（材料加工工程专业论文）电磁搅拌、合金化对az91合金显微组织与性能影响.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼性能好及电磁屏蔽等优点， 在汽车、电子等领域得到越来越广泛的应用。 本文以目前使用最广泛的a z 9 1 镁合金为对象，研究了电磁搅拌和合金元素 c e 、s r 、c a 的复合作用对其显微组织及性能的影响，并对其组织细化机理进行 了探讨。采用金相显微镜、扫描电子显微镜和x 射线衍射仪等对合金的组织结 构进行了观察与分析，测量了合金晶粒尺寸及硬度值，并对两者之间的关系进 行了回归分析。结果表明：电磁搅拌和三种合金元素的复合作用都具有细化铸 态a z 9 1 镁合金晶粒的作用。当电磁搅拌电压一定( 1 0 0 v ) 并加入0 2 - - 0 8 c e ， 发现加入0 8 c e 的合金晶粒尺寸最小，硬度值最大。加入0 1 - 4 ) 3 s r 也可细 化合金组织，s r 加入量为0 2 时，晶粒尺寸最小，硬度值达到最大。加入 0 1 - 0 3 c a 同样能细化合金晶粒，c a 加入量为o 2 时，晶粒尺寸最小。回 归分析表明，晶粒尺寸与硬度之间的关系符合h a l l - p e t c h 公式。此外，利用差热 分析探讨了电磁搅拌和c c 、s r 、c a 对a z 9 1 镁合金的晶粒细化机制。 利用静态失重法、x 射线衍射仪等手段研究了电磁搅拌和c c 、s r 、c a 复合 对a z 9 1 镁合金在3 5 n a c i 水溶液中的腐蚀规律。结果表明，电磁搅拌加0 2 加8 c e 可显著降低合金的腐蚀速度，其中电磁搅拌电压为1 0 0 v ，加入 0 5 c e 对合金的腐蚀速度降低幅度最大。电磁搅拌( 电压1 0 0 v ) 加0 1 - - 0 3 s r 可改善合金的腐蚀性能，其作用远不及稀土元素c e 。c a ( o 1 d 3 ) 元素的 加入对合金的腐蚀性能产生不利影响。 关键词：a z 9 1 镁合金，电磁搅拌，铈，锶，钙，显微组织，腐蚀性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o nf o rm a g n e s i u ma l l o y si nt h ea u t o m o t i v e , e l e c t r o n i c sa n d c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r i e sh a sb e e ne x p a n d i n ga tah i g hr a t ed u et ot h e i rl o wd e n s i t y , h i g hs t r e n g t h - t o - w e i g h ，r i g i d i t y - t o - w e i g hr a t i o ，g o o dd a m p i n gc a p a c i t ya n dg o o d e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp r o p e r t i e s i nt h i st h e s i s , t h ee f f e c to fc o m b i n e de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dc e 、s r 、c ao n m i c r n s t r u c t u r ea n dc o r r o s i o np e r f o r m a n c ef o ra z 9 1m a g n e s i u ma l l o y , w h i c hi st h e m o s tw i d e l yu s e dm a g n e s i u ma l l o y , w a ss t u d i e d i na d d i t i o n ，g r a i nr e f i n e m e n t m e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d m i c r o s t r u c t u r e so fa l l o y sw e r eo b s e r v e da n ds t u d i e db y m e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) 、s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) 、d i f f e r e n t i a l t h e r m a la n a l y z e r ( d t a ) a n dx - r a yd i f f r a c ta n a l y z e r ( x r d ) a n ds oo n g r a i ns i z ea n d a l l o yh a r d n e s sw a sm e a s u r e d ，t h el i n e a rr e l a t i o nw a sp r e s e n