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锶影响AZ31和ZK60镁合金铸态组织的基础研究

程仁菊  
【摘要】:镁及镁合金由于其密度低、比强度高、电磁屏蔽性好、弹性模量高及其它一些优异的性能而被认为是一种很有应用前景的材料。但由于镁合金密排六方的晶体结构(HCP),使得目前镁合金的机械性能和塑性加工能力仍难以满足一些汽车零部件及其它方面应用的需求。晶粒细化对提高铸造镁合金和变形镁合金的机械性能都是行之有效的方法,铸件中微观组织的细化能使溶质元素分布更加均匀,第二相更加细小。晶粒细化还可以提高合金的挤压性能、轧制性能、抗热裂性能和表面光洁度等,并能降低变形镁合金加工件的生产成本。锶及含锶合金作为一种有效的晶粒细化剂已被广泛的应用于铝合金,但关于其在镁合金中的作用的研究还相当缺乏和零散。AZ31和ZK60分别是Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr合金系中最有代表性,也是目前应用最广泛的商用变形镁合金。而铸态组织的好坏对材料的力学和使用性能有极其重要的影响。因此,系统研究含锶中间合金对AZ31和ZK60镁合金铸态组织的影响,有重要的理论研究价值和实际指导意义。 本文采用金相显微镜、扫描电镜及能谱分析仪、X射线衍射分析仪、差热分析仪和Thermo-Calco软件计算等手段,系统研究了锶加入量、锶添加形式、锶中间合金状态、熔体保温温度和保温时间等对AZ31和ZK60合金铸态组织的影响,并探讨分析了锶对AZ31和ZK60合金组织细化的机理. 研究结果表明:Al-Sr和Mg-Sr中间合金对AZ31合金,Mg-Sr中间合金对ZK60合金晶粒大小及二次枝晶平均臂间距均有很好的细化作用,在本实验条件下细化效率均随锶含量的增加而提高。中间合金原始状态、中间合金的类型、熔体保温温度和时间等对晶粒大小有重要影响,虽然其对二次枝晶臂间距的影响规律与对晶粒大小的影响相似,但以上各因素对二次枝晶臂间距的影响较小。 锶中间合金的类型对于锶细化AZ31合金晶粒的效率存在较大影响。总体而言,在相同条件下以Mg-Sr中间合金形式添加锶较以Al-Sr中间合金形式添加锶可使AZ31合金获得更高的晶粒细化效率。同时,Al-Sr和Mg-Sr中间合金细化AZ31合金晶粒的效率还随熔体保温时间的变化而呈不同的变化规律。在熔体保温温度相同的条件下,Al-Sr中间合金的细化效率随熔体保温时间的延长而逐渐增加,而Mg-Sr中间合金虽然可在很短的保温时间内获得较高的细化效率,但此后随着保温时间的延长细化效率提高不明显。此外,Al-Sr和Mg-Sr中间合金细化AZ31合金晶粒的效率受熔体保温温度的影响也较大。在740℃熔体保温温度下,Mg-Sr中间合金的晶粒细化效果较Al-Sr中间合金好。而在780℃熔体保温温度下,虽然Al-Sr和Mg-Sr中间合金的细化效率均随着保温时间的延长先增加后减小,但Al-Sr中间合金在长的熔体保温时间下似乎能获得更高的细化效率。 锶中间合金的原始状态不同,对晶粒大小的细化效率不同。对于Al-Sr中间合金,尽管以商用原始态、热处理态、变形态和重熔快速凝固态Al-Sr中间合金形式添加锶均能有效细化AZ31合金的晶粒,但不同状态中间合金的晶粒细化效果存在一定差异。重熔快速凝固态Al-Sr中间合金的晶粒细化效果好于商用原始态、热处理态和变形态,而商用原始态、热处理态和变形态的晶粒细化效果差别不大。对于Mg-Sr中间合金,尽管以常规铸态、热处理态、变形态和快速凝固态Mg-Sr中间合金形式添加锶均能有效细化AZ31和ZK60合金的晶粒,但不同状态中间合金的晶粒细化效果也存在一定差异。变形态Mg-Sr中间合金的晶粒细化效果最好,其次依次是热处理态和常规铸态,而快速凝固态的细化效果则相对较差。 熔体保温温度和时间对含锶中间合金处理AZ31和ZK60合金的晶粒细化效果有重要影响。对于AZ31合金,当以Al-Sr中间合金形式添加锶时,在熔体保温温度相同的条件下,随着熔体保温时间的从20min延长到120min,锶细化AZ31合金晶粒的效率逐渐增加。而在熔体保温时间相同的条件下,随着熔体保温温度从700℃升高到780℃,锶细化AZ31合金晶粒的效率逐渐增加;当以Mg-Sr中间合金形式添加锶时,在700℃、740℃和780℃三个熔体保温温度中,以740℃时锶对 AZ31合金的晶粒细化效果最好。对于ZK60合金,当熔体保温温度为740℃时,随着熔体保温时间从20min延长到120min,锶细化ZK60合金晶粒的效率先增加后减小,其中在80min熔体保温时间下可获得最高的晶粒细化效率。AZ31合金中的主要第二相有片状和棒状离异共晶β-Mg17Al12、少量片层状共晶α-Mg+β-Mg17Al12相,花瓣状Al8Mn5相。当锶含量超过0.07%后,还生成了片状Al4Sr相,Al4Sr相分布在晶界。ZK60合金中的主要第二相有片层状或骨骼状MgZn、少量片状离异共晶MgZn2相、少量ZnxZry相。添加锶后合金中没有含锶相形成,锶分布在晶界与MgZn和MgZn2相共存。 锶细化AZ31和ZK60合金晶粒的机制在于增加凝固时的过冷度从而增大形核几率和降低结晶再辉温差从而限制α-Mg晶粒的长大,以及提高了合金的生长抑制因子而起到晶粒细化的效果。而Al-Sr和Mg-Sr中间合金细化AZ31合金晶粒的差异则主要与中间合金中的Al4Sr和Mg17Sr2相分解和/或熔解为游离态锶的速率不同有关。类似地,不同状态Al-Sr和Mg-Sr中间合金细化AZ31和/或ZK60合金晶粒的差异也主要与不同状态中间合金中含锶相的尺寸不同从而导致其分解和/或熔解为游离态锶的速率不同有关。此外,熔体保温温度和时间对锶细化AZ31合金晶粒的影响与锶中间合金中的含锶相分解和/或熔解为游离态锶的速率密切相关。


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