旋转磁场对富铈混合稀土合金化压铸AZ81镁合金组织与性能的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 4 7 旋转磁场对富铈混合稀土合金化压铸A Z 8 1 镁 合金组织与性能的影响 冯小平 西华大学，成都6 1 0 0 3 9 摘要采用自行开发的电磁搅拌器研究了熔炼时向A Z 8 1 镁合金中添加富铈混合稀土 M M ，同时施加 旋转磁场情况下，旋转磁场对M M 合金化A Z 8 1 镁合金组织和结构的影响。结果表明，随着旋转磁场激 磁电压的增大，8 一M 9 1 r A l I 相的尺寸减小，且分布越来越均匀。室温拉伸试验结果表明施加旋转磁场 后，合金的强度、硬度等力学性能增加。蠕变试验结果表明，激磁电压越高，在1 2 0h 内合金的总蠕变量 越小，其变形率越小。 关键词A Z 8 1 合金；富铈混合稀土；压铸；旋转磁场 中图分类号T G l 4 6 ．2 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 0 2 一0 0 4 7 一0 4 E f f e c to fE l e c t r o m a g n e t i cS t i r r i n go nM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so f A Z 81M a g n e s i u mA l l o yw i t hC e - r i c hM i s hM e t a l s F E N GX i a o p i n g X i h u aU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 3 9 ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h eh e l po fs e l f - m a d ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gd e v i c e ，t h ee f f e c to fe v o l v i n gm a g n e t i cf i e l do n A Z 8 1m a g n e s i u ma l l o ya l l o y e dw i t hC e - r i c hM Mh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ee x - c i t a t i o nv o l t a g ei n c r e a s i n gt h em o r p h o l o g yo fp M g l 7A l l 2p h a s ei nt h ea l l o yc h a n g e df r o md i s c o n t i n u o u s b o n e ds t r u c t u r et od e t a c h e ds p h e r e ，a n dt h e i rd i s t r i b u t i o ni sm o r es y m m e t r i c a l ．T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t e s t i n gs h o w st h a ts t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h ea l l o yd e a l tw i t he l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw i l li n c r e a s e ．A n d t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi m p r o v e st h ec r e e pb e h a v i o ro ft h ea l l o ys i g n i f i c a n t l y ． K e yw o r d s A Z 81a l l o y ；C e r i u m - r i c hm i s hm e t a l s ；D i ec a s t i n g ；R e v o l v i n gm a g n e t i cf i e l d 目前，镁合金主要通过压铸方式生产，而占压铸 镁合金9 0 ％以上的A Z 9 1 抗蠕变性能差，主要用于 服役温度低于1 2 0 ℃的应用领域，难以在中高温条 件下使用，大大限制了镁合金的应用范围n ] 。稀土 是改善铸造镁合金耐热性最有效和最具实用价值的 金属之一[ 2 ] ，往镁合金中添加稀土以提高耐热性的 研究在国内外均有报道。