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鎂合金的晶粒細化與變質處理

2019-12-06 14:06 ?瀏覽:

在金屬材料生產中人們總是希望它們具有細的晶粒組織,因為晶粒越細小,其力學性能與塑性加工性能也越好。在熔煉鑄造鎂合金過程中如晶粒細化處理得當,則可以降低鑄件凝固過程中的熱裂傾向;在熔鑄變形鎂合金時若錠坯具有細小均勻的晶粒組織,則不但有良好加工性能,而且材料的各項性能也更高。因此,細化處理在鎂合金熔煉鑄造中是一道極為重要的關鍵性工序,不可等閑視之。

  在熔煉鑄造鎂合金時,現有的細化晶粒措施有兩類:變質處理和強外場作用。變質處理就是向熔體內添加高熔點物質,形成大量的異質晶核,獲得細小的晶粒組織。強外場細化晶粒的機理就是向熔體施以電場、磁場、超聲波、機械震動、攪拌等強場作用,促進熔體形核過程,并破壞已形成的枝晶,成為游離晶體,增加晶核數量,還可以強化物質傳遞,消除成分偏析??焖倌桃彩怯行У募毣V合金組織的措施,一方面可以提高熔體內的形核率,另方面可抑制晶核長大。目前,常用的鎂合金變質劑有:含碳物質,C2Cl4和高熔點金屬Zr、TiB、V等。

  含碳變質劑

  碳雖不固熔于鎂,但可與鎂反應生成Mg2C3和MgC2,成為異質晶核,細化晶粒。碳對Mg-Al系及Mg-Zn系合金有明顯的晶粒細化作用,而對Mg-Mn系合金則幾乎沒有細化效果。C進入Mg-Al系合金熔體后,與Al形成大量細小、彌散的Al4C3質點,其晶格類型和晶格常數與鎂的相應值很接近,是鎂合金的良好形核質點,使鎂合金的晶粒顯著細化。

  生產中常用的含碳變質劑有菱鎂礦MgCO3、大理石CaCO3、白堊、石煤、焦炭、CO2、炭黑、天然氣等,其中用的最多的是MgCO3與CaCO3。MgCO3加入Mg-Al合金熔體后發生如下反應:

  MgCO3=MgO+CO3↑

  MgCO3的加入量一般為鎂合金熔體質量的0.5%~0.6%,熔體溫度760℃~730℃,處理時間5min~8min。

  C2Cl6是鎂合金的常用變質劑之一,既有除氣作用又有晶粒細化效果。加入C2Cl6后熔體中可形成Al-C-O化合物質點,是鎂合金的良好結晶核心。有研究顯示,AZ31合金經C2Cl6變質處理后,晶粒尺寸由280um下降到120um,抗拉強度明顯提高。C2Cl6對ZM5合金的變質處理效果比MgCO3的高得多。用C2Cl6與其他變質劑組成的復合變質劑有更高的變質效果。C2Cl6的用量為爐料質量的5%~8%,熔體溫度為740℃~760℃。

  其他變質劑

  鋯對Mg-Zn系、Mg-RE系和Mg-Ca系鎂合金有明顯的晶粒細化作用,在鎂合金生產中獲得廣泛應用,但其細化機理尚無統一認識。有人認為,鎂-鋯合金的晶粒細化效果主要來自固溶于鎂中的那部分鋯,而其余的鋯的細化作用僅約占30%。不同的鎂合金雖含有等量的鋯,但其晶粒細化效果卻有著明顯的差別。

  含鋯的鎂合金在精煉后,雜質都沉于坩堝底部,為避免雜質混入鑄件中,澆入鑄型后坩堝仍應保留足夠的熔體,一般不得少于爐料量的15%,澆注時宜平穩,盡量避免熔體過分湍流和溢出,同時應靜置足夠的時間。

  Mg-Al合金在變質處理后需進行精煉,但以鋯細化晶粒的ZM1、ZM2、ZM3、ZM4、ZM6合金不需要精煉。向Mg-Zn系合金添加0.5%Zr可取得良好的變質效果;0.5%Sc+(0.3~0.5)% Sm可明顯細化Mg-Mn系合金的晶粒;0.2%La~0.8%La對Mg-Mn系合金也有顯著的晶粒細化作用。

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