浇铸工艺对AZ91D镁合金组织的影响

目前 ，各 大科 研机 构 对镁 合 金 进行 了大量 的研 究 ，并取 得 了一 些 重要 进 展 。然 而这 些 都 仅 仅 处于 实验 室 的研 究 阶段 ，在 将 镁合 金 应 用 于 生 产 中发现 ，随 着冷 却速 率 和浇 注 温 度的 变 化 ，镁 合 金 的组 织存 在 很 大的 差别 ；在坯 料 尺 寸增 加 时 ，坯 料 心 部和 边缘 的组 织也 存在 很 大 的差 别 ，而在 小 直径 坯 料 中组 织还 是 比较 均 匀
浇铸工艺对 ＡＺ９ １ Ｄ镁合金组 织的影 响
王 瑞 权 ，黄 海 军 ，冯 旭 东 ２，李 明娥
（１．兰 州理 工大 学 材 料科 学与 工程 学院 ， 甘 肃 兰州 ７３００５０； ２河南 理工 大学 材料 科 学与工 程 学院 ， 河 南 焦 作 ４７４００３） 摘 要 ：系统研 究 了冷 却速 率 、浇注 温 度 、浇注 尺寸 等 工 艺对 镁合 金组 织 的影 响 。结果 表 明 ：随着冷 却 速率 的增大 ，合 金凝 固组 织 中的ｐ—Ｍｇ－ Ａｌｌ２相 的 量逐渐 增 多 ，晶粒 逐渐 减小 ； 随着 浇 注温度 的升 高 ，其 铸态 组 织逐渐 钝化 ，由蔷薇状 组 织逐渐 变 成细小 的 等轴 晶 ；随着 浇注 尺 寸的增 大 ，从铸件 边缘 到 中心 的 晶粒 大小 差 别也增 大 ，铸件 中心 晶粒 也依 次增 大 。 关键 词 ：镁合 金 ；冷却速 率 ；浇注 温 度 ；浇 注尺 寸
Ｅ缗ｅｃｔ ｏｆ Ｃ ａｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ Ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｆ ＡＺ９ １ Ｄ Ｍ ａｇｎｅｓｉｕｍ Ａｌｌｏｙ
Ⅵ Ｎ Ｇ Ｒ ｕｉ—ｑｕａｎ１ ７ ＨＵＡＮＧ Ｈａｉ—ｉｕｎ ．ＦＥＮＧ Ｘｕ—ｄｏｎｇ ．ＬＩ Ｍ ｉｎｇ．ｅ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
微 照片 ：图 ５为 （ｐ４５的铸件 上 截取 的横 断面金 相 显微 照 片 ，ａ为边缘 部分 ，ｂ为铸件 中心 区域 ； 图 ６为 （ｐ７０的铸 件上 截取 的横 断面 金相 显微照 片 ，ａ为边缘 部分 ，ｂ为铸件 中部 ，Ｃ为 中心 区 域 （如 图 １所 示 ）。可 以看 出 ，随着 铸件 直径 的 增 大 ，从 边缘 到 中心 的晶粒 大 小 的差 别也 越 大
图 １试样 制备示 意 图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍ ａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓａｍ ｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
１．３ 晶粒 细化 方法 ＡＺ９１Ｄ镁 合金 铸态 晶粒较粗 大 ，机 械性 能
差 ，限制 了它的应用 。陈体 军 。 等人 的研 究表 明 ，在ＡＺ９１Ｄ镁合 金 中添 ￣ｌｌＡ１一Ｔｉ—Ｂ，可 以显著 细化其 晶粒 ，提 高其 力学性能 。 因此 ，本实验 在镁 合金熔 化后加 入０．３％的Ａｌ—Ｔｉ—Ｂ起细化 作 用 。
Ｌａｎｚｈｏｕ， Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｊｉａｏｚｕｏ，Ｈｅｎａｎ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ，ｐｏｕｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｉｚｅ ｏｎ ｍ ａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．ｔｈｅ ａｌｌｏｙ