t e db e t w e e ng r a i ns i z ea n d h a r d n e s sb yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to f c o m b i n e de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dc e 、s r 、c ac o u l da l lr e f i n eg r n i ns i z e w h e n e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gv o l t a g ei s1 0 0 vo 2 棚8 c ca d d e dt oa z 9 1 ，o 8 c e a d d i t i o nc o u l dg e tt h ef i n e s tg r a i na n dm a x i m u mh a r d n e s sv a l u e 0 1 - 0 3 s r a d d i t i o nt oa z 9 1c o u l dr e f i n eg r a i n st o o 0 2 s ra d d i t i o nc o u l dg e tt h ef r e e s tg r a i n a n dm a x i m u mh a r d n e s sv a l u e 0 1 o 3 c aa d d i t i o nt oa z 9 1c o u l da l s or e f m e g r a i n s 0 2 c aa d d e dt oa z 9 1c o u l dg e tt h ef i n e s tg r a i n r e g r e s s i o na n a l y s i ss h o w e d t h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i ns i z ea n dh a r d n e s si si na g r e e m e n tw i t hh a l l - p e t c h e x p r e s s i o n b e s i d e s ，g r a i n r e f i n e m e n tm e c h a n i s mo fc o m b i n e de l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n ga n dc e 、s r 、c ao na z 9 1w a s d i s c u s s e db yd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y z e r t h ee f f e c to fc o m b i n e de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dc e 、s r 、c ao nt h ec o r r o s i o n p r o p e r t ya n dc o r r o s i o nm e c h a n i s mi n3 5 n a c is o l u t i o nw e r es t u d i e db ym e a n so f s t a t i cw e i g h t l o s st e s ta n dx - r a yd i f f r a c ta n a l y z e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t l i a t e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g a n d0 2 - 0 8 c ec o u l dr e d u c ec o r r o s i o nr a t e r e m a r k a b l y w h e ne l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gv o l t a g ei si o o v , 0 5 c ea d d i t i o nc o u l d g e tt h em i n i m u mc o r r o s i o nr a t e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n do 1 - - 0 3 s rc o u l d i m p r o v ec o r r o s i o np r o p e r t yt o o ，b u tt h e e f f e c ti si n f e r i o rt oc e 0 1 - - 0 3 c a 武汉理工大学硕士学位论文 a d d i t i o nt o a z 9 1p r o d u c e sa d v e r s ee f f e c to nc o r r o s i o np r o p e r t y k e yw o r d s ：a z 9 1m a g n e s i u ma l l o y ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，c e ，s r ，c a ， m i c m s t r u c t u r e ，c o r r o s i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： ( 注：此页内容装订在论文扉页) 导师签名孑董踅客日期：丝：! 