AZ系鎂合金鑄態(tài)組織細(xì)化工藝與理論研究.pdf

1、鎂合金被喻為21世紀(jì)的綠色工程材料，得到廣泛的關(guān)注，但我國高附加值的鎂合金加工材料產(chǎn)量，尤其是質(zhì)量與發(fā)達(dá)國家相比，差距很大，其主要原因是鑄錠的質(zhì)量低。眾所周知，晶粒細(xì)化是提高鎂合金性能的有效途徑，加碳變質(zhì)法因方法簡單、細(xì)化效果顯著和經(jīng)濟(jì)，已成為鎂合金組織細(xì)化的主要方法。本課題是國家“973”計劃項目-高質(zhì)量鎂合金加工制備基礎(chǔ)研究中的課題-鎂合金液態(tài)成型基礎(chǔ)研究(2007CB613702)中的一部分，系統(tǒng)研究了含C鹽類對在各種工藝條件下的

2、AZ31鎂合金鑄態(tài)組織的細(xì)化效果，重點(diǎn)研究了Al-Al4C3細(xì)化劑的制備、細(xì)化工藝、細(xì)化機(jī)理及施加超聲場和電磁場連鑄時Al-Al4C3對AZ系鎂合金的凝固組織及性能的影響，為鎂合金高效細(xì)化劑的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。
　　本文首先研究了MgCO3、CaCO3、 SrCO3、C2Cl6等多種含碳細(xì)化劑對AZ31鎂合金的鑄態(tài)組織影響，實(shí)驗結(jié)果表明:這些細(xì)化劑均能明顯細(xì)化鎂合金的凝固組織。孕育處理對合金組織的細(xì)化效果由孕育條件中的各

3、因素（添加量、孕育時間、孕育溫度、添加順序）綜合制約決定。在680℃添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％的MgCO3細(xì)化劑保溫40min時細(xì)化效果與合金力學(xué)性能最高，平均晶粒尺寸可達(dá)148μm，抗拉強(qiáng)度為210MPa，延伸率為5.9％，與未施加細(xì)化劑相比，抗拉強(qiáng)度提高了57.9％，延伸率約提高了11.2％，同時首次開發(fā)出少量多次添加MgCO3工藝方法，其細(xì)化效果明顯優(yōu)于同等添加量單次添加的細(xì)化效果;在680℃添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％的C2Cl6細(xì)化劑保

4、溫60min時細(xì)化效果與合金力學(xué)性能突出，平均晶粒尺寸可達(dá)190μm，抗拉強(qiáng)度為190MPa，延伸率為11.1％，與未施加細(xì)化劑相比，抗拉強(qiáng)度提高了42.9％，延伸率提高了109.4％。在760℃添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％的CaCO3細(xì)化劑保溫10min時，平均晶粒尺寸可達(dá)148μm，抗拉強(qiáng)度提高到138MPa，延伸率提高到11.1％;在760℃添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％的SrCO3細(xì)化劑保溫10min時，平均晶粒尺寸可達(dá)110μm，抗拉強(qiáng)度提

5、高到189MPa，延伸率提高到5.5％。
　　本文開發(fā)出Al-Al4C3細(xì)化劑制備新方法。將Al、C、MgCO3粉末球磨3h烘干，將低過熱的純Al澆到包有鋁箔的預(yù)制粉上，在中頻感應(yīng)爐中加熱到950℃保溫5min，澆入鑄模，制備出Al4C3含量高、細(xì)小、彌散的Al-Al4C3細(xì)化劑，該細(xì)化劑也可以擠壓成絲使用。該制備方法顯著提高了碳的收得率，降低了反應(yīng)溫度，同時制備方法簡單，可以用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)驗表明:Al-Al4C3細(xì)化劑中C

6、含量越高，細(xì)化效果越好。隨著Al4C3顆粒的增多，其均勻彌散的分布于AZ31鎂合金熔體中，增加了熔體中的異質(zhì)核心數(shù)目，凝固時形成了細(xì)小均勻的晶粒，使組織顯著細(xì)化。Al-Al4C3細(xì)化劑以中間合金方式加入AZ31鎂合金中，其晶粒尺寸是未加細(xì)化劑的15％，平均晶粒尺寸僅為86岬左右。Al-Al4C3晶粒細(xì)化劑中的高熔點(diǎn)Al4C3質(zhì)點(diǎn)，在鎂合金熔體中一部分作為異質(zhì)形核的核心，顯著增加了異質(zhì)形核的核心數(shù)量，另一部分被推至晶界，釘扎晶界，阻礙了晶

7、粒的長大，促進(jìn)了組織細(xì)化。
　　向純Mg熔體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％的Al-Al4C3細(xì)化劑就可以有效細(xì)化組織，平均尺寸由毫米級降至106μm，其中Al4C3質(zhì)點(diǎn)的活化率為1.09％;功率超聲也可以細(xì)化純Mg組織，隨施振功率的增加，超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)增強(qiáng)，晶粒有粗化趨勢。純Mg凝固時施加超聲同時添加Al-Al4C3細(xì)化劑，可以顯著細(xì)化純Mg組織，平均晶粒尺寸可達(dá)77μm。超聲對Al4C3質(zhì)點(diǎn)具有“活化”作用，大量Al4C3質(zhì)點(diǎn)被活化

8、，形成結(jié)晶形核核心，大幅提高形核率。施加超聲場時Al4C3質(zhì)點(diǎn)的活化率為ρ2=2.11％，比未施加超聲提高了一倍。在AZ31鎂合金半連續(xù)鑄造過程中加入Al-Al4C3細(xì)化劑可有效細(xì)化α-Mg晶粒，鑄錠中心晶粒平均尺寸由毫米級降至430μm，其活化率ρ3=0.51％。低頻電磁時鑄錠中心晶粒平均尺寸由毫米級降至570μm。低頻電磁連鑄時添加Al-Al4C3細(xì)化劑，組織細(xì)化更加顯著。在680℃添加百分含量為0.8％的Al-Al4C3晶粒細(xì)化劑