 7 温度升高扩散加速，b 相将会立即软化和粗化，因此b 相是制 约合金的高温抗蠕变性能的关键因素哪! 。 因此，正确认识m g - m 9 1 7 a 1 1 2 共晶组织的凝固过程机制，对于克服镁一铝合金的这两 个主要缺点是有必要的这将使得有可能通过调整成分和铸造条件等措施，来得到理想的 显微组织，即最小的显微缩松和最大的延展性、蠕变强度。 液态金属的凝固方式及其所决定的凝固组织直接关系着金属制品的使用性能。因此， 对液态金属的凝固方式进行研究，在金属材料研究领域具有十分重要的意义 1 5 本课题的主要研究内容 8 绪论 本课题拟对以上所提问题进行系统性的研究与分析，即在较宽的范围内改变m g - a l 合金中的a l 含量，在普通铸造条件下，采用不同铸型及阶梯试块两种方案，以获得不同 的冷却速度，研究m g - a 1 系列合金凝固组织变化规律，特别是8 相的结晶特征，具体内 容为： ( 1 ) 普通铸造的非平衡凝固条件下，m g - a l 系列合金凝固组织随冷却速度的变化规 律。包括共晶( a + b ) 组织的析出数量、生长形态、分布特征，特别是b 相的结晶长大规 律 ( 2 ) 运用晶体学和凝固理论分析非平衡凝固条件下低铝含量镁合金出现离异共晶组 织的机制和规律。 ( 3 ) 由于在低铝含量镁合金中共晶b 相的析出受初生相的限制较大，故通过对高铝 含量镁合金凝固组织的观测，分析b 相的析出方式和结晶形貌特征，以期能够为寻求控 制镁一铝合金中b 相的数量、形貌和分布状态的有效工艺措施，提供理论上和工程实践上 的参考，最终达到提升铸造m g - a 1 合金力学性能的目的。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 实验材料及方法 2 1 实验合金材料及铸型 ( 1 ) 本次实验所用的m g - 舢系不同成分合金材料，为纯度9 9 7 的纯镁锭及9 9 7 纯铝 锭熔化配制而成。 ( 2 ) 铸型材料准备 为获得不同冷却速度的合金试样，采用不同的材料的铸型，即砂型、金属型和石墨 型金属型做成阶梯状，以获得不同厚度的试样。铸型材料为： 型砂为红砂：硫磺：硼酸= 1 0 0 ：3 ：1 阶梯型金属铸模使用低碳钢加工而成，见图2 - 1 。 毳彦黝 i i i 区li i 区i 区 图2 - 1 阶梯金属铸型 f i g 2 - 1t h es t e p - t y p es t e e lm o u l d 石墨型采用高纯石墨电极材料加工而成，试棒尺寸为# 2 0 x1 2 0 r a m 。 2 2 实验设备 实验过程中所用设备如下： 合金熔炼：3 0 0 0 w 井式电阻炉。 温度控制：镍铬镍硅( k 型) 热电偶。 合金成分分析：m e t a l - l a b7 5 精密火花光谱仪。 t e m 样品制备：m t p 1 a 型磁力驱动双喷电解减薄仪， f i s 咖0 n 】巳_ 1 0 1 0 型离子减薄仪。 微观组织观察：n i k o n e p i p h o t 光学显微镜。 j s m - 6 7 0 0 f 场发射扫描电子显微镜( s e m + e d s ) 相分析：x r d - 7 0 0 0 型x 射线衍射仪， 试验材料及方法 j e m 3 0 1 0 型高分辨透射电子显微镜。 微区成分分析：o x f o r d i n c a x 射线能谱仪( 扫描电镜与透射电镜配套) 。 热分析：n e t z s c hd s c2 0 4f 1 差示扫描量热仪。 2 3 合金成分设计及熔制 2 3 1 合金的成分设计 为了更好地认识m g a 1 系合金凝固组织，特别是初生相与共晶组织的凝固形貌和形 成机制，本次试验配制了铝含量从3 w t 到3 8 w t 的镁合金。 2 3 2 合金的熔炼及浇注 清理坩埚，准备工具和辅料。新坩埚在使用前采用煤油渗透及x 射线检验，证明无 渗漏及影响使用的缺陷后方可使用。旧坩埚应在清除熔渣及氧化皮后检查是否完好。如发 现下述