呈：f 笋 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 镁元素在地壳中有丰富的含量，仅次于铝、铁、钙、钠，钾，约占地壳重 量的2 7 1 2 1 。此外，占地球表面积7 0 的海洋也是一个天然的镁资源宝库，其 含量仅次于氯和钠，据测舁，溶解在海水中的镁的总量达6 x 1 0 1 6 t ，按现在镁 年产5 0 万t 的生产能力计算，需要1 2 0 0 亿年才能全部用完。可见，镁资源是取 之不尽用之不竭的。因此，镁的开发与应用对人类有着重要意义。 1 1 镁及镁合金概述 1 1 1 纯镁的物理性能及力学性能 镁为银白色金属，原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 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。在2 5 时的晶格常数为：a - - - - o 3 2 0 2 n m ， c = 0 5 1 9 9 n m ；晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 。配位数等于1 2 时的原子半径为 0 1 6 2 r i m 。镁的熔点和沸点分别是：6 5 0 1 2 、1 1 0 3 。镁在2 0 时的密度只有 1 7 3 8 9 e m 3 ，是常用结构材料中最轻的金属 4 1 。镁的弹性模量比较低，约为铝的 6 0 ，钢的2 0 ，较低的弹性模量是镁作为结构材料的一个重要特性：当受同样 外力时，镁( 一般为镁合金) 构件能产生较大的弹性变形，受到冲击载荷时能够吸 收较大的冲击功。镁的这些特征成为大多数镁基结构材料应用的基础。不过， 镁为密捧六方晶格，决定了镁塑性低；物理性能和力学性能均有明显方向性的 特点也使其在室温下的变形只能沿晶格底面( 0 0 0 1 ) 进行滑移，这种单一的滑移系 使它的压力加工变形能力很低。镁只有在加热到2 2 5 以上时，才能通过滑移系 的增加使其塑性显著提高。因此，镁( 镁合金亦如此) 的压力加工都是在热状态下 进行的，一般不宜进行冷加工。 1 1 2 镁合金的物理性质及力学性能 镁合金与其他相关材料的物理性质和力学性能如表1 - 2 所示f 5 f6 l 。从表1 _ 2 可以看出，镁合金的主要力学性能接近于铝合金，但其密度却小于铝合金，比 强度是铝合金的1 8 倍，可咀说在应用金属范围内镁合金具有最高的比强度。与 工程塑料相比，镁合金的密度虽比工程塑料高，但其熔点却是工程塑料的4 巧 倍，其比强度是工程塑料的1 8 倍左右；此外镁合金的热传导系数是工程塑料的 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 0 倍以上，在一些电子产品的应用上具有明显的优势。 表1 - 1 镁合金与相关材料的物理和力学性能 密度熔点导热抗拉屈服延伸弹性 比强 材料名称 ( g c m 3 ) c系数强度强度 塞 模量度 镁合金a z 9 11 8 25 9 67 22 8 01 6 084 51 8 7 镁合金 1 7 96 1 56 22 7 01 4 01 54 51 a m 6 0 铝合金3 8 02 7 5 9 51 0 0 3 1 51 6 037 11 0 6 碳钢7 8 61 5 2 04 25 1 71 4 02 22 0 08 0 塑料a b s 1 0 39 0o 23 54 02 14 1 塑料 1 2 31 6 00 21 0 4 3 6 71 0 2 1 1 3 镁合金的特点 镁合金具有高的比强度和比刚度，强度接近铝合金，但密度仅为铝合金的 2 ：3 ，钢的1 4 。镁合金弹性模量远大于比强度极高的纤维增强塑料，与高强度铝 合金和合金钢大致相同，而且可1 0 0 回收，符合环保法。镁合金具有很好的 阻尼性能和优良的切削加工性能，其热导率仅次于铝合金且无磁性。镁合金的 尺寸稳定性高，收缩率小，不易因环境温度变化而改变r 卜1 3 】。 虽然镁合金具有其他材料无法比拟的优点，但也存在很多缺点，如镁合金 在熔炼时容易燃烧，室温塑性差，不耐腐蚀等【1 7 】。 1 2 镁合金的应用 由于镁合金具有许多优异性能，使得它在汽车工业和i t 产业等领域受到越 来越多的关注，其用量飞速增长。根据国际镁协0 m a ) 的统计，1 9 9 1 年镁压铸件 用量是2 4 x 1 0 4 t ，1 9 9 7 年上升至6 4 x 1 0 4 t ，2 0 0 0 年突破1 0 x 1 0 s t ，预计到2 0 0 8 年可增加到2 4 x 1 0 5 t 。下面主要介绍镁合金在汽车、电子和国防中的应用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 镁合金在汽车工业中的应用 近二十年来，世界汽车产量持续增长，年均增长率为2 5 。汽车工业发展 程度是一个国家发达程度的重要标志之一，而金属材料是汽车工业发展的重要 基础。出于节能与环保的要求，汽车设计专家们想方设法减轻汽车体重，以达 到减少汽油消耗和废气排放量的双重效果。镁合金作为最轻的结构材料，能满 足日益严格的节能的尾气排放的要求；可生产出重量轻、耗油少、环保型的新 型汽车。镁合金汽车零件的好处可简单归纳为： ( 1 ) 密度小，可减轻整车重量，间接减少燃油消耗量； ( 2 ) 镁的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定 的负荷； ( 3 ) 镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低； ( 4 ) 镁具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可降低 噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。 ，j 镁合金在汽车上用作零部件的历史约有7 0 年。早在1 9 3 0 年就用于一辆赛 车上的活塞和欧宝汽车上的油泵箱，之后用量和应用部位逐渐增加。六十年代 在有的车种上用量达到2 3 千克，主要用作阀门壳、空气清洁箱、制动器、离合 器、踏板架等。八十年代初，由于采用新工艺，严格限制了铁、铜、镍等杂质 元素的含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合 金在汽车上的应用。从九十年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始 把镁合金用于许多汽车零件上。 图1 - 1 镁合金零部件的应用实例 b i g 1 - 1a p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o ya c c e s s o r i e s ( a ) 齿轮箱( b ) 方向盘 3 武汉理下大学硕士学位论文 镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里， 其年增长速率超过1 5 。在欧洲，已经有3 0 0 种不同的镁制部件用于组装汽车， 每辆欧洲生产的汽车上平均使用2 5 k g 镁。乐观的估计认为，出于减重的需求， 每辆汽车对镁的需求将提商至7 0 - 1 2 0 k g 。 目前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引荤盖、变速箱、进气歧 管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。 随着市场对镁产品需求应用领域的不断拓宽，从航空、航天、汽车零部件、 钢铁脱硫、合金压铸件、3 c 产品的广泛应用，到民用产品的不断研发，以及镁 合金技术的进一步研究，镁产品的发展愈来愈显现出它独特的不可替代的优点。 同时由于镁合金较好的加工性能、较强的机械性能、重量轻、韧性好屏蔽性好， 特别是具有极强的回收性能，越来越受到人们的青睐。 全国六大镁合金基地建设已经初具规模，形成了重庆镁合金汽车、摩托 车制造，青岛一信息和通信产品开发，上海一汽车工业应用，深圳一镁合金压 铸设备，辽宁氧化镁及镁矿开发，宁夏一盐湖镁资源开发布局。 1 2 2 镁合金在电子器件上的应用 电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴镁合金的应用领域。由于 数字化技术的发展，电子器件高度集成化和小型化，出现了大量便携式电子器 材，如手提电话、便携式电脑和小型摄录相机等。电子工业中镁合金的增长需 求缘于镁合金在减轻重量、刚度好和具有良好的薄壁铸造性能等方面的优点。 同时，其热导性好、热稳定高、电磁屏蔽性好、阻尼性能好和可回收利用等材 料特性，是电子行业将目光投向镁合金的重要原因。据统计，镁合金在电子器 材中的应用正以每年高达2 5 的速率快速增长，显示了诱人的发展前景。 1 2 3 其他应用 镁合金由于质量轻而被广泛地应用于国防和航空航天产品l l ”，其应用包括 飞行器机身及其发动机、起落轮、火箭、导弹及其发射架、卫星探测器、旋转 罗盘、电磁套罩、以及地面控制装置等。除此以外，镁合金在其它民用工业上 也有广泛的用途。如西德l e n t 公司用冷室压铸法生产链锯的曲轴箱和油箱，产 量多达3 5 0 万伊1 9 1 。手电钻、风镐、手提农用器具等便携式工具上的一些零件 都可以采用镁铸件，风扇盖、电极端盖、支架、印刷机的底板、电传打字机等 也是镁合金开发的产品。可以预言，镁合金未来的应用范围将大大扩展。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 镁合金中电磁搅拌的应用与研究现状 1 3 1 电磁搅拌优点 电磁搅拌是利用电磁感应产生的电磁力来推动金属有规律地运动，从而减 少枝状晶，增加等轴晶率，达到改善合金质量的目的。其实质是借助交变电流 产生交变磁场，在金属熔体中产生感应电流，载流金属熔体在磁场中受到洛仑 兹力的作用，从而改善金属熔体凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改 善合金质量的目的【她2 。