自孕育工藝參數(shù)對(duì)ZA96鎂合金半固態(tài)組織的影響及其交互本質(zhì)

李 春，李元東，馬 穎, ，陳體軍, ，武慧慧，李艷磊

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為1.75～1.85 t/m3，是Al的2/3，鋼的1/4，在汽車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。當(dāng)前，近 90%的鎂合金零件采用傳統(tǒng)的壓鑄方法生產(chǎn)，但所得產(chǎn)品力學(xué)性能低，不能滿足很多場(chǎng)合的使用要求，嚴(yán)重限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。半固態(tài)成形技術(shù)是20世紀(jì)70年代開發(fā)出的一種新型成形技術(shù)，因其成形時(shí)約有50%的固相存在，成形溫度低，凝固收縮小，且固相呈球形，凝固時(shí)的補(bǔ)縮通道暢通，故可大幅度減少、甚至消除縮松。另外，因半固態(tài)金屬漿料的粘度較全液態(tài)的高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在充型時(shí)趨于以層流的方式平穩(wěn)充填，可顯著減少壓鑄件中的氣孔[2]，所以，半固態(tài)成形合金可采用熱處理強(qiáng)化，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者致力于半固態(tài)成形技術(shù)的研究，開發(fā)出了CRP[3]、SSR[4]、LSPSF[5]、LSC[6]、NRC[7]等一系列高效制備半固態(tài)組織的鑄造工藝。這些工藝中基本上是通過各種方式使合金在液相線附近迅速散熱，促進(jìn)熔體形核和晶粒游離，提高游離晶的存活，增大晶粒密度，進(jìn)而使晶粒細(xì)化，制備半固態(tài)非枝晶組織。

自孕育法作為一種新型的半固態(tài)成型工藝，是將相同成分的合金母液與固相混合，并經(jīng)一定角度的導(dǎo)流器，增強(qiáng)孕育效果，使其大量形核，抑制晶粒長(zhǎng)大，獲得具有非枝晶初生固相的固-液混合漿料。

李元東等[8-10]以AM60、AZ61、AZ91D等為目標(biāo)合金，通過調(diào)整工藝參數(shù)，制備出了優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)坯料和漿料，但并未從理論的角度分析工藝參數(shù)之間的交互作用。而且，目前，對(duì)于 Mg-Zn-Al高鋅系鎂合金的研究主要集中在Zn和Al的質(zhì)量比以及合金元素對(duì)其組織和性能的影響等方面[11-13]，對(duì)其進(jìn)行半固態(tài)成形方面研究報(bào)道甚少。因此，本文作者選用一種自行設(shè)計(jì)的新型高鋅鎂合金，采用自孕育法進(jìn)行半固態(tài)坯料和漿料制備，研究了熔體處理溫度、自孕育劑加入量、導(dǎo)流器角度等工藝參數(shù)對(duì)ZA96鎂合金半固態(tài)組織的影響，并從溫度場(chǎng)的角度探討了自孕育鑄造工藝參數(shù)之間交互作用的本質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)合金選用自行開發(fā)的ZA96新型鎂合金，名義成分為9%Zn、6%Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、余量Mg。采用純度為99.99%的Mg、Zn、Al，并以純度為99.9%的氬氣作保護(hù)，在井式坩堝電阻爐中熔煉并澆鑄而成。在NETZSCH STA449C綜合熱分析儀上對(duì)坯料進(jìn)行差示掃描量熱分析(DSC)，確定坯料的液相線溫度為587.3℃，共晶溫度為353.8 ℃，該合金的結(jié)晶區(qū)間(為233.5℃)較寬，有利于漿料固相率的控制和操作。

1.2 半固態(tài)漿料制備

本實(shí)驗(yàn)采用自孕育法進(jìn)行半固態(tài)漿料制備，其工藝路線如圖1所示。為了研究自孕育工藝參數(shù)對(duì)Mg-9Zn-6Al鎂合金半固態(tài)漿料組織的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案，如表1所列。

圖1 自孕育法澆注過程Fig.1 Schematic of self-inoculation method

在此實(shí)驗(yàn)方案的指導(dǎo)下，對(duì)合金進(jìn)行熔煉、澆鑄。將純Mg錠料放入井式坩堝電阻爐中熔煉，待合金全部熔化且溫度達(dá)到680 ℃時(shí)，加入已配好的純Zn和純 Al，待其全部熔化后，開始測(cè)溫。熔體溫度達(dá)到680～700 ℃后，用1%～1.5% C2Cl6進(jìn)行精煉除氣，靜置30 min，按照表1中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用十六通道的溫度采集器采集熔體在導(dǎo)流器入口和出口處的溫度。熔體經(jīng)雙流股導(dǎo)流器混合，一部分澆注成d15 mm×150 mm的棒料，另一部分熔體在552 ℃下保溫20 s后水淬。

1.3 試樣處理

將模冷工藝下獲得的試棒在1/2處截取2組直徑為10 mm、長(zhǎng)度為20 mm的圓柱試樣，第一組用400號(hào)到1 500號(hào)水磨砂紙預(yù)磨、拋光，用4%硝酸水試劑腐蝕 6 s；第二組經(jīng)在SX2-4-10型箱式電阻爐中在350 ℃保溫8 h、并在185 ℃保溫16 h的T6處理，打磨后用苦味酸腐蝕液腐蝕50 s。將保溫水淬的試樣用400號(hào)到1 500號(hào)水磨砂紙預(yù)磨、拋光，用4%硝酸水試劑腐蝕6 s。之后采用MEF-3光學(xué)顯微鏡觀察其組織和形貌，用晶粒等效圓直徑表征初生α-Mg相的大小(式(1)所示)；用晶粒形狀因子表征初生α-Mg相的形貌(如式(2)所示)。在每個(gè)試樣截面上選擇10個(gè)不同視場(chǎng)測(cè)量上述兩個(gè)表征參量。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table1 Experimental program

式中：A為初生α-Mg晶粒的面積；D為晶粒等效圓直徑；F為晶粒形狀因子；P為初生α-Mg晶粒的周長(zhǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 自孕育法制備ZA96鎂合金的半固態(tài)組織

根據(jù)表1中的方案0和2，圖2所示為熔體過熱度為 80 ℃(熔體處理溫度約 665 ℃)、導(dǎo)流器角度為45°、孕育劑加入量為5%時(shí)，不同處理工藝下合金的半固態(tài)非枝晶組織。國(guó)內(nèi)外研究者認(rèn)為[2,4]：在半固態(tài)觸變成形的3個(gè)環(huán)節(jié)中，非枝晶組織錠料的制備是半固態(tài)成形的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。圖2(a)所示為傳統(tǒng)鑄造工藝下合金的鑄態(tài)組織。從圖2(a)可以看出，合金組織主要以發(fā)達(dá)的枝晶為主，并且伴隨有明顯的二次枝晶臂。而采用自孕育法鑄造時(shí)，晶粒明顯細(xì)化，合金組織主要由近球狀晶和少量薔薇狀晶組成，如圖2(b)所示。圖2(c)所示為對(duì)應(yīng)圖2(b)的T6處理組織，經(jīng)測(cè)定，其平均晶粒尺寸僅為 35.6 μm，得到了優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)坯料，適合進(jìn)行后期的觸變成形。圖2(d)和(e)所示分別為合金的直接水淬組織和在半固態(tài)區(qū)間經(jīng)20 s保溫后的水淬組織。從圖2(d)可以看出，直接水淬組織中存在大量的細(xì)小枝晶和薔薇狀晶，但經(jīng)過短暫的保溫后，組織由細(xì)小的近球狀晶和短棒狀晶粒組成，如圖2(e)所示。

流經(jīng)導(dǎo)流器的合金熔體，在其導(dǎo)流器出口處，溫度場(chǎng)處于不均勻狀態(tài)，在直接水淬、快速冷卻的過程中，過熱度較低的熔體快速凝固成細(xì)小的近球狀晶，而過熱度較高的熔體則沿著熱流的方向凝固成枝晶組織。郭洪民[14]研究認(rèn)為：漿料冷卻速率和漿料中自由晶數(shù)量共同決定著初生固相的生長(zhǎng)形態(tài)；在高晶粒密度和緩慢冷卻條件下，可以獲得細(xì)小球形和近球形的半固態(tài)組織。從導(dǎo)流器出口處收集到的漿料，其溫度只低于液相線3 ℃左右，整個(gè)熔體的固相率很低。在液相線以下35 ℃、保溫20 s的過程中，熔體緩慢冷卻，合金熔體中的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)逐步趨于均勻狀態(tài)，抑制了晶粒的擇優(yōu)生長(zhǎng)；同時(shí)熔體內(nèi)大量形核并長(zhǎng)大，凝固潛熱集中放出，晶粒周圍溫度場(chǎng)的疊加使得固液界面前沿的溫度梯度降低。由于過冷度很大，形核率將會(huì)很高。在高晶粒密度和緩慢冷卻條件下，晶粒周圍溶質(zhì)擴(kuò)散層的疊加可明顯降低液固界面前沿的濃度梯度。根據(jù)金屬凝固原理[15]可知，固-液界面前沿液相一側(cè)正的溫度梯度和小的濃度梯度有利于界面的穩(wěn)定，加之合金熔體的保溫時(shí)間較短，晶粒與晶粒之間幾乎沒有發(fā)生吞并現(xiàn)象，所以在水淬之后，組織主要以近球狀晶為主。

2.2 熔體過熱度ZA96鎂合金半固態(tài)坯料的影響

圖2 不同處理方式下ZA96鎂合金的組織Fig.2 Microstructures of ZA96 magnesium alloy at different treatment styles: (a)Traditional casting; (b) As-cast; (c) T6 treatment; (d) Direct water-quenching; (e)Holding 20 s and water-quenching

熔體過熱度是自孕育法制備半固態(tài)漿料的一個(gè)重要工藝參數(shù)。圖3所示為不同熔體過熱度下ZA96鎂合金的鑄態(tài)組織。當(dāng)熔體過熱度為65 ℃(熔體處理溫度650 ℃左右)或更低時(shí)，組織主要由大塊狀晶和顆粒狀晶組成(見圖3(a))；隨著熔體過熱度的升高，如圖2(b)和圖3(b)所示，組織由細(xì)小的近球狀晶和少量的薔薇狀晶組成；當(dāng)熔體過熱度達(dá)到110 ℃(熔體處理溫度695 ℃左右)或更高時(shí)，組織中有枝晶存在，而且組織變得粗大且不均勻(見圖3(c))。

FLEMINGS和MARTINEZ[16]認(rèn)為：在確定的冷卻速率下，只要在合金凝固的初期形成足夠多的晶核，就能夠從合金熔體中直接獲得球形或近球形組織，而無需經(jīng)過枝晶球化過程。這種機(jī)制的核心思想就是在凝固初期促進(jìn)大量形核。根據(jù)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)假說[17]，液態(tài)金屬中的原子集團(tuán)處于瞬息萬變狀態(tài)，原子集團(tuán)的平均尺寸和“游動(dòng)”速度與溫度有關(guān)。溫度越低，原子集團(tuán)的平均晶粒尺寸越大，也越穩(wěn)定。熔體中穩(wěn)定存在的原子集團(tuán)是金屬凝固時(shí)臨界晶核的“準(zhǔn)晶胚”，大尺度的原子集團(tuán)越多，相同凝固條件下的臨界晶核的“準(zhǔn)晶胚”越多，進(jìn)而形成的晶核也越多。雖然降低熔體過熱度可以促進(jìn)大尺度的原子集團(tuán)在過冷條件下瞬間形成大量的晶核，獲得理想的半固態(tài)漿料，但其操作困難，而且采用自孕育法鑄造，當(dāng)熔體過熱度過低時(shí)，組織反而粗大。對(duì)于自孕育法鑄造，如果熔體過熱度過低，一方面，所加入的孕育劑將有大量的殘留，整個(gè)熔體的溫度場(chǎng)處于極不均勻的狀態(tài)；另一方面，合金在導(dǎo)流器上凝固速度快，固相率太高，容易在導(dǎo)流器上結(jié)殼，即使能流出導(dǎo)流器，也會(huì)因固相率太高而得到比較粗大的組織(見圖3(a))。因此，只有在合適的熔體處理溫度下，才能保證熔體在進(jìn)入模具之前的溫度在液相線附近，同時(shí)伴隨有大量的晶核。

2.3 自孕育劑加入量ZA96鎂合金半固態(tài)坯料的影響

圖3 不同熔體過熱度下合金的鑄態(tài)組織Fig.3 Microstructures of as-cast at different superheats of melt: (a) 65 ℃; (b) 95 ℃; (c) 110 ℃

自孕育劑加入量作為自孕育法鑄造的又一個(gè)重要工藝參數(shù)，影響著一次孕育的效果。圖4所示為不同孕育劑加入量下半固態(tài)ZA96鎂合金的組織特征。從圖4可以看出，白色區(qū)域?yàn)槌跎滔?，黑色區(qū)域?yàn)槎蜗嘟M織。由圖4(a)可以看出，當(dāng)孕育劑加入較少(為3%)時(shí)，組織中存在大量塊狀晶粒和形狀不規(guī)則的晶粒；隨著孕育劑加入量的增多(為5%)，如圖2(b)所示，晶粒尺寸明顯減小且分布較均勻，沒有明顯的枝晶組織存在；隨著加入量進(jìn)一步增大(為7%)，組織中初生相的分布極不均勻(見圖4(b))。

自孕育劑的加入將會(huì)使母熔體產(chǎn)生巨大的能量起伏，自孕育劑附近溫度場(chǎng)的分布如圖5所示。大圓圈表示剛加入的自孕育劑直徑，隨著孕育劑的吸熱而不斷被融化減小，而在自孕育劑周圍及其熔化內(nèi)部，熔體中將會(huì)出現(xiàn)一些過冷區(qū)，其溫度連續(xù)變化，在過冷區(qū)內(nèi)部分高熔質(zhì)點(diǎn)相(如圖5中藍(lán)點(diǎn)所示)析出，可以作為非均質(zhì)形核的襯底。然而，自孕育劑加入量較少時(shí)，所加入的自孕育劑很快會(huì)被熔化，使得熔體內(nèi)形成的過冷區(qū)較少。同時(shí)，過冷區(qū)內(nèi)的熔體和周圍的高溫母熔體產(chǎn)生對(duì)流，使得過冷區(qū)內(nèi)熔體的溫度升高，高熔質(zhì)點(diǎn)可能會(huì)被熔化，不能起到促進(jìn)異質(zhì)形核的作用。當(dāng)自孕育劑加入量過大，母熔體中形成大量的過冷區(qū)，在過冷區(qū)內(nèi)由于溫度較低，形成的晶核將會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大成球狀晶或枝晶(見圖4(b))。

圖4 不同孕育劑加入量下合金的鑄態(tài)組織Fig.4 Microstructures of as-cast alloy at different additions of self-inoculants: (a) 3%; (b) 7%

圖5 自孕育劑附近的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of near self-inoculants

2.4 導(dǎo)流器角度對(duì)ZA96鎂合金半固態(tài)坯料的影響

圖6所示為不同導(dǎo)流器角度下合金的鑄態(tài)組織。從圖6可以看出，當(dāng)導(dǎo)流器角度較小時(shí)，組織主要由塊狀晶和粗大的枝晶組成(見圖6(a))，隨著導(dǎo)流器角度的增大，達(dá)到 45°時(shí)，組織明顯細(xì)化，主要由薔薇狀晶和近球狀晶組成(見圖2(b))，導(dǎo)流器角度增大至60°時(shí)，組織開始粗大且不均勻(見圖6(b))。