多数研究者采用添加较高 含量的纯C e 、Y 、N d 、A g 和S c 等价格昂贵元素的方 法，导致成本过高，因而用相对廉价的混合稀土来改 性镁合金性能成为研究的热点口叫] 。A Z 8 1 的性能 作者简介冯小平 1 9 6 8 - - ．女，工程师 非常接近A Z 9 1 D ，在内燃凿岩机等许多在较高冲击 载荷下工作的手持式矿山机械中得到了广泛应 用‘”。而且A Z 8 1 的A 1 含量相对A Z 9 1 较低，铸造 性能好。王小强等[ 6 3 研究了Y 对A Z 8 1 镁合金组织 和力学性能的影响，认为Y 主要通过固溶强化、析 出强化和细晶强化提高了合金的室温和高温强度， 改善了合金的塑性。朱志兵等[ 7 ] 研究了富铈混合稀 土对压铸A Z 8 1 合金组织和性能的影响，研究结果 表明，富铈混合稀土的加入显著提高了合金的蠕变 抗力。 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 S p i g a r e l l iS 和R e g e vM 等。对A Z g l 合金经 沙铸、压铸和半固态触变铸造后的蠕变行为进行了 研究，认为半固态触变的合金蠕变激活能高，抗高温 蠕变性能最好。而在非晶组织锭料的制备、二次加 热和触变成形的半固态触变技术中，非枝晶组织锭 料的制备对成形后合金的组织和性能有着重要的影 响。迄今为止，非枝晶组织锭料的制备方法主要有 机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、控 制浇注温度法、喷射沉积法和固液混合铸造法等，其 中电磁搅拌法由于对熔体污染小、搅拌均匀和使用 范围广等优点，备受人们关注，极具工业应用前景， 而且电磁搅拌是一种非接触式搅拌，克服了机械搅 拌直接接触金属液容易卷入气渣造成组织缺陷等缺 点[ 9 ] 。目前，添加混合稀土后，同时施加旋转磁场对 镁合金组织及性能影响的研究报道还非常少见。本 文报道了旋转磁场对富铈混合合金化A Z 8 1 镁合金 组织及性能的影响，为研制抗高温蠕变镁合金提供 试验根据。 1实验方法 1 ．1 实验装置及工艺 实验在自行设计的水平旋转磁场凝固实验装置 上进行，实验装置如图1 所示。该装置选用一个三 相异步电机的定子线圈作为旋转磁场的发生器。通 过三相调压变压器改变激磁电压，调节磁场强度的 变化。 旋转磁场发生器耐火砖双掷开关调压变压器 图1 旋转磁场发生装置 F i g ．1 E x c i t a t i o nd e v i c eo fr e v o l v i n g m a g n e t i cf i e l d 试样用材料为A Z 8 1 镁合金，其主要成分为 7 ．3 ％A 1 、0 ．3 5 ％Z n 、0 ．1 5 ％M n 、其余量为M g 。将 镁合金块装入高纯石墨坩埚，在合金表面均匀撒上 覆盖剂，加热至6 5 0 “ C ，保温静置5r a i n ，待炉料全部 熔化。然后加入混合稀土，加热升温至8 2 0 ℃，保温 静置5r a i n ，以使稀土溶解于合金。待温度降至 6 5 0 ℃时施加旋转磁场，让熔体自然冷却至室温。 I ．2 显微组织观察及性能测试 从凝固后的样品上截取试样，经过平整端面、预 磨抛光和0 ．5 ％的硝酸酒精溶液浸蚀，在C A M B R I D G E 2 5 0 一M K 2 型扫描电镜下观察合金的显微 组织；用带测微目镜的光学显微镜测量2 0 个晶粒的 直径，求其平均值作为衡量晶粒尺寸大小的尺度。 在M C 0 0 9 一w E w 型万能材料实验机上进行室温下 的拉伸试验，采用棒状拉伸试样，其标距段直径 1 0m m ，长度5 0m m ，取样位置距离圆柱状的铸锭中 心线1 ／2 半径处，且拉伸方向平行于铸锭的中心线； 采用H B 3 0 0 0 型布氏硬度计测量试样的硬度。蠕变 试验在自主研制微控机制蠕变试验测试系统 温度 波动范围士2 ℃ 上进行。蠕变试验应力5 0M P a ，温 度1 5 0 ℃，时间1 2 0h 。 2 结果与讨论 2 ．1 旋转磁场对富铈混合稀土合金化A Z S I 镁合 金显微组织的影响 图2 为部分A Z 8 1 合金的显微组织照片。通常 A Z 8 1 镁合金的显微组织由a - M g 基体、分布在晶界 周围的白色网状B M g ．，A 1 。相和少量的共晶组织组 成。A Z 8 1 合金加入富铈混合稀土 M M ，能促进平 面方式生长向胞状和树枝状方式生长，减少二次枝 晶间距；稀土还在凝固界面前沿富集，阻止了其他合 金元素向固相的扩散，降低了合金元素在a 相中的 固溶度，使共晶体数量增多而细化晶粒。M M 合金 化A Z 8 1 镁合金组织中还出现了鱼骨状和针状的新 相，经X R D 谱分析为A l 。