实践证明，电磁搅拌技术可以从以下几个方面改善合 金的冶金质量： 1 有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低合金内部气泡及夹杂物的含量， 提高合金的纯净度； 2 加强金属熔体的对流运动，有利于打碎枝晶，形成等轴晶，提高合金的等 轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善合金的凝固组织； 3 实现了不与金属熔体直接接触而使金属熔体发生强烈对流，避免了金属熔 体的二次污染； 4 便于控制、操作灵活。通过控制影响感应磁场强度的电参数，可以方便地 控制金属熔体的流动状态和半固态浆料的质量； 5 降低金属熔体的过热度，均匀液相温度场。 1 3 2 电磁搅拌可能的细化机理 电磁搅拌对合金有较强的组织细化作用。对于合金由枝晶生长转化为细小 等轴晶生长，其形成机制有以下几种假训2 4 1 ：熔断说、机械碎断说和再结晶 说。熔断说认为，电磁搅拌下金属液凝固时虽然搅拌产生的强烈紊流使枝晶一 次臂或二次臂端部的溶质富集层变薄以至消失，但是其作用范围难以深入，导 致技晶二次臂根部的溶质高度富集，从而加剧了液相中溶质浓度的微观起伏， 只要存在合适的温度条件就可引发枝晶二次臂的迅速熔断，如图1 - 2 所示。机 械碎断说认为，强烈的对流冲刷给枝晶侧臂以极大的剪切力，使侧臂由最细弱 的根部即缩颈处断裂并从主臂上脱离，成为二次晶核。再结晶说认为，强烈液 流冲刷所产生的剪切应力使枝晶侧臂从根部塑性弯曲，在弯曲部位形成晶界。 如果横过晶界的两颗晶粒间取向角度差超过2 0 度，则晶界能大于固一液界面能 的2 倍，此时金属液体将浸润该晶界并渗透进入，最终取代晶界而使侧臂从根 5 武汉理工大学硕士学位论文 部脱离。 = ( 络 末o 图1 - 2 枝晶臂熔断示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho fd e n d r i t i ca r mb r o k e n 上述三种作用机制共同导致了合金初生相微粒向球形或椭球形的形态发展 和长大。此外，剧烈的搅拌也导致合金熔体中的热流梯度相对较小，而且固相 颗粒的转动，也使得其各个方向的热流梯度趋向一致，这样也促使单个结晶颗 粒以等轴生长方式长大。 1 3 3 电磁搅拌技术在轻合金中的研究与应用 ( 1 ) 铝硅合金 铝硅合金的主要成份是铝和硅，具有比重轻、强度高、耐磨性能好等特点， 是良好的结构材料，被广泛应用于汽车、火车、轮船、电力、冶金、机械工业 及家用电器等制造业。目前对铝硅合金的研究很多。根据合金中s i 元素的含量不 同可分为亚共晶、共晶和过共晶铝硅合金。 研究电磁搅拌下亚共晶铝硅合金a 3 5 7 组织发现，电磁搅拌能产生明显的晶 粒细化。在某些情况下，大部分共晶相可以从初生固溶体中偏析出来嗍。文献i 冽 报道，电磁搅拌条件下的铝硅合金( a 1 2 5 s i 、a 1 5 6 s i 、a i 8 5 s i ) 柱状晶 向等轴晶的转化率随着金属液体流动速率的增大和s i 元素含量的增多而提高。柱 状等轴转化率提高最可能的机理就是凝固前端的枝晶被电磁搅拌所产生的液体 流动所打碎。同样的，在磁场强度大于0 0 6 5 t 的e m s 作用下，z l l 0 1 a 合金能够 得到非树枝晶组织；随着e m s 作用的增强，晶粒向完全椭球形发展l 期。此外， 在电磁搅拌作用下，研究a 1 7 s i 合金发现，宏观组织细化的根本原因是电磁搅 拌迫使液体流动，增加了液相中形核的同时性及使晶核更加均匀地分散在液相 中【矧。a 1 s i 共晶及亚共晶合金宏观晶粒尺寸与输电压的关系如图1 3 所示。由图 6 武汉理工大学硕士学位论文 可知，电磁搅拌对a 1 s i 合金的宏观组织具有晶粒细化和晶粒尺寸均匀化的作用。 特别是对于a 1 s i 亚共晶合金，晶粒细化效果更为明显。在7 0 v 搅拌样品中，存在 一定程度的晶粒不均匀现象，有少量较大晶粒比较突出，其余晶粒则比较细小， 对于1 2 0 v 电压搅拌样品，晶粒尺寸更小，但其减少幅度已不是很明显；1 7 5 v 电 压搅拌试样中的晶粒大小与1 2 0 v 搅拌试样相比，甚为接近，晶粒尺寸在整个横 截面上非常均匀。 目 軎 梨 咯 露 07 0 1 2 01 7 5 输入电压，v 图1 3a l s i 合金宏观晶粒尺寸与输入电压的关系 f i g 1 - 3e f f e c to fe m s o l lm a c r o s t r u c t u r co ft h es o l i d i f i e da i - s ia l l o y 对共晶成分m 1 2 5 s i 合金电磁搅拌发现，宏观组织细化的原因与m 7 s i 合金相同。同样的，文献1 2 9 1 报道，通过o m 、x r d 等分析方法研究近共晶成分 a i 1 3 s i 合金发现，在三元复合变质基础上，施加旋转磁场可以进一步增强变质 效果并能有效细a 枷枝晶尺寸。 对过共晶铝硅合金进行电磁搅拌发现，过共晶铝硅合金凝固主要表现为初 生硅的聚集与偏聚刚。此外，文献【3 1 l 报道在电磁搅拌条件下，对a i 2 4 s i 过共 晶合金组织进行研究发现，初生s i 经过搅拌得到明显细化，分布均匀，绝大部分 初生s i 呈球团状或块状；功率越大，初生s i 越细小和圆整。 ( 2 ) 铝镁合金 a i 3 m g - s i 合金在电磁搅拌作用下，铸锭组织能明显细化，断面上的等轴晶 区宽度明显增加，疏松减轻。此外，采用电磁铸造技术铸造易拉罐用5 1 8 2 变形 铝合金，分析其显微组织发现电磁铸造铝合金拥有更好的内部组织和优良的力 学性能。电磁搅拌使合金组织更加细小，硬度、疲劳性能、耐磨性能都有显著 7 5 4 3 2 1 o 武汉理工大学硕士学位论文 提剐3 2 】。 ( 3 ) 铝铜合金 文献【3 3 】报适 a i - 0 5 c u r i a 2 c u 在凝固过程中施加电磁搅拌，能明显细化 铝铜合金晶粒，增加铸锭断面上的等轴晶区宽度，减轻疏松，抑制铝合金铸锭 中铜的逆偏析。此外，对2 0 2 4 铝合金进行研究，对比在电磁搅拌与直接激冷铸 造条件下铝合金的微观组织与机械性能发现，电磁搅拌铸锭有细小的均衡的晶 粒结构，这使得它与直接激冷的铸锭相比有更高的硬度和更好的抗疲劳性与耐 磨性i 州。 ( 4 ) 铝锌合金 对铝合金7 1 5 0 进行电磁搅拌研究，发现电磁搅拌增加了金属液体的流动，促 进了等轴晶粒的形成，提高了柱状晶向等轴晶的转化率。但这种流动也造成了 铝合金元素的严重宏观偏析。宏观偏析最严重的是铜元素，最小的是锌元素。 造成这种情况的原因是糊状的富集溶质的区域由于电磁搅拌迫使金属液体流动 到凝固前端所产生的偏移1 3 ”。 ( 5 ) 半固态铝合金 研究电磁搅拌与s f 元素复合对a 3 5 6 半固态铝合金的影响，发现枝晶初生a l 相转变成球状的最优电流大小在1 5 安培以上。当添= ! j n 5 0 p p m 以上的s r 时，随着s r 的含量增加能显著改善共晶硅和初生a l 的生长。当添加相同含量的s f 时，施加了 电磁搅拌的共晶硅组织比没有施加电磁搅拌的共晶硅组织更细小【3 6 1 。由图1 4 看 出当电流低于1 5 a 时，初晶随着电流的增大而减小；高于1 5 a 时，绝大部分初晶 都被球化，晶粒有所增大，这是因为搅拌功率增大，合金凝固速率减慢所致。 喜 墅 喀 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 91 52 2 电流a 图1 4 初生a l 相晶粒随搅拌电流的变化 f i g 1 - 4e v a l u a t i o no fp r i m a r ya ip h a s ea saf u n c t i o no ft h ec u r r e n t 8 武汉理工大学硕士学位论文 此外，对半固态a i s i t m g 合金的初生非枝晶a a l 形成机制进行了探讨。发 现当在液相线温度1 0 度以下时开始电磁搅拌，二次枝晶臂很难重熔，初晶臂很 难被细化。而当在液相线温度5 度以上时开始电磁搅拌，二次枝晶臂很容易重 熔，初晶被细化。在电磁搅拌时熔体温度梯度半径非常小，这是初生a - a l 相形 核和长大的动力学原因p n 。 研究交流电磁场作用下的z l 2 0 1 铝合金半固态流变浆料组织发现，交流电 磁场对合金显微组织有显著的细化作用，在液相线温度( 6 5 0 ) 附近，电磁场作 用下的流变浆料组织为细小的近球形晶粒，优于不加电磁场的浆料组织，适用 于半固态成形。交流电磁场所引起的熔体强制对流，使处于强烈温度起伏条件 下的初生枝晶二次臂机械断裂或根部熔断，这是结晶核心增加，组织细化的原 因闭。 目前，工业上普遍采用连续电磁搅拌法来商品化供应半固态铝合金坯料， 连续电磁搅拌的示意图如图1 - 5 所示。电磁半固态铸造应用最先进的是美国、欧 洲和日本。美国a l u m a x 公司是世界上首家专业用半固态铸造成型技术生产汽车 和其他零件的厂家。该公司拥有世界上第一条自动化的触变成形生产线，用于 生产铝合金汽车零部件。在美国还有许多厂家也开始应用半固态技术生产机械 零件1 3 9 1 ，如：h m m ( h o tm e t a lm o l d i n g ) ，l i n d h e r gc o r p o r a t i o n ，c m li n t e r n a t i o n a l ， f o r m c a s t 等，这些公司都是采用半固态成形技术生产铝合金和镁合金零件，产品 主要指向汽车工业市场。h m m 公司为通用汽车公司生产铝合金汽车零件，年产 量达2 0 0 万件左右，并且计划将其年产量提高4 倍。 ooo oo o 2 。o o o o 一 醺 图1 - 5 连续电磁搅拌装置 f i g 1 - 5c o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga p p a r a t u s 9 武汉理工大学硕士学位论文 在欧洲大约有4 0 家半固态金属生产工厂，这些厂家的产品在数量、复杂程 度及质量上都处于世界前列。意大利的m m 公司( m a g n e t im a r e l l i ) 采用半固态金属 压铸为汽车公司生产汽车喷油系统中的射油道等零部件，满足了这些部件所需 的质量高、耐腐蚀的要求，并且生产费用也有了明显的降低。现在该公司的年 生产能力已经达上百万件。