管仁國(guó)等[18]在研究?jī)A斜式冷卻剪切流變對(duì)半固態(tài)合金組織的影響中提出：從式(3)可以看出，合金熔體所受的剪切力(τx)不僅與導(dǎo)流器角度(α)有關(guān)，而且還與粘質(zhì)系數(shù)(η)、流體層距傾斜板表面高度(h)及距流體流動(dòng)起始點(diǎn)的距離(Lx)

有關(guān)，而熔融態(tài)金屬的粘度系數(shù)隨溫度而變化，在距熔點(diǎn)不太遠(yuǎn)的溫度范圍內(nèi)有以下關(guān)系[19]：

圖6 不同導(dǎo)流器角度下鑄態(tài)合金的組織Fig.6 Microstructures of as-cast alloy at different angles of fluid director: (a) 30°; (b) 60°

導(dǎo)流器作為自孕育過程中二次孕育的通道，其產(chǎn)生的紊流作用，影響著自由晶的形成和游離，如圖7所示。FLEMINGS等[19]認(rèn)為，樹枝晶生成后，枝晶與熔體、容器壁以及枝晶之間發(fā)生碰撞、摩擦、剪切等作用，初次枝晶被折斷、破碎和球化而變成微細(xì)顆粒。有學(xué)者認(rèn)為熔體在斜流板上會(huì)形成大量的非均質(zhì)晶核，提高了形核率，從而使合金組織細(xì)化[20]。不論是剪切力還是形核率，都與導(dǎo)流器的角度有很大關(guān)系。在其長(zhǎng)度不變的情況下，其角度決定著合金熔體在導(dǎo)流器上的作用時(shí)間，影響著合金熔體的散熱狀況，使得熔體在流經(jīng)導(dǎo)流器不同位置處的溫度不同，進(jìn)而影響著組織的形貌與尺寸。導(dǎo)流器角度較小時(shí)，其作用時(shí)間較長(zhǎng)，溫度降低的越多，剪切力較大，熔體流動(dòng)性變差，很容易凝固結(jié)殼，致使形成的晶粒難以游離；角度過大時(shí)，剪切力較小，對(duì)枝晶的破碎能力不夠，而且所形成的游離晶會(huì)被合金熔體重熔，減少了形核的質(zhì)點(diǎn)；合適的導(dǎo)流器角度，一方面能保證適當(dāng)?shù)男魏寺屎图羟辛Γ硪环矫媸沟盟纬傻挠坞x晶能夠存活。

圖7 導(dǎo)流器上晶粒的游離Fig.7 Dissociation of grains on fluid director

2.5 自孕育工藝參數(shù)對(duì)ZA96鎂合金保溫水淬組織的影響

圖8所示為熔體過熱度為 80 ℃(熔體處理溫度665 ℃左右)，保溫溫度為552 ℃，保溫時(shí)間為20 s時(shí)，導(dǎo)流器角度和自孕育劑加入量對(duì)ZA96鎂合金半固態(tài)漿料組織的影響。從圖8可以看出，導(dǎo)流器角度對(duì)組織的影響較大，導(dǎo)流器角度過大或過小均會(huì)導(dǎo)致組織粗大且不規(guī)則，存在大量的薔薇狀晶(見圖8(a)和(c))；而自孕育劑加入量對(duì)組織的影響不大，其組織均由近球狀的初生晶和少量薔薇狀晶組成(見圖8(d)、(b)和(e))。表2列出了不同工藝參數(shù)下晶粒的尺寸和圓整度，可以看出，當(dāng)熔體過熱度為80 ℃、孕育劑加入量為5%且導(dǎo)流器角度為45°時(shí)，組織最好，其晶粒尺寸為45 μm，圓整度為1.7。董杰等[21]、路貴民等[6]研究了液相線鑄造鋁合金的形核機(jī)理和晶粒長(zhǎng)大機(jī)制，認(rèn)為鋁合金熔體在液相線附近保溫后，溫度場(chǎng)均勻，在略低于液相線溫度小的過冷度下，熔體內(nèi)存在大量的原子團(tuán)簇瞬態(tài)發(fā)展成為晶核，形核數(shù)目多且均勻，有利于晶粒在相互抵觸之前呈球形長(zhǎng)大。

