镁课堂:(三十八)镁合金的晶粒细化与变质处理

2015年07月22日 14:47 13005次浏览 来源:   分类: 镁应用   作者:

       在金属材料生产中人们总是希望它们具有细的晶粒组织,因为晶粒越细小,其力学性能与塑性加工性能也越好。在熔炼铸造镁合金过程中如晶粒细化处理得当,则可以降低铸件凝固过程中的热裂倾向;在熔铸变形镁合金时若锭坯具有细小均匀的晶粒组织,则不但有良好加工性能,而且材料的各项性能也更高。因此,细化处理在镁合金熔炼铸造中是一道极为重要的关键性工序,不可等闲视之。
  在熔炼铸造镁合金时,现有的细化晶粒措施有两类:变质处理和强外场作用。变质处理就是向熔体内添加高熔点物质,形成大量的异质晶核,获得细小的晶粒组织。强外场细化晶粒的机理就是向熔体施以电场、磁场、超声波、机械震动、搅拌等强场作用,促进熔体形核过程,并破坏已形成的枝晶,成为游离晶体,增加晶核数量,还可以强化物质传递,消除成分偏析。快速凝固也是有效的细化镁合金组织的措施,一方面可以提高熔体内的形核率,另方面可抑制晶核长大。目前,常用的镁合金变质剂有:含碳物质,C2Cl4和高熔点金属Zr、TiB、V等。
  含碳变质剂
  碳虽不固熔于镁,但可与镁反应生成Mg2C3和MgC2,成为异质晶核,细化晶粒。碳对Mg-Al系及Mg-Zn系合金有明显的晶粒细化作用,而对Mg-Mn系合金则几乎没有细化效果。C进入Mg-Al系合金熔体后,与Al形成大量细小、弥散的Al4C3质点,其晶格类型和晶格常数与镁的相应值很接近,是镁合金的良好形核质点,使镁合金的晶粒显著细化。
  生产中常用的含碳变质剂有菱镁矿MgCO3、大理石CaCO3、白垩、石煤、焦炭、CO2、炭黑、天然气等,其中用的最多的是MgCO3与CaCO3。MgCO3加入Mg-Al合金熔体后发生如下反应:
  MgCO3=MgO+CO3↑
  MgCO3的加入量一般为镁合金熔体质量的0.5%~0.6%,熔体温度760℃~730℃,处理时间5min~8min。
  C2Cl6是镁合金的常用变质剂之一,既有除气作用又有晶粒细化效果。加入C2Cl6后熔体中可形成Al-C-O化合物质点,是镁合金的良好结晶核心。有研究显示,AZ31合金经C2Cl6变质处理后,晶粒尺寸由280um下降到120um,抗拉强度明显提高。C2Cl6对ZM5合金的变质处理效果比MgCO3的高得多。用C2Cl6与其他变质剂组成的复合变质剂有更高的变质效果。C2Cl6的用量为炉料质量的5%~8%,熔体温度为740℃~760℃。
  其他变质剂
  锆对Mg-Zn系、Mg-RE系和Mg-Ca系镁合金有明显的晶粒细化作用,在镁合金生产中获得广泛应用,但其细化机理尚无统一认识。有人认为,镁-锆合金的晶粒细化效果主要来自固溶于镁中的那部分锆,而其余的锆的细化作用仅约占30%。不同的镁合金虽含有等量的锆,但其晶粒细化效果却有着明显的差别。
  含锆的镁合金在精炼后,杂质都沉于坩埚底部,为避免杂质混入铸件中,浇入铸型后坩埚仍应保留足够的熔体,一般不得少于炉料量的15%,浇注时宜平稳,尽量避免熔体过分湍流和溢出,同时应静置足够的时间。
  Mg-Al合金在变质处理后需进行精炼,但以锆细化晶粒的ZM1、ZM2、ZM3、ZM4、ZM6合金不需要精炼。向Mg-Zn系合金添加0.5%Zr可取得良好的变质效果;0.5%Sc+(0.3~0.5)% Sm可明显细化Mg-Mn系合金的晶粒;0.2%La~0.8%La对Mg-Mn系合金也有显著的晶粒细化作用。

责任编辑:于璐

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