意大利s t a m p a ls p a 公司利用电磁半固态铸造技术生 产了大批量的a l f ar o m e o s p i d e r 跑车后悬挂系统的左右横向支承等汽车零件。德 国的e f t 公司、法国的p e c h i n e y s a 公司等也都具有了大规模的生产半固态金属 零部件的能力。 日本从1 9 8 8 年成立了半固态金属加工开发研究协会以来，三菱重工、住友 金属、神户制铁等1 7 家公司为该项技术的研究开发提供了大量资金，于1 9 9 4 年 完成了该项技术的研究，并开始进入成形产品的制造和开发。现今，在日本利 用半固态成型技术生产的厂家主要有s p e e d s t a r w h e e l s 公司、朝日技术公司、松 下电气公司、高田公司、东京理化工业所、m gp r e c i s i o n 公司。用压铸技术生 产的铝合金零件有客车车轮、自行车零件、摩托车零件等。 中国在电磁半固态铸造的研究上与美国、日本以及欧洲相比还处于比较落后 阶段，但已经得到重视，于2 0 世纪8 0 年代进行研究，近年来发展迅速。在“8 6 3 ” 项目的支持下，北京有色金属研究总院进行了“金属半固态加工技术的研究和开 发”，北京科技大学与北京冶炼厂联合进行了“轿车制动泵体用半固态铝合金成形 技术”的研究。进行该技术研究时，北京有色金属研究总院自己设计并制造了电 磁搅拌装置。与东风汽车公司合作研究灿s i 9 c u 3 的半固态铸造，掌握了适合于 该合金的半固态加工的坯料制备工艺。 此外，电磁搅拌工艺广泛应用于普通铝合金铝熔铸( 如：6 0 6 3 等工业、民用、 建筑用型材合金) 、特种铝合金( 如：a 3 5 6 等轮毂、发动机、航空配件用合金) 以及高纯铝( 如：电解电容铝箔、提炼其他稀有金属用铝) 的冶炼铸造过程中。 目前，电磁搅拌工艺主要应用于钢铁及铝合金的组织细化，应用于镁合金 的报道较少，对电磁搅拌镁合金的研究处于起步阶段。 研究电磁场对a z 9 1 d 镁合金组织的影响，分析测试a z 9 1 d 镁合金挤压变形 后的组织及性能。发现电磁搅拌使a z 9 1 d 合金枝晶组织发生球化和细化，1 3 m g l 7 a i l 2 相数量增加，并使z n 元素在1 3 - m g l 7 a i r 2 相的偏聚倾向降低：挤压成 形后的合金极限抗拉强度、延伸率都大大提高闱。文献1 4 1 l 报道通过镁合金电磁 铸造过程模拟，分析了镁合金电磁铸造过程中电磁搅拌对熔体流动和温度分布 l o 武汉理工大学硕士学位论文 的影响，发现当镁合金电磁铸造的搅拌频率为1 0 h z 时熔体温度场分布比较合理。 此外，通过研究电磁搅拌连续冷却条件下半固态a z 9 1 d 镁合金发现，当电 磁搅拌的频率达到或高于5 0 h z 时，半固态a z 9 1 d 镁合金组织中的球状初生固 相越来越多，越来越圆整：在电磁搅拌频率为2 0 0 h z 和冷却速率较低的条件下， a z 9 1 d 镁合金熔体的激烈流动导致较为均匀的温度场和溶质场、更加剧烈的温 度起伏，促进了半固态a z 9 1 d 镁合金球状组织的形成，半固态重熔加热可以使 半固态a z 9 1 d 镁合金坯料初生固相的形态发生进一步的球化【4 2 j 。同时发现，延 长电磁搅拌时间也有利于非枝晶组织的形成1 4 3 j 。进一步研究了不同电磁搅拌工 艺下镁合金a z 9 1 d 初生相a m g 的形成过程及机理。发现在不同的搅拌工艺下 初生相的形成过程及机理是不同的。当金属液冷却到固液两相区后开始搅拌时， 由于此时已形成大量的树枝晶初生相，影响初生相形貌的主要机制是搅拌冲击 作用使初生枝晶发生弯曲变形直至机械断裂；当金属液温度高于液相线开始搅 拌时，主要机制是搅拌使合金熔体内各处温度均匀，形核可在整个熔体内同时 进行，且搅拌使正在生长的初生相枝晶臂大量熔断1 4 4 j 。 目前半固态加工技术主要应用于铝合金零部件的生产，但镁合金所具有的 优异性能已经引起广大科研工作者和生产厂家的注意，采用半固态加工技术生 产的镁合金零部件也越来越多，即使是新近提出的注射成型技术，世界范围内 已有1 0 个国家，共2 6 4 台注射成型机组在进行实际生产。 镁合金作为结构材料具有其他材料无法比拟的优越性，但有限的机械强度 限制了它的推广应用。随着镁合金在汽车工业和r r 产业中的应用越来越广泛， 对镁合金的研究和应用已经引起各国生产厂商的重视。实践证明，细小等轴的 晶粒组织能提高力学性能。因此，通过晶粒细化的方法，改善镁合金的成形性 能和力学性能便显得尤为重要。寻找一种有效的晶粒细化剂和适宜的加工方法 是拓宽镁合金应用前景的途径。进一步加强晶粒细化剂和电磁搅拌工艺对镁合 金组织与性能的研究具有非常重要的意义。 1 4m g a l 系合金晶粒细化技术的现状 晶粒细化既能提高材料的强度，又能提高材料的塑性，晶粒细化也是提高 镁合金力学性能的一种有效手段。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【4 5 l ： ( 1 ) 通过合金化细化晶粒； 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 c 2 ) 机械形变处理细化晶粒； ( 采用半固态成形或挤压铸造细化晶粒； ( 4 ) 利用快速凝固粉末冶金法细化晶粒。 