圖8 工藝參數(shù)對(duì)ZA96鎂合金的半固態(tài)漿料的影響Fig.8 Effects of technological parameters on semi-solid slurry of ZA96 magnesium alloy: (a) 80 ℃, 5%, 30°; (b) 80 ℃, 5%, 45°;(c) 80 ℃, 5%, 60°; (d) 80 ℃, 45°, 3%; (e) 80℃, 45°, 7%

表2 不同工藝參數(shù)下的晶粒尺寸與圓整度Table2 Grain size and roundness at different technological parameters

高溫熔體中加入自孕育劑，起到內(nèi)冷鐵的作用，使得熔體內(nèi)局部區(qū)域處于過冷狀態(tài)。根據(jù)金屬凝固原理[15]可知，在液體中存在著相起伏。相起伏的尺寸超過臨界值時(shí)，就可以作為晶胚進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，液體溫度越低，相起伏尺寸越大，數(shù)量越多。當(dāng)撒入的自孕育劑量較大時(shí)，熔體中過冷區(qū)較大而且較多，形成的晶核數(shù)量也較多。熔體在經(jīng)過導(dǎo)流器的過程中，受到導(dǎo)流器的激冷作用，以非均勻形核方式大量形核并長(zhǎng)大為枝晶狀，由于合金熔體中枝晶間、枝晶與合金熔體間相互碰撞、摩擦、沖刷和剪切等物理冶金作用，初生相的枝晶很容易被折斷、破碎，形成短枝晶和球狀晶。當(dāng)導(dǎo)流器的角度過大時(shí)，其剪切力較小，如式(1)，不足以使得形成使枝晶發(fā)生斷裂，這些伴隨有枝晶的熔體進(jìn)行保溫的過程中進(jìn)一步長(zhǎng)大，形成不規(guī)則且粗大的晶粒(見圖8(c))。然而當(dāng)導(dǎo)流器角度過小時(shí)，其剪切力過大，而且熔體在導(dǎo)流器上作用的時(shí)間較長(zhǎng)，散熱也多，使得形成的大塊狀晶伴隨著熔體進(jìn)行保溫時(shí)，形成了粗大的晶粒(見圖8(a))。合理的導(dǎo)流器角度，不僅能使產(chǎn)生的枝晶得到有效的破碎，而且使得流經(jīng)導(dǎo)流器的高低溫熔體進(jìn)行有效混合。不論孕育劑加入量多少，進(jìn)一步保溫的過程中，殘余的孕育劑熔化，高溫母熔體與其內(nèi)部的過冷區(qū)進(jìn)行熱交換，溫度場(chǎng)逐漸趨于均勻。

3 自孕育工藝參數(shù)的交互本質(zhì)

熔體過熱度、自孕育劑加入量和導(dǎo)流器角度通過交互作用來影響合金熔體在處理過程中的熱交換條件，進(jìn)而影響半固態(tài)組織中初生相α-Mg的晶粒大小和圓整度。在合金熔體中加入孕育劑后，孕育劑吸熱使得合金熔體的溫度迅速降低，促進(jìn)了母熔體的一次孕育，然后熔體經(jīng)過導(dǎo)流器的過程中，導(dǎo)流器的紊流和激冷作用，促進(jìn)了熔體的二次孕育。熔體的過熱度影響著孕育劑的一次孕育和導(dǎo)流器的二次孕育效果。因此，熔體過熱度、孕育劑加入量和導(dǎo)流器角度是影響合金熔體處理過程中的關(guān)鍵因素。

