Mg-Al合金晶粒細化工藝及機理研究.pdf

1、Mg-Al系合金是目前應用最為普遍的鎂合金，目前已廣泛應用于電子、航空航天、汽車等領域，在未來也有更好的應用前景。ZM5鎂合金作為Mg-Al系合金的典型代表，以其優(yōu)良的性能而受到越來越多的關注。但其結晶溫度較寬、體積收縮率大，有明顯的晶粒粗化趨勢，易產生縮松、熱裂等缺陷，嚴重制約了鎂合金的發(fā)展。晶粒細化能顯著提高鎂合金材料的綜合力學性能和鑄造性能，大大改善鎂合金的加工性能。本文主要以ZM5鎂合金為研究主體，采用光學顯微鏡(OM)、掃描電

2、子顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)等手段對Mg-Al合金晶粒細化工藝及機理進行研究，主要探討了不同的冷卻速度和不同碳質變質劑及不同加入量對ZM5鎂合金顯微組織和力學性能的影響，并探索其細化機理。
　　研究不同冷卻速率(包括金屬型銅模、金屬型鋼模，含10mm厚和20mm厚冷鐵的階梯型樹脂砂型模具)對ZM5鎂合金微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，分析計算冷卻速率與晶粒尺寸以及綜合力學性能之間定量關系式，探索其細化規(guī)律。結果表明，隨著冷卻速

3、度的不斷增大，ZM5鎂合金的晶粒得到明顯細化，性能也變得更加優(yōu)良。在金屬型銅模鑄造條件下，其冷卻速度最快，為7.88℃/s，其晶粒尺寸最為細小，為70.31μm;在砂型階梯模中，由各區(qū)域由薄到厚依次為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，在砂型Ⅲ區(qū)(含10mm厚的冷鐵)中，其冷卻速度最慢，為2.94℃/s，晶粒尺寸也最為粗大，為166.43μm。其晶粒尺寸由166.43μm減小到70.31μm，減小約2.5倍。其第二相的形狀由連續(xù)的網(wǎng)狀、長鏈條狀、塊狀逐漸

4、變成不連續(xù)的雪花狀、針狀、顆粒狀。ZM5鎂合金的力學性能得到顯著提高。其硬度值由54.6HB提高到66.8HB，增幅達22％;抗拉強度由165MPa提高到225MPa，增幅達36％;延伸率由2.2％增加到3.5％，增幅達59％;晶粒尺寸(D)、抗拉強度(Rm)、硬度(HB)、延伸率(A)冷卻速率的定量關系為:D=221.33v-0.333，Rm=exp(5.21932-0.07165v+0.01246v2)，HB=exp(4.05024

5、-0.03v+0.00655v2)，A=exp(0.84396-0.002579v+0.00948v2)。
　　研究不同碳質變質劑(包括C2Cl6、Al-5Ti-0.8C中間合金、MnCO3)及不同加入量對ZM5鎂合金組織和性能的影響規(guī)律。實驗結果表明，變質劑的加入，對鎂合金起到不同程度的細化作用。C2Cl6、Al-5Ti-0.8C、MnCO3三種變質劑的最佳加入量為:1.5％、2.4％、0.5％，其平均晶粒尺寸由未變質的188.

6、86μm分別減少到75.87μm、90.34μm、103.75μm，抗拉強度較未添加的分別增加了16.2％(鑄態(tài))、39.0％(T6熱處理態(tài));5.9％(鑄態(tài))、36.6％(T6熱處理態(tài));5.4％、19.5％;伸長率分別增加了25.0％(鑄態(tài))、66.7％(T6熱處理態(tài));42.8％、70.0％;17.9％、26.7％。細化效果最為明顯的是C2Cl6，其次是Al-5Ti-0.8C，然后為MnCO3。
　　采用SEM和EDS對三種

7、碳質變質劑的細化機理進行分析討論。研究結果表明，C2Cl6的加入，在鎂合金熔體中可能生成Al4C3顆粒，其可作為α-Mg的有效形核核心，有效提高其形核率，使晶粒得以細化;添加Al-5Ti-0.8C中間合金，在鎂合金熔體中可能生成TiC和Al4C3兩種顆粒，可作為α-Mg基體的有效形核核心，進而促進晶粒細化;加入MnCO3，一方面是由于鎂合金熔體在反應過程中可能生成Al4C3顆粒，可作為異質形核的核心，另一方面，由于C、Mn元素的引進，其