電磁場和鈣微合金化對變形鎂合金AZ61組織和力學(xué)性能的影響

任 政，張興國，邱 月，隋 里，張 濤，金俊澤

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鑄造工程研究中心，大連 116024)

鎂及其合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，與其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及其合金具有比強度和比剛度高，減振性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，易切削加工和易回收等一系列優(yōu)點[1]?；阪V合金的優(yōu)越性能和人們利用輕質(zhì)材料緩解環(huán)境壓力的綜合需要，鎂及其合金的研究和發(fā)展在過去的幾十年得到較快的發(fā)展。鎂及其合金在汽車、航空航天和電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中越來越扮演著重要角色[2]。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金的強度指標(biāo)明顯高于鑄造鎂合金的[3?4]。因此，開發(fā)和研究高性能變形鎂合金成為世界鎂工業(yè)的一個重要課題。

電磁連鑄是在普通連鑄結(jié)晶器壁上沿鑄造方向開設(shè)窄縫，并在金屬彎月面部位結(jié)晶器外圍設(shè)置感應(yīng)線圈，當(dāng)線圈內(nèi)通入交變電流時，可以使液態(tài)金屬受到的電磁壓力與金屬靜壓力及表面張力引起的附加壓力達到平衡，實現(xiàn)軟接觸連鑄[5]。電磁連鑄過程中產(chǎn)生的電磁力對熔體產(chǎn)生強烈的攪拌作用，強化鑄坯液相中金屬液的運動，從而影響金屬液凝固過程中的動量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸過程，達到減少偏析、細化合金鑄態(tài)組織和改善合金表面質(zhì)量的目的[6?7]。電磁連鑄技術(shù)已經(jīng)已成功地應(yīng)用于鋼鐵、鋁合金和銅合金等領(lǐng)域[8?10]。近年來，隨著鎂工業(yè)的推進和發(fā)展，電磁連鑄技術(shù)在鎂合金中也得到了發(fā)展和應(yīng)用，并取得較好的效果[11?13]。但由于電磁連鑄過程中的電磁力強烈攪拌作用增大了金屬液面的不穩(wěn)定性，也就增大了鎂合金液面氧化的可能性。大量研究表明[14?17]，鈣合金化能提高鎂合金的燃點，提高鎂合金的純凈度，而且少量的鈣還能夠細化鑄造組織，提高合金的力學(xué)性能。鈣、鎂和鋁能形成熱穩(wěn)定性很高的第二相，顯著改善鎂合金的高溫蠕變性能。此外，鈣還具有價格低廉、密度小和熔點低等一系列優(yōu)點。本文作者采用變形鎂合金AZ61添加少量的鈣進行微合金化，并利用電磁連鑄技術(shù)對鑄造工藝進行改善，探討電磁場和鈣微合金化對變形鎂合金AZ61組織、相組成和性能的影響。

1 實驗

鎂合金的化學(xué)成分如表1所列。本試驗配制合金所用原料為純鎂錠(純度約為 99.7%)、鋁錠(純度約為99.99%)、鋅錠(純度約為 99.9%)、純鈣(純度約為99.9%)和Al-10%Mn中間合金。采用自制電阻爐進行合金熔煉，爐內(nèi)溫度由可控硅溫度控制儀來控制。先將坩堝預(yù)熱至700 ℃，在坩堝底部均勻地撒上一層粉狀RJ-2熔劑(其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 NaCl 36%~38%，CaF215%~20%，MgCl244%~47%)，然后加入鎂錠和鋁錠并在400 ℃預(yù)熱2 h，并在爐料上撒一層RJ-2熔劑，熔劑用量約占爐料質(zhì)量的1%~2%。待鎂錠和鋁錠熔化后，加入預(yù)熱的金屬鋅及Al-10%Mn中間合金，然后升溫熔煉，待合金完全熔化后對熔體輕輕攪拌，靜置15 min后撇渣，最后待金屬熔體降低到720 ℃后開始澆鑄。對于AZC6101合金，待AZ61合金完全熔化后，將金屬液降到 690 ℃，加入金屬 Ca，然后升溫到720~730 ℃，待熔體溫度穩(wěn)定后對熔體輕輕攪拌，靜置15 min后撇渣，最后待金屬熔體降低到720 ℃后開始澆鑄。為了減少熔體在澆鑄過程中的氧化，提高鑄錠質(zhì)量，熔體澆鑄的過程在Ar/SF6混合氣體保護下進行。