自孕育工藝參數(shù)相互作用的本質(zhì)在于通過對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整，使得熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度處于固-液兩相區(qū)，進(jìn)而獲得優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)漿料。加入孕育劑前后，熔體產(chǎn)生巨大的能量起伏，引起母熔體熱量的降低。文獻(xiàn)[22]給出了加入孕育劑前后母熔體的溫度變化情況(有關(guān)符號(hào)含義參見文獻(xiàn)[22])，具體如下：

聯(lián)立[22]-(1)至[22]-(5)進(jìn)行求解，可以得出熔體在導(dǎo)流器入口處的溫度表達(dá)式，即

熔體流經(jīng)導(dǎo)流器后，熔體的散失熱量，溫度進(jìn)一步降低。由材料冶金傳輸原理[23]可知：當(dāng)金屬熔體流經(jīng)導(dǎo)流器過程中主要以對(duì)流和輻射散失熱量為主，其滿足：

由于熔體流經(jīng)導(dǎo)流器表面時(shí)，其溫度時(shí)連續(xù)變化的，為了簡(jiǎn)化其計(jì)算過程，T取熔體在導(dǎo)流器上溫度的平均值，即

熔體流經(jīng)導(dǎo)流器的有效面積A滿足：

流經(jīng)導(dǎo)流器的熔體的溫度變化量可用下式進(jìn)行計(jì)算：

綜合(5)、(6)、(7)、(8)、(9)可以得出熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度：

式中：Tm、Te、Tc、Tr分別為熔體處理溫度及其在導(dǎo)流器入口、出口處的溫度和室溫；cp為熔體的定壓比熱容；x為孕育劑加入量；L為熔化潛熱；Q為熔體在導(dǎo)流器上散失的熱量；k為傳熱系數(shù)；A為導(dǎo)流器的有效散熱面積；l、α、d分別為導(dǎo)流器的長(zhǎng)度、角度及流道的有效寬度；m為導(dǎo)流器上熔體的質(zhì)量。

經(jīng)過以上分析，得出自孕育工藝參數(shù)與熔體在導(dǎo)流器出口處溫度的關(guān)系表達(dá)式，對(duì)此進(jìn)行如下討論：

1) 熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度與其工藝參數(shù)之間并非是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是一個(gè)自孕育工藝參數(shù)相互制約的復(fù)雜表達(dá)式，通過協(xié)調(diào)各參數(shù)可以獲得熔體在導(dǎo)流器出口處的合適溫度，達(dá)到有效控制形核的作用。

2) 對(duì)式(10)進(jìn)行整理之后，可得

從式(11)中可以看出：

① 導(dǎo)流器在出口處的溫度與熔體處理溫度和室溫呈線性增加趨勢(shì)；

② 對(duì)x取偏微分并經(jīng)處理，得到熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨自孕育劑加入量之間的變化率：

由此可以看出，Tc隨x的增大而減小，即熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨自孕育劑加入量的增大而降低。

③ 對(duì)l取偏微分，得到熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨導(dǎo)流器長(zhǎng)度之間的變化率,經(jīng)處理后得到:

由此可以看出，Tc隨l的增大而減小，即熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨導(dǎo)流器長(zhǎng)度的增加而減小。

④ 對(duì)d取偏微分，得到熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨導(dǎo)流器寬度之間的變化率，經(jīng)處理后得到：

由此可以看出，Tc隨d的增大而減小，即熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨導(dǎo)流器寬度的增加而減小。

⑤ 對(duì)θ取偏微分，得到熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨導(dǎo)流器角度之間的變化率,經(jīng)處理后得到：

此公式的推導(dǎo)是在能量守恒、流體對(duì)流和輻射散熱的基礎(chǔ)上建立的，對(duì)于換熱系數(shù)k的計(jì)算方法與過程并未給出，有待進(jìn)一步推導(dǎo)。