M M 相 其中x 为1 ～4 。 由图2 可见，随着激磁电压的增大，组织中 B ．M g 。，A I ，。相尺寸减小，由骨骼状逐渐向球粒状转 变，产生的新相由鱼骨状、长针状逐渐向短针状转 变，且分布越来越均匀。 光学显微镜观测的不同励磁电压下晶粒的尺 寸。可以看出，即随激磁电压从0 V 增加到7 0V ，晶 粒尺寸不断减小 从7 2 肛m 减小到5 0 肛m 。A Z 8 1 合金中添加稀土后，由于稀土与A l 的电负性比和 M g 的电负性大，稀土元素会优先与A l 形成 A l ；M M 化合物。在合金的凝固过程中，A l 。M M 由 于熔点高而将首先析出，在晶界形成骨架，促进了形 核，并阻止了a - M g 相的聚合长大，从而细化了组 织。在此同时施加旋转磁场，熔体受电磁力作用，固 液界面上的晶体很容易发生断裂，晶粒之间互相磨 损，剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断， 形成了更多的细小晶粒，随着激磁电压的增大，旋转 磁场磁感应强度增大，搅拌作用加强，晶粒的尺寸会 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 4 9 图2 不同激磁电压下A z 8 l M M 合金的显微组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r e so fA Z 8 1 - M Ma l l o yu n d e r d i f f e r e n te x c i t a t i o nv o l t a g e s 变得更细小。同时，由于熔体流动速率的提高，提高 了熔体中各种溶质元素的传输能力，使得在熔体中的 各处有比较均等的形核机会。因此A 1 。M M 也由鱼骨 状、长针状变为短针状，而且分布也变的更加均匀。 图3 为旋转磁场与金属液体作用示意图。处于 旋转磁场中的金属液的每_ 质点均受电磁力的作用 而产生旋转运动。根据电磁感应原理，液体金属的 每一个垂直截面都不断地切割磁力线，感应出电动 势，感应电动势又使金属液产生感应电流I 。图中， F 为旋转磁场引起的洛仑兹力，F 。为洛仑兹力切向 分量，F f 为洛仑兹力径向分量，E 为铸型壁对金属液 的反作用力，F o 为金属液或铸型壁的阻力。在洛仑兹 力切向分量和径向分量的作用下，金属液产生强烈的 水平二维运动，竖直方向的轴向力E 使金属液中各质 点最终产生三维运动，形成强烈的搅拌作用。 2 ．2 旋转磁场对A Z 8 1 一M M 合金常规机械性能的 影晌 对不同激磁电压下合金的力学性能进行测试， 结果如表1 所示。从表1 可以看出，施加旋转磁场 可以显著提高A Z 8 1 合金的力学性能，当激磁电压 由0 V 增大到7 0V 时，合金的抗拉强度、屈服强度、 伸长率和硬度有不同程度的提高。 施加旋转磁场后，一方面，A I 、Z n 等合金元素在 a - M g 中的溶解度将显著提高，晶间化合物大为减 图3 旋转磁场与金属液体作用 F i g ．3 T h ee f f e c to fr e v o l v i n gm a g n e t i c f i e l do nt h em e t a ll i q u i d 少，降低了对晶界的钉扎作用，其结果是镁合金的塑 性将大为改观。另一方面，f l - M g t ，A 1 1 z 相和A l 。M M 相的分布更均匀，晶粒尺寸减小，表面力增加，使接 近晶粒界面处产生阻碍晶体变形的难变形区。多晶 体晶粒越细，则相应的变形难度越大，要使其产生滑 移，需要较多的力，即变形抗力增加。变形抗力的增 加即意味着强度、硬度等力学性能的增加。 2 ．3 旋转磁场对A Z 8 1 一M M 合金蠕变性能的影响 表2 为测得的稳态蠕变速率和1 2 0h 的总蠕变 量。可见，激磁电压越高，在12 0 h 内总蠕变量越 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 表1 不同激磁电c压al下Az81-MM合AZTable1M e c h a n i c ap r o p e r t i e so fA Z 金8 1 的- M 力M 学a 性l l o 能y 3结论___ u n d e rd i f f e r e n te x c i t a t i o nv o l t a g e 小，其变形率越小；且稳态蠕变速率也越小。研究表 明，镁合金蠕变主要通过位错滑动和晶界滑动两种 方式进行[ 1 0 ] 。A Z 8 1 高温蠕变性能较差的主要原因 是分布在晶界处的低熔点[ 3 - M g 。，A 1 。。相的存在，高 温下易长大变粗，组织稳定性差，无法钉扎住晶界， 从而导致晶界滑动并产生蠕变。对设计耐热镁合金 来说，组织晶界滑移和位错运动同等重要。