表1 變形鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of wrought magnesium alloy(mass fraction, %)

對變形鎂合金 AZ61和 AZC6101采用直冷連鑄(DCC)和電磁連鑄(EMC)進行試驗，制備出d 120的鎂合金連鑄毛坯。試驗過程中冷卻水流量為1.2 t/h，拉坯速度為1.5 mm/s。對電磁連鑄過程中，施加頻率2.5 kHz、功率10 kW的交變磁場，試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電磁連鑄試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic cast

根據(jù)熒光光譜(XRF-1800)的分析結(jié)果，對變形鎂合金AZ61和AZC6101的成分在澆鑄前進行調(diào)整。合金鑄態(tài)金相試樣分別從鑄錠橫截面邊部和中心處截取，并加工成尺寸為d 15 mm×20 mm的圓柱體，然后用 200#、400#、600#、800#、1 000#和 1 200#砂紙打磨后拋光，拋光后用 4%的硝酸酒精進行浸蝕，浸蝕后在 MEF-4A 金相顯微鏡進行金相觀察，并用 XRD—6000型X射線衍射儀對合金的相組成進行表征，采用JSM?5600LV型掃描電鏡對合金析出相的形貌和分布進行進一步分析，并對電磁連鑄AZC6101鎂合金中鈣元素分布進行面掃描分析(EPMA-1600)。不同條件下制備的合金鑄錠按照國標(biāo) GB/T 16865—1997分別加工3個半徑為R3的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸性能測試在MTS NEW?810型試驗機上進行，拉伸速率控制為10?2s?1，測量后求平均值。

2 結(jié)果和討論

2.1 變形鎂合金連鑄錠的表面形貌

變形鎂合金AZ61直冷連鑄和AZC6101電磁連鑄錠照片如圖2所示。從圖2(a)可以看出，變形鎂合金AZ61直冷連鑄錠的表面有大量的氧化夾雜和偏析瘤。從整個鑄錠來看，沿鑄錠開始端到鑄造末端氧化夾雜越來越多，在鑄錠末端聚集了大量的氧化殘留物。但當(dāng)變形鎂合金AZ61添加微量的鈣和施加10kW的中頻交變磁場后，氧化夾雜和偏析瘤則完全消失，得到具有美觀金屬光澤和光滑表面的高質(zhì)量鑄錠(見圖2(b))。由此可見，變形鎂合金施加中頻電磁場和鈣微合金化有利于改善連鑄錠的表面質(zhì)量。

在變形鎂合金AZ61的直冷連鑄過程中，當(dāng)鎂合金液接觸到結(jié)晶器壁時，在結(jié)晶器壁的冷卻作用下，鎂液在結(jié)晶器內(nèi)表面形成一層凝固殼。由于鎂液的凝固收縮，使凝固殼脫離結(jié)晶器壁，導(dǎo)致凝固殼與器壁間形成一氣隙，由于空氣幾乎不導(dǎo)熱，因此，凝固殼在液穴內(nèi)鎂液的作用下產(chǎn)生溫度回升，使凝固殼枝晶間的低熔點化合物重新熔化，這些低熔點化合物在液穴內(nèi)鎂液靜壓力作用下，通過枝晶間隙被擠出鑄錠表面而形成偏析瘤。而在中頻電磁場(頻率2.5 kHz，功率 10 kW)的作用下，電磁力抵消了液體金屬的靜壓力，減少了金屬與結(jié)晶器壁之間的接觸壓力和摩擦阻力[5]；電磁攪拌還使液相區(qū)的金屬液溫度趨于一致，使初生凝固殼變薄，減少一冷區(qū)的高度[6]；電磁感應(yīng)加熱則減小了凝固殼的溫降，減少了一冷區(qū)的熱擴散，降低了初期凝固殼的位置[6]。中頻電磁場對熔體這些綜合作用都有利于改善合金的表面質(zhì)量。