基于上述分析，圖9所示為工藝參數(shù)單變量下合金熔體在導(dǎo)流器入口和出口處的溫度。從圖9可以看出：隨著熔體過熱度的降低、導(dǎo)流器角度的減小、孕育劑加入量的增加，母熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度隨之降低(與式(11)反映的結(jié)果相符)，并低于其液相線溫度，這說明整個(gè)合金熔體全部處于半固態(tài)狀態(tài)，熔體的粘度升高，流動(dòng)性變差，使得導(dǎo)流器激冷形成的游離晶不能很快進(jìn)入模具之中，最終導(dǎo)致組織粗大且不均勻(見圖3(a)、圖4(b)和圖6(a))；同時(shí)，將在導(dǎo)流器上產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)殼。另一方面，若熔體過熱度過高(≥695 ℃)、導(dǎo)流器角度過大(≥60°)或孕育劑加入量過少(≤3%)時(shí)，母熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度都將高于合金的液相線溫度，這說明合金熔體在經(jīng)過導(dǎo)流器的過程中幾乎全部處于液態(tài)區(qū)，即便是導(dǎo)流器激冷形成的游離晶，也可能被過熱熔體再次熔化，不利于晶粒的存活，致使最終組織中有大量枝晶存在(見圖3(c)、圖4(a)和圖6(b))。當(dāng)熔體過熱度在80～100℃之間、導(dǎo)流器角度為45°、孕育劑加入量5%左右時(shí)，合金熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度均在液相線附近，這樣有利于激冷晶的游離和存活，進(jìn)而獲得合格的半固態(tài)漿料(見圖2(a))。

根據(jù)式(11)和討論1)，所做實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。在熔體過熱度較低的情況下，若減少孕育劑加入量或增大導(dǎo)流器角度，則將會(huì)使熔體中散失的熱量減少，最終獲得合格的半固態(tài)漿料(見圖10(a))；若熔體過熱度較高，則增加孕育劑的加入量或減小導(dǎo)流器的角度，同樣能獲得合格的半固態(tài)漿料(見圖10(b))。自孕育鑄造過程中，各項(xiàng)工藝參數(shù)相互作用，共同影響著最終組織的形貌和尺寸。

圖9 自孕育工藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)流器入、出口溫度的影響Fig.9 Effect of self-inoculation technological parameters on entrance and exit temperature of fluid director: (a) Superheat of melt; (b) Angle of fluid director; (c) Addition of self-inoculants

圖10 自孕育工藝參數(shù)的交互作用Fig.10 Interaction of self-inoculation technological parameters: (a) 65 ℃, 60°, 3%; (b) 110 ℃, 30°, 7%

4 結(jié)論

1) 采用自孕育法鑄造ZA96鎂合金，既能制備滿足觸變所需的半固態(tài)坯料，也能對(duì)漿料直接保溫獲取滿足流成形的半固態(tài)漿料。

2) 通過調(diào)整自孕育工藝參數(shù)，當(dāng)過熱度為80～95℃、孕育劑加入量為5%、導(dǎo)流器角度為45°時(shí)，晶粒平均尺寸較小，約為35.6 μm；經(jīng)552 ℃、20 s的短暫保溫后，其圓整度為1.7，晶粒尺寸為45 μm。

3) 自孕育法鑄造過程中，熔體過熱度、自孕育劑加入量及導(dǎo)流器角度相互作用，共同影響著最終組織的形貌和尺寸。自孕育工藝各參數(shù)對(duì)半固態(tài)坯料組織影響比較明顯，將從導(dǎo)流器出口處收集到的漿料在兩相區(qū)特定的溫度下保溫后，自孕育劑對(duì)組織的影響甚微，但導(dǎo)流器對(duì)組織的影響較明顯。

4) 建立了基于傳熱學(xué)的自孕育工藝參數(shù)之間的交互作用模型，推導(dǎo)出了熔體在導(dǎo)流器出口處的溫度與自孕育工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，從式中可以看出：熔體在導(dǎo)流器在出口處的溫度與熔體處理溫度和室溫呈線性增加趨勢(shì)，隨導(dǎo)流器長(zhǎng)度和流道寬度的增大而降低，導(dǎo)流器角度的增大而增大，隨自孕育劑加入量的增大而降低。

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