大量研究发现几种具有细化镁合金晶粒作用的合金元素，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；通过钉扎作用细化晶 粒；抑制晶粒生长而细化晶粒。 1 4 1 异质形核细化晶粒 此类元素包括s b 、z f 、c c 、混合稀土以及含碳的化合物( q c 0 3 、m g c 0 3 、 c a c l 6 、纯c 粉、t i c l 4 6 噜) 。其中，z f 由于会与a l 形成化合物a 1 3 z j r ，恶化合 金性能而不能用于m g a i 系合金中，其余的均大量应用于m g - a i 系合金中。高 温下碳化合物分解还原出碳( 如反应式1 - 1 和1 2 所示) ，碳又与铝生成大量弥 散分布的a h c 3 质点( 如反应式1 - 3 所示) 。 m g c 0 3 一m g o + c 0 2 2 m g + c 0 2 2m g o + c 3 c + 4 a 1 一a 1 4 c 3 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 新生态的c 原予与合金中a l 化合形成大量弥散的a 1 4 c 3 质点，是高熔点强化 相，晶体结构为密排六方且晶格常数与a m g 相近：根据金属结晶原理，晶格常 数错配度小于9 即可成为晶核，故a h c 3 是m g 原子良好的非均质晶核，因而大 量弥散的a h c 3 晶核使m g 晶粒细化。 采用c 2 c 1 6 对m g a i 合金进行孕育处理，也能显著的细化晶粒，并且比用 m g c 0 3 进行孕育处理提高机械能高1 0 2 0 。研究表明，q c l 6 加入镁合金液 后，高温分解成c 2 c 1 4 和a 2 ，c 2 c h 继续分解生成c ，c 又与a l 形成弥散细小 的a h c 3 质点，a h c 3 可作为晶核，起到细化晶粒的效果。c 1 2 在镁液中可很快生 成m g c l 2 同时吸附夹渣，而剩余的a 2 和c 2 0 6 气泡则能除氢，最后再辅以吹氩 气，可提高精炼效果，减少缩松 4 7 1 。 1 4 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 l 系合金中分别以高熔点的m 9 2 s i 、棒 状的a l l l c e 3 或针状a i t l r e 3 分布于晶界，且难溶于a - m g 固溶体，具有高的热稳定 武汉理工大学硕士学位论文 性，一般在3 0 0 以下不改变自身的形状和尺寸。在镁合金液凝固过中，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。根据文献报道l 椰】，当c c 的含量为0 8 时，晶 粒尺寸可从2 6 0 * m 被细化到2 5 1 z m 。可见其细化作用明显。 i 4 3 抑制晶粒生长细化晶粒 该元素主要是c a 元素。微量c a 元素( 一般= o 1 ) 在m g 合金中不形成任何中间 相，在a - m g 固溶体中溶解度很低，但能大量溶入b 相( m s l 7 a l l 2 ) 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 产生而细化晶粒；另一方面，由于c a 原子的扩散速率较慢，在界面处阻碍了晶 粒生长，限制了晶体的生长速率，从而使晶粒细化。 研究发现1 4 9 1 ，在a z 9 1 中加入s r 后，可细化晶粒，使晶界上的m 9 1 7 舢1 2 相由 连续网状变为不连续的粒状和棒状。在经过c 孕育处理的a z 9 1 合金中添加 0 0 0 5 , - 0 0 3 的s r ，发现s r 可进一步细化合金，随着s 晗量的增加，晶粒尺寸从 2 2 5 x m 下降至t j 7 5 z m ，然后又逐渐增大n 1 5 0 m m 。细化晶粒的原因是镁合金中添加 适量的s r 后，在固液界面前沿形成富s r 的吸附膜，降低晶粒生长速率。 b a 元素的作用和c a 相似，据文献报道l 卯】：在a z 6 3 镁合金中加入微量的 b a 可以使晶粒细化，过量则使晶粒粗化。b a 对a z 6 3 的抗拉强度、伸长率和冲 击韧性的影响与加c a 具有类似的趋势，即随着b a 量的增加，其抗拉强度、生 长率和冲击韧性先增大，加入0 0 7 b a 时具有最大值，然后下降，但硬度铸件 增加。 1 4 4 形变处理细化晶粒 通过大应变量的机械形变，也能细化镁合金晶粒。根据受力性质不同可分 为压应力变形和剪应力变形两大类，他们细化晶粒的机制和效果均有所差异。 通过压应力下大应变量形变在金属材料中关于这类细化晶粒形变的研究很 多，就镁合金而言，由于镁合金的晶体结构为密排六方，塑性变形能力较差， 所以变形温度一般在3 0 0 1 2 以上，应变率0 1 0 3 s - 1 【5 1 1 ，变形手段一般是轧或锻。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 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：镁合金的再结晶温度大 于3 0 0 c ，所以在变形的同时镁合金还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