加碳变质法是在熔体中加入含碳化合物以细化晶粒的
工艺 , 该法因操作温度低 、细化效果衰退小 已成为 Mg-Al 类 镁合金最主 要的 晶粒 细化技 术[ 4 ～ 6, 8] 。 加 碳变质 法要 求合 金的铝含量至少为 0.5%, Zr 、Be 、Ti 和某些稀土元 素对晶粒 细化起遏止作用 。 可作为 晶粒细化 剂的含 碳化合 物很 多 , 如二氧化碳 、乙炔 、天然气 、碳酸钙 、碳酸镁 、固体石蜡 、粒状 石墨 、灯黑 、六氯乙 烷 、六氯苯 等[1 ,6 ,8 ,15] , 但氯化 物(六 氯乙 烷 、六氯苯)在晶粒 细化的 同时兼 有除气 的效果 , 因而 在工 业上获得了 广泛的应用[ 6, 8] 。 加 碳变质 处理过 程中搅 拌将 进一步增强其晶粒细化效果[6] 。 由于采用氯化物的变质处
第 22 卷 第1期 Vol .2 2 No .1
材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science &Engineering
总 第 87 期 Feb .20 04
文章编号 :1004-793X(2004)01-0146-04
铸造镁合金的晶粒细化技术
刘子利 , 沈以赴 , 李子全 , 王 蕾
(南 京航空航天大学 材料科学与技术学院 , 江苏 南京 210016)
【摘 要】 从晶粒细化方法和晶粒细化机理两个方面总结了不含锆铸造镁合金和含锆铸造镁合金 晶粒细化 技术的研究进展 , 并指出新型高效晶粒细 化剂的开发和晶粒细化机理的研究是镁合金晶粒细化技术研究的重点 。
Johnson 在 1993 年关于 Al-Ti-B 晶粒细化 剂对铝合 金的 细化行为研究所确立的溶 质晶粒细化理论被认为是晶粒细 化理论的重要发展 , 该理论基于传统形核理论 , 将溶质偏析
和形核质点对晶粒尺寸的 影响有机地结合到整个晶粒细化 过程中 。 偏析能力良好的溶质和有效的形核 质点是晶粒细 化过程必不可少的 两个因素 , 溶 质偏析 的作用导 致枝晶 生 长的液 -固界面 前沿产生 成分过冷区 , 从而 阻碍了枝 晶的 生长并提供了激活 成分过程 区内形 核质点 的驱动 力 ;而 形 核质点的形核能力决定了 凝固开始及成分过冷区内有效晶 核的数量[ 22] 。
加入量时合金中析出针状的 Al4 Sr 和 Mg2Sr 的析 出物 , 在较 高的 Sr 含量下(大于 3 %)合金中产生相对粗大且高度 稳定 的含 Al 和 Mg 的析出相[ 5, 6, 16 ,17] 。
Ca 能明 显降低纯镁的晶粒大小 , 同 时对 AZ91 、AS21 和 AS41 镁合金的基体和 第二相具有显著的细 化效果[5 ,6 ,18, 19] 。 Ti 是提高镁合金的 耐蚀性 能的有 益元素[ 1] , 最近 的研究 表 明 , Ti 的加入细化了 AZ91 镁 合金的 晶粒 , 同时基 本上消 除 了沿晶 界分布 的粗大 Mg17 Al12 相 , Mg17Al12 相形态 趋向粒 状 化 , Al-Ti-C 中间合金 晶粒 细化 效 果明 显比 Al-Ti 中 间合 金 好[ 20, 21] 。 2.2 晶 粒细化机理
过热法(Superheating Treatment)是将 合金液 过热到 合适 的温度范围内并保 温较短时 间后 , 快速 冷却至浇 注温度 进 行浇注的工 艺 。 合 金液 过热 温度 的范 围取 决于 合 金的 成 分 , 一般为高于液相线 150 ～ 260℃。 在过热 温度 下搅拌 可 进一步提高过热 处理的晶 粒细化 效果[1 ,6] 。 由于 过热处 理 增大了镁合金液的 氧化损失 和吸气 量 , 含铁量的 增大降 低
(College of Material Science & Engineering , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing 210016 , China)
【Abstract】 The current research status on the grain refinement technology of zirconium free case magnesium alloys and zirconium containing cast magnesium alloys are reviewed from the aspects of grain refinement methods and theories of grain refinement.Development of new high efficient grain refiners and comprehensive research into the mechanism of grain refinement are development directions on grain refinement technology of cast magnesium alloys .