含铝稀 土相硬度大、具有热稳定性使稀土能提高A Z 系合 金蠕变性。从图2 可见，有的在晶界形成散乱小颗 粒对晶界起钉扎作用，使晶界扩散渗透性减小，相界 的凝聚作用减慢，且形成的第二相在整个持续时间 内始终是位错运动的有效阻碍；并且，大部分稀土元 素与镁原子尺寸接近，以稀土为主要合金元素的铸 造镁合金，室温和高温下固溶强化和沉淀效果好。 特别是在镁中加入三价稀土元素后电子浓度提高， 原子结合力增强，在2 0 0 , - - - “ 3 0 0 ℃之间固溶度变化较 小，相界面附近浓度梯度较低。A Z 8 1 加入稀土能 细化晶粒，晶粒越细滑移面越宽，合金抗蠕变能力越 差。但稀土加入对于阻止高温下镁合金晶界迁移和 减小扩散蠕变，提高合金高温蠕变性的有利作用大 予合金细化造成的不利影响，使添加稀土镁合金具 有较好的高温抗蠕变性能。 表2A Z 8 1 - M M 合金最小蠕变速率和蠕变量 T a b l e2T h el e a s tc r e e pr a t ea n dc r e e p q u a n t i t yo fA Z 8 1 - M Ma l l o y 提高合金蠕变性，采用净化和微合金化进行晶 界强化是重要手段。加入稀土有净化和微合金化作 用；但应看到，镁合金蠕变室温下以位错滑移为主， 高温下以晶界滑动为主。常规压铸件大量微气孑L 存 在于晶界，使合金蠕变强度大大降低。开展电磁搅 拌等半固态压铸工艺，对消除此类缺陷，进一步提高 镁合金高温性能非常重要。 1 在A Z 8 1 镁合金中添加富铈混合稀土，在熔 炼时施加旋转磁场，强电磁搅拌使得合金中的 8 一M g 。，A I ，相尺寸减小，由骨骼状逐渐向球粒状转 变，稀土化合物新相A l 。M M 也由鱼骨状、长针状变 为短针状，而且分布也变的更加均匀； 2 施加旋转磁场后，一方面，A l 、Z n 等合金元 素在a M g 中的溶解度将显著提高，晶间化合物大 为减少，降低了对晶界的钉扎作用，其结果是镁合金 的塑性将大为改观。另一方面，p M g ，，A l ，相和 A l 。M M 相的分布更均匀，晶粒尺寸减小，表面力增 加，使接近晶粒界面处产生阻碍晶体变形的难变形 区。合金的强度、硬度等力学性能的增加； 3 旋转磁场对于阻止高温下镁合金晶界迁移 和减小扩散蠕变，提高合金高温蠕变性有利。使添 加稀土镁合金具有较好的高温抗蠕变性能。激磁电 压越高，稳态蠕变速率越小。 参考文献 E l lP o l m e a rIj ．M a g n e s i u ma l l o y sa n da p p l i c a t i o n s 【j ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ，1 0 1 1 1 6 ． E 2 - 1M o r d i k eBL ，E b e r tT ．M a g n e s i u m p r o p e r t i e sa p p l i c a t i o n sp o t e n t i a l [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 1 3 0 2 3 7 4 5 ． [ 3 ] A t k i n s o nHV ．M o d e l i n gt h es e m i s o l i dp r o c e s s i n go f m e t a l l i ca l l o y s [ J ] ．P r o g r e s si nM a t e r i a l sS c i e n c e ， 2 0 0 5 ，5 0 3 4 1 4 1 2 ． ． [ 4 3 王立世，段汉桥，魏伯康，等．混合稀土对A Z 9 1 镁合金 组织和性能的影响[ J ] ．东南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 3 1 2 1 4 ． [ 5 ] 王振平．改铝合金为镁合金生产铸件的实践及效益分析 [ J ] ．铸造，2 0 0 0 ，4 9 9 5 5 6 5 5 7 ． [ 6 ] 王小强，李安全，张兴渊．Y 对A Z 8 1 镁合金组织和力学 性能的影响口] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 7 ，2 7 5 3 8 4 3 8 7 ． ‘ [ 7 ] 朱志兵，龙思远，章宗和，等．富铈混合稀土对压铸A Z 8 1 合金组织和性能的影响[ J ] ．重庆大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 7 ，3 0 2 2 2 - 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