鎂合金與鋁合金不同，其氧化膜結(jié)構(gòu)的α值較低，在高溫下不足以阻止氧對合金液體的進一步氧化。在變形鎂合金AZ61的直冷連鑄過程中，從熔化爐中進入的高溫液體就更容易破壞本不牢固的保護殼層。YOU等[18]通過研究鈣對高溫鎂氧化的影響中發(fā)現(xiàn)，含鈣鎂合金在熔體表面形成的熱穩(wěn)相和 CaO/MgO復(fù)合氧化殼層能夠有效的阻止鎂合金的連續(xù)氧化。所以，在變形鎂合金AZC6101的電磁連鑄過程中，合金中的Ca和Mg與O2形成致密的CaO/MgO復(fù)合保護殼層，從而有效地抑制鑄錠中氧化夾雜的產(chǎn)生，合金鑄錠的質(zhì)量得到大大提高。由此可見，通過對變形鎂合金AZ61 施加中頻電磁場和鈣微合金化有助于改善鎂合金的表面質(zhì)量，得到表面光滑、無氧化夾雜和偏析瘤的高質(zhì)量變形鎂合金鑄錠。

2.2 變形鎂合金鑄態(tài)微觀組織

在不同條件下得到的變形鎂合金連鑄錠的微觀組織如圖3所示。從圖3(a)和(b)可以看出，變形鎂合金AZ61在直冷連鑄條件下連鑄錠的鑄態(tài)微觀組織較為粗大，析出相呈連續(xù)狀分布在晶界。當(dāng)施加中頻磁場化，但析出相仍曾連續(xù)狀分布。當(dāng)AZC6101鎂合金施后，晶粒在鑄錠的邊沿和中心處都得到不同程度的細化，且鑄錠內(nèi)外晶粒大小趨于一致，析出相變薄，在晶界處呈斷續(xù)狀分布(見圖 3(c)和(d))。鈣微合金化后變形鎂合金AZ61的直冷連鑄錠的組織較AZ61略有細加中頻磁場后，鑄錠的微觀組織得到明顯的細化，析出相連續(xù)分布的狀況得到有效改善，在局部呈現(xiàn)了點狀彌散分布(見圖 3(e)、(f)、(g)和(h))。

圖2 AZ61 (DCC)和AZC6101 (EMC)連鑄錠的表面形貌Fig.2 Appearance photos of AZ61 (DCC) (a) and AZC6101(EMC) billets (b)

圖3 變形鎂合金的鑄態(tài)微觀組織Fig.3 As-cast microstructures of wrought magnesium alloys: (a) AZ61, DCC, at billet border; (b) AZ61, DCC, at billet center; (c)AZ61, EMC, at billet border; (d) AZ61, EMC, at billet center; (e) AZC6101, DCC, at billet border; (f) AZC6101, DCC, at billet center; (g) AZC6101, EMC, at billet border; (h) AZC6101, EMC, at billet center

在變形鎂合金的電磁連鑄過程中，電磁攪拌可通過流動的母液對樹枝晶的動力折斷作用和熔蝕作用而形成大量晶枝碎片，成為晶核；強烈的流動可大大加速液體的傳熱而使過熱度迅速消失、兩相區(qū)迅速擴大；同時，強力流動將加速傳質(zhì)，使凝固前沿擴散層減薄，溶質(zhì)濃度梯度增大，從而使兩相區(qū)內(nèi)成分過冷[19]。最終鑄錠從邊緣到中心形成分布均勻的細小晶粒，而析出的二次相也趨于彌散分布。Ca和Mg的最外層均為兩個電子，為表面活性元素，所以鈣微合金化后變形鎂合金AZ61中的Ca在凝固的過程中偏聚在α-Mg晶粒的相界面上，Ca在界面的聚集增加了成分起伏，提高了過冷度，增加了形核率，減小了枝晶間距，起到阻止α晶粒長大的作用。其次鈣的生長抑制因子高達11.94[15]，在所有的溶質(zhì)元素中，Ca元素的GRF值僅次于Fe和Zr，能明顯抑制晶粒的生長，從而細化晶粒。所以，在電磁場和鈣微合金化的復(fù)合作用下，變形鎂合金AZ61得到晶粒細小、析出相彌散的均勻組織。

不同鑄造條件下合金鑄錠的XRD譜如圖4所示。從圖4可以看出，合金的析出相主要有α-Mg和β相Mg17Al12組成。對比圖4中曲線(a)和(b)可以看出，電磁場并沒有改變變形鎂合金AZ61凝固中相的生成。從圖4中曲線(c)和(d)可以看出，變形鎂合金AZC6101中各相的峰值比AZ61有所增強，但合金中并沒有出現(xiàn)(Mg, Al)2Ca 相，這可能主要與合金中的鈣含量較少有關(guān)[20]。