（如 图 ４Ｎ６）。晶粒从 铸件 边缘 到 中心均 逐渐 长 大 ，但 （ｐ１５铸件 不太 明显 ，晶粒大 小相 对 比较 均匀 ，（ｐ４５和 （ｐ７０的边缘 和 中心 晶粒 相 差较 大 。 在 ｃｐ４５和 （ｐ７０的边缘 区晶粒都 比较 － ￣ｍＪＪ＼，和 （ｐ１５ 的组 织相 接 近都 是 比较 ￣ｍ／Ｊ＼的等轴 晶 ，但 它们 的之 间部位 是 比较粗 大的树 枝 晶 。
× ２００ ｍｍ ． 巾４５ｍｍ × １５０ ｉｎｌｎ， 巾７０ｒａ ｍ × １６０
２３
ｍｍ；然 后从边缘 到 中心 按 图１所示取样 ，分析 料 制成金相 试样 ，用４％的硝 酸腐蚀 ，在ＭＥＦ－３ 微观组 织随直 径改 变时的 变化情况 。最后取 坯 金 相显微镜 上观 察组 织形貌 。
２ 试验 结 果 与 分析
２．１冷却 速率对镁 合金组 织的影 响 图 １所示 为镁合 金在不 同冷 却速率 下铸态
及 再 重熔半 固态 组 织 。从 铸态 组 织看 ，随 着冷 却 速 率 的升 高 ，合 金凝 固 组织 中的Ｊ３－Ｍｇｌ７Ａ１１２ 相 的量逐渐 增 多。在 ０．０５￣Ｃ／Ｓ时 ，ｐ相 的网状组 织 分布有 断 开 ，大 部 分处 于晶界 处 ，只有 少量 位 于枝 晶问 ；在 ０－３￣Ｃ／Ｓ时 ，ｐ相 呈连 续 网状分
ＡＺ９１Ｄ镁 合 金具 有 强度 高 、密 度小 、铸造 性 能好 、资源 丰 富等 优 点 ，广 泛应 用 于航 空 、 航 天 及 汽 车 制 造 等 领 域 ［１－４１。但 未 细化 处 理 的 ＡＺ９１Ｄ镁 合金 中会 出现 粗大 的树 枝 晶 ，严 重损 害 了材 料 的性 能 。 晶粒 分布 ，使组 织 趋 于均 匀 ，减 少偏 析 倾 向 ，从而 具 有更 多性 ＦＩｅ４ ＂阳［艺 上 的优 点 。 因此 ，在镁 合 金 产 品生 产过 程 中 ，晶粒 细 化 处 理 是一 个不 可或缺 的 重要 工艺 川。
表 １ ＡＺ９１Ｄ 镁合 金的化 学成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｈｅｍ ｉｃａｌ ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆＡ Ｚ９ １ Ｄ ｍ ａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏ
化学成 分 Ａｌ Ｚｎ Ｍｎ Ｓｉ Ｃｕ Ｎｉ Ｆｅ Ｍｇ Ｗｔ％ ８．９２ ０．７５ ０．２ １ ０．１ ０．００３ ０．００２ ０．００５ 余量
布在 晶界 处 ，但数 量有 所增 加 ；铸态 组织 由于 不 平 衡 凝 固 产 生 偏 析 导 致 组 织 不 均 匀 ，在 ０．７℃／Ｓ时 ，主要是 由Ｑ－Ｍｇ和 沿 晶界 网状分布 的 ［３－Ｍｇｌ７Ａ１ｌ２相组 成 ，枝 晶偏析 比较严重 。
在 凝 固过程 中 ，０【一Ｍｇ晶核 首先析 出 ，将 多 余 的Ａｌ原子排 出 ，在凝 固界面前 沿形成 了溶质 富集层 ，形 成“成分过冷 ”，使 原先 的平界 面遭 到破坏 ，形成树 枝 晶。铸 型的冷却 能力愈 强 ， 熔体 中生成 的ｃ【－Ｍｇ品核 数量就 愈多 。同时冷却 速 度快有 利于树 枝 晶发 展 出二次和三 次枝 晶 臂 ，Ｏ【一Ｍｇ枝 晶臂就 愈细化 。此外 ，铸型 的冷 却 速度 愈大 ，０【一Ｍｇ晶体 的生长 速度也 愈快 ，达 到 共 晶温度 时 ，枝 晶间剩 余的富Ａｌ液体就 愈多 ， 最后形 成的 共晶组 织就愈 多 Ｊ。
（ａ）６９０￣Ｃ，铸 态
（ｂ）７０５￣Ｃ，铸 态
（ｃ）７８０￣Ｃ，铸 态
图 ３浇 注 温度对 镁合 金组 织 的影响
Ｆｉｇ＿３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐｏｕｆｉｎｇ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｉｌ ｍ ａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕ ｒｅ
２－３浇注尺 寸对 镁合 金组 织 的影 响 图 ４为 （ｐ１５的铸 件上 截取 的横 断面 金相 显
组织 。 图 中可 以看 出 ，随 着浇 注 温度 的 升高 ， 其铸 态 组织 逐渐 钝 化 ，由蔷 薇 状组 织 逐渐 变 成 细小 的 等轴 晶 。试 验过 程 中 ，液态 金 属 浇注 到 金属 模 具后 快速 冷 却速 度 很快 ，所 以合 金不 可 能达 到平 衡凝 固。合 金 溶液 由于浇 注 温度 不 同 从 而 导 致过 热度 不 同 ，进而 使 得合 金 液 中 晶粒 的形核 率 和 长大 速 度对 初生 相 的形 貌 产 生较 大 影响 。 另外 ，浇 注 温度 不 同 ，金属 液 在 浇注 系 统 内流动 时粘 度 不 同 ，使液 相 流动 方 式不 同 ， 导 致初 生 相颗 粒 在长 大 过程 中 ，其 周 围液 相 的 溶质 浓 度有 所差 异 ，使得 初 生相 颗 粒 长大 方 式
发 生变 化 。这 些原 因的综 合作 用 最终 使合 金 组 织 中初 生相 颗粒 形貌 呈现 出差 异 ｊ。
合 金 晶粒大 小主 要取 决与熔 体凝 固ｎＩ，－￣９形 核 率 （Ｎ）和 随后 晶粒长 大的 速度（Ｇ），而在一 般 液态 金属 的过 冷范 围 内 ，过冷 度 越大 ，形核 率 （Ｎ）和 长大 速度 （Ｇ）的 比值 （Ｎ／Ｇ）越大 ， 晶粒 越 细小 。但 是 ，在 本 实验条 件 下 ，形核 率 不 仅仅 受过 冷度 的影 响 ，还 受到Ａ１一Ｔｉ—Ｂ细化 剂 产生异 质形核 质 点数量 以及 过热 细化 的影 响 ， 是 几者 共 同作用 的结 果 。温度越 高 ，Ａ１．Ｔｉ—Ｂ分 解 的异 质形核 质 点越 多 ，高温异 质形核 及 过热 细 化的 作用就 大 于低温 过冷 度形 核作 用 ，最终 导 致温 度越 高 晶粒 越细 小 。
ｓｏｌｉｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐ—Ｍ ｇ ｌ ７Ａｌ １ ２ ｐｈａｓｅ ｗａｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ
ｇｒａｄｕａｌｌｙ；Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｔｓ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒａｄｕａｌ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ，ｃｈａｎｇｅ ｆｒｏｍ Ｒｏｓｅ．１ｉｋｅ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｓｍ ａｌｌ ｅｑｕｉａｘｅｄ ｇｒａｉｎｓ；ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃａｓｔ ｓｉｚｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｄｉｆ．ｆｅｒｅｎｃｅ ｉＳ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｅｄｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ， ｇｒａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｉＳ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍ ａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ；ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃａｓｔｉｎｇ ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎｓ