鎂合金的晶粒細(xì)化與變質(zhì)處理
2019-12-06 14:06 ?瀏覽：次
在金屬材料生產(chǎn)中人們總是希望它們具有細(xì)的晶粒組織，因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，其力學(xué)性能與塑性加工性能也越好。在熔煉鑄造鎂合金過(guò)程中如晶粒細(xì)化處理得當(dāng)，則可以降低鑄件凝固過(guò)程中的熱裂傾向；在熔鑄變形鎂合金時(shí)若錠坯具有細(xì)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(xiàng)性能也更高。因此，細(xì)化處理在鎂合金熔煉鑄造中是一道極為重要的關(guān)鍵性工序，不可等閑視之。
在熔煉鑄造鎂合金時(shí)，現(xiàn)有的細(xì)化晶粒措施有兩類：變質(zhì)處理和強(qiáng)外場(chǎng)作用。變質(zhì)處理就是向熔體內(nèi)添加高熔點(diǎn)物質(zhì)，形成大量的異質(zhì)晶核，獲得細(xì)小的晶粒組織。強(qiáng)外場(chǎng)細(xì)化晶粒的機(jī)理就是向熔體施以電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波、機(jī)械震動(dòng)、攪拌等強(qiáng)場(chǎng)作用，促進(jìn)熔體形核過(guò)程，并破壞已形成的枝晶，成為游離晶體，增加晶核數(shù)量，還可以強(qiáng)化物質(zhì)傳遞，消除成分偏析?？焖倌桃彩怯行У募?xì)化鎂合金組織的措施，一方面可以提高熔體內(nèi)的形核率，另方面可抑制晶核長(zhǎng)大。目前，常用的鎂合金變質(zhì)劑有：含碳物質(zhì)，C2Cl4和高熔點(diǎn)金屬Zr、TiB、V等。
含碳變質(zhì)劑
碳雖不固熔于鎂，但可與鎂反應(yīng)生成Mg2C3和MgC2，成為異質(zhì)晶核，細(xì)化晶粒。碳對(duì)Mg-Al系及Mg-Zn系合金有明顯的晶粒細(xì)化作用，而對(duì)Mg-Mn系合金則幾乎沒(méi)有細(xì)化效果。C進(jìn)入Mg-Al系合金熔體后，與Al形成大量細(xì)小、彌散的Al4C3質(zhì)點(diǎn)，其晶格類型和晶格常數(shù)與鎂的相應(yīng)值很接近，是鎂合金的良好形核質(zhì)點(diǎn)，使鎂合金的晶粒顯著細(xì)化。
生產(chǎn)中常用的含碳變質(zhì)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(fā)生如下反應(yīng)：
MgCO3=MgO+CO3↑
MgCO3的加入量一般為鎂合金熔體質(zhì)量的0.5%~0.6%，熔體溫度760℃~730℃，處理時(shí)間5min~8min。
C2Cl6是鎂合金的常用變質(zhì)劑之一，既有除氣作用又有晶粒細(xì)化效果。加入C2Cl6后熔體中可形成Al-C-O化合物質(zhì)點(diǎn)，是鎂合金的良好結(jié)晶核心。有研究顯示，AZ31合金經(jīng)C2Cl6變質(zhì)處理后，晶粒尺寸由280um下降到120um，抗拉強(qiáng)度明顯提高。C2Cl6對(duì)ZM5合金的變質(zhì)處理效果比MgCO3的高得多。用C2Cl6與其他變質(zhì)劑組成的復(fù)合變質(zhì)劑有更高的變質(zhì)效果。C2Cl6的用量為爐料質(zhì)量的5%~8%，熔體溫度為740℃~760℃。
其他變質(zhì)劑
鋯對(duì)Mg-Zn系、Mg-RE系和Mg-Ca系鎂合金有明顯的晶粒細(xì)化作用，在鎂合金生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用，但其細(xì)化機(jī)理尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為，鎂-鋯合金的晶粒細(xì)化效果主要來(lái)自固溶于鎂中的那部分鋯，而其余的鋯的細(xì)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(xì)化效果卻有著明顯的差別。
含鋯的鎂合金在精煉后，雜質(zhì)都沉于坩堝底部，為避免雜質(zhì)混入鑄件中，澆入鑄型后坩堝仍應(yīng)保留足夠的熔體，一般不得少于爐料量的15%，澆注時(shí)宜平穩(wěn)，盡量避免熔體過(guò)分湍流和溢出，同時(shí)應(yīng)靜置足夠的時(shí)間。
Mg-Al合金在變質(zhì)處理后需進(jìn)行精煉，但以鋯細(xì)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(zhì)效果；0.5%Sc+（0.3~0.5）% Sm可明顯細(xì)化Mg-Mn系合金的晶粒；0.2%La~0.8%La對(duì)Mg－Mn系合金也有顯著的晶粒細(xì)化作用。