由于过热法可通过简单 的过热 处理获 得 , 人们对 不同 合金元素和杂质元素(主要为 Fe 、Mn)的 作用进行 了大量的 研究 。 研究发现 Al 、Fe 、Mn 在过 热法中 起重 要的 作用 。 为 了获得良好过热处理效果 , Al 含量 应超过 1 %, 随 着铝含量 的增加 , 合金的晶粒细 化程度 提高且 对过热 处理的响 应更 为迅速 ;Fe 、Mn 含量应大 于其临界 最小值 , 但 过量的 Mn 反 而起相反作用[ 6] 。 最近的 研究 发现 , 对 于亚 共晶 Mg-Al 合 金来说 , 随着铝含量的提高合金的晶粒尺寸连续减小 , 但铝 含量较高时(大于 5%)晶 粒尺 寸变 化不 大[ 5] 。 对纯 Mg-Al 合金来说晶 粒细化不需过热处 理 , 加 入 Fe 、Mn 后反 而引起 晶粒粗化[ 10 ～ 14] 。Zn 对过热法效果的影响几乎可以忽略 , 而 即使含量很低时 , Ti、Zr 、Be 可 抑制过 热处 理的 晶粒细 化作 用[ 5, 6] 。 2.1.2 氯化铁法(Elfinal Process)
理过程中产 生氯 代烃 类等 有毒 气体 且 其处 理温 度要 求较 高 , 因而 , 近 年来对无氯化物晶粒细化剂方面做了很多的工 作 。 研究表明 , 石蜡 -氟石 -碳混合物 、以氩气为载体脉冲 喷入的纯石墨粉以 及 Al4C3 、AlN 、SiC、TiC 颗 粒均 具有 良好 的晶粒细化效果[ 5 ,6 ,11] 。 2.1.4 加 Sr 、Ca 、Ti 的晶粒细化(Grain refinement by Sr, Ca , Ti ad;修订日期 :2003-08-11 作者简介 :刘子利(1968 -), 男 , 山东博兴人 , 博士 , 副教授 , 从事轻合金及消失模铸造技术的研究 .
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刘子利 , 等 .铸造镁合金的晶粒细化技术
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了合金的抗蚀性能 , 并且增加了能量和坩埚的消耗 , 因而生 产上已很少采用[ 1 ,8 ,9] 。
2 不含锆的铸造镁合金的 晶粒细化技术
不含锆 的铸造 镁合 金主 要为 Mg-Al-Zn(AZ)、Mg-Al-Mn (AM)、Mg-Al-Si(AS)和 Mg-Al-RE(AE)等 Mg-Al 类 镁合金 , 以 及新开发的 Mg-Zn-Cu(ZC63, 62)系镁 合金[7] 。 目前 的研 究 主要集中在 Mg-Al 类铸造镁合金 。 2.1 晶 粒细化方法 2.1.1 过热法(Superheating Treatment)
尽管 有 所 简 化 , 溶 质 元 素 的 作 用 以 生 长 抑 制 因 子
∑ (Growth Restriction Factor , GRF)表示 :GRF = mico, i(k i i
1), 其中 mi 为 两元相图中液相线斜率 , co , i 为合金中元素的 原始含 量 , ki 为溶 质分配系 数 。表 1 为 根据两元 相图所 确 定的镁合金中不同溶质元 素的 GRF 值 。 铝是镁合金中最
【关键词】 铸造镁合金 ;晶粒细化技术 ;综述 中图分类号 :TG146.2 +2 文献标识码 :A
Review of the Grain Refinement Technology of Cast Magnesium Alloys
LIU Zi-li , SHEN Yi-fu , LI Zi-quan , WANG Lei
氯化铁 法是在 750℃左右 的合金 液中加 入无水 氯化铁 (FeCl3)以细化晶粒 的 工艺 。 该法 可获 得 与过 热法 相 当的 晶粒细化效果 , 其操作温度较低 , 并且熔体在浇注温度下至 少可保持一小时而不降低晶粒 细化效 果 。 Elfinal 法 只对含 Mn 的合金有效 且合金的含铝量 大于 3 %, 基 于此人 们认为 其晶粒细化效果与 Fe-Mn-Al 化合物 作为结 晶核心 有关[6] 。 Zr 、Be 元 素降低了该工 艺的效果 , 导 致晶粒 粗化[5 ,6] 。 由于 加入 Fe 降低了 合金的耐蚀性 能 , Elfinal 法未 引起工 业上的 注意[ 4] 。 2.1.3 加碳变质法(Carbon Inoculation)
【Key words】 cast magnesium alloy ;grain refinement technology ;review
1 引 言
轻量化的要求使镁合金在汽车 、航空航天 、电讯等行业 获得了日益广泛的应用 。 铸造是目前镁合金成形的主要方 法 , 细化晶 粒对 提 高 镁合 金 铸件 性 能 起着 至 关 重 要的 作 用[ 1～ 5] :(a)镁合金 为密 排六方 晶体 结构 , 只 有四 个独 立的 滑移系 , 晶粒大小对机 械性能 的影响 比其他 晶体结构 的合 金(体心立方 、面心立方)更为 显著 ;(b)镁合金 的结晶 温度 范围较宽 、热导率较低 、体 收缩率较 大 , 故镁合 金具有 明显 晶粒粗化倾向 , 易产生缩松 、热裂缺陷 。 细化晶粒减小了缩 松和第二相的大小 , 因而提高了铸件的机械性能和气密 性 ; (c)晶粒细化缩 短了晶间相(如 Mg17Al12)固溶所需的扩散距 离 , 因而提高了热处理 的效率 ;(d)细化 晶粒改 善了铸 件的 耐蚀性能和加工性能 。 因 此 , 晶 粒细化 技术细 化基体 相并 改善第二相的形态和分布状况成为生产高性能优质镁合金 铸件最为关 键的技术 , 尤其是 对采用 冷速很 慢的砂型 铸造 工艺的铸件 。