圖4 變形鎂合金的XRD譜Fig.4 XRD patterns of wrought magnesium alloys: (a) AZ61,DCC; (b) AZ61, EMC; (c) AZC6101, DCC; (d) AZC6101, ECC

2.2 變形鎂合金的鑄態(tài)力學(xué)性能

圖5 在不同條件下變形鎂合金的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of wrought magnesium alloys under different conditions

變形鎂合金不同鑄造條件下的力學(xué)性能如圖5所示。從圖5可以看出，施加中頻磁場和鈣微合金化后，合金的抗拉強度達到最大值259.4MPa，比直冷連鑄鎂合金AZ61鑄錠抗拉強度提高了約24.2%。從圖5中合金伸長率的對比研究發(fā)現(xiàn)，變形鎂合金AZ61電磁連鑄錠的伸長率達到最大為 14.8%，比直冷連鑄鎂合金AZ61鑄錠的提高了32.1%。當(dāng)對鎂合金AZ61鈣微合金化后，在直冷連鑄條件下，合金AZ61和AZC6101伸長率基本相當(dāng)，但施加同等條件電磁后，變形鎂合金AZC6101的伸長率較AZ61的有所下降。

不同條件下連鑄合金析出相的SEM像如圖6所示。從圖6可以看出，合金施加中頻電磁場后，合金在直冷連鑄過程中形成的在晶界析出的連續(xù)狀析出相均得到改善，得到斷續(xù)的彌散析出相(見圖6(c)和(d))。結(jié)合合金的的力學(xué)性能，這種斷續(xù)的彌散分布的析出相有利于改善合金的力學(xué)性能。此外，合金連鑄過程中施加電磁場使晶粒變得更加細小(見圖3)，晶粒越細小，同樣體積材料內(nèi)晶界面積越大，合金的拉伸性能越好。施加電磁后，鎂合金AZ61和AZC6101的抗拉強度和伸長率較直冷連鑄錠的均有所提高。對比圖6(a)、(b)和(c)、(d)可以看出，對鎂合金AZ61鈣微合金化后，合金的析出相變細，并且有短棒狀和球狀析出。從合金的XRD譜圖4得知，合金鈣微合金化后并沒有生成含鈣的合金相(可能與含量較少有關(guān))，但從電磁連鑄 AZC6101鎂合金鈣元素的面掃描分析可知，Ca除了一部分熔入基體外，另一部分Ca連同β相一并析出(見圖7)。這和一些學(xué)者得出的Ca對Mg-Al合金系合金化過程中部分Ca溶解在Mg17Al12相中的結(jié)論是一致的[14,16]，本文作者在對AZ31鈣微合金化的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況。結(jié)合合金的力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，鈣微合金化不利于提高變形鎂合金 AZ61的伸長率，這可能是由于鈣在晶界的析出導(dǎo)致鎂合金在變形時晶粒的相互協(xié)調(diào)性有所降低。另一種可能的原因是形成的微量Al2Ca相與晶界β-Mg17Al12相的晶格結(jié)構(gòu)不同(Al2Ca相為面心立方結(jié)構(gòu)，而 β-Mg17Al12為體心立方結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致晶界的聚合力降低。所以，鈣微合金化導(dǎo)致合金的伸長率有所下降。

3 結(jié)論

1) 變形鎂合金AZ61通過施加中頻磁場和鈣微合金化可以制備出表面光滑、無氧化夾雜和偏析瘤的高質(zhì)量鑄錠。

圖6 不同條件下連鑄鎂合金析出相的SEM像Fig.6 SEM images of extraction phase in magnesium alloys under different conditions: (a) AZ61, DCC; (b) AZ61, EMC;(c) AZC6101, DCC; (d) AZC6101, EMC

圖7 電磁連鑄AZC6101中 Ca 元素的分布Fig.7 EPMA image of Ca and corresponding map scanning of Ca element in AZC6101 alloy (EMC)

2) 在電磁場和鈣微合金化的復(fù)合作用下，變形鎂合金AZ61連鑄錠得到晶粒細小，析出相彌散的均勻組織。

3) 電磁場和鈣微合金化均能提高變形鎂合金AZ61的抗拉強度，但鈣微合金化不利于提高 AZ61鎂合金的伸長率。

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