Mg-Al合金晶粒细化工艺及机理研究

摘要

Mg-Al系合金是目前应用最为普遍的镁合金，目前已广泛应用于电子、航空航天、汽车等领域，在未来也有更好的应用前景。ZM5镁合金作为Mg-Al系合金的典型代表，以其优良的性能而受到越来越多的关注。但其结晶温度较宽、体积收缩率大，有明显的晶粒粗化趋势，易产生缩松、热裂等缺陷，严重制约了镁合金的发展。晶粒细化能显著提高镁合金材料的综合力学性能和铸造性能，大大改善镁合金的加工性能。本文主要以ZM5镁合金为研究主体，采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)等手段对Mg-Al合金晶粒细化工艺及机理进行研究，主要探讨了不同的冷却速度和不同碳质变质剂及不同加入量对ZM5镁合金显微组织和力学性能的影响，并探索其细化机理。
　　研究不同冷却速率(包括金属型铜模、金属型钢模，含10mm厚和20mm厚冷铁的阶梯型树脂砂型模具)对ZM5镁合金微观组织和力学性能的影响规律，分析计算冷却速率与晶粒尺寸以及综合力学性能之间定量关系式，探索其细化规律。结果表明，随着冷却速度的不断增大，ZM5镁合金的晶粒得到明显细化，性能也变得更加优良。在金属型铜模铸造条件下，其冷却速度最快，为7.88℃/s，其晶粒尺寸最为细小，为70.31μm;在砂型阶梯模中，由各区域由薄到厚依次为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，在砂型Ⅲ区(含10mm厚的冷铁)中，其冷却速度最慢，为2.94℃/s，晶粒尺寸也最为粗大，为166.43μm。其晶粒尺寸由166.43μm减小到70.31μm，减小约2.5倍。其第二相的形状由连续的网状、长链条状、块状逐渐变成不连续的雪花状、针状、颗粒状。ZM5镁合金的力学性能得到显著提高。其硬度值由54.6HB提高到66.8HB，增幅达22％;抗拉强度由165MPa提高到225MPa，增幅达36％;延伸率由2.2％增加到3.5％，增幅达59％;晶粒尺寸(D)、抗拉强度(Rm)、硬度(HB)、延伸率(A)冷却速率的定量关系为:D=221.33v-0.333，Rm=exp(5.21932-0.07165v+0.01246v2)，HB=exp(4.05024-0.03v+0.00655v2)，A=exp(0.84396-0.002579v+0.00948v2)。
　　研究不同碳质变质剂(包括C2Cl6、Al-5Ti-0.8C中间合金、MnCO3)及不同加入量对ZM5镁合金组织和性能的影响规律。实验结果表明，变质剂的加入，对镁合金起到不同程度的细化作用。C2Cl6、Al-5Ti-0.8C、MnCO3三种变质剂的最佳加入量为:1.5％、2.4％、0.5％，其平均晶粒尺寸由未变质的188.86μm分别减少到75.87μm、90.34μm、103.75μm，抗拉强度较未添加的分别增加了16.2％(铸态)、39.0％(T6热处理态);5.9％(铸态)、36.6％(T6热处理态);5.4％、19.5％;伸长率分别增加了25.0％(铸态)、66.7％(T6热处理态);42.8％、70.0％;17.9％、26.7％。细化效果最为明显的是C2Cl6，其次是Al-5Ti-0.8C，然后为MnCO3。
　　采用SEM和EDS对三种碳质变质剂的细化机理进行分析讨论。研究结果表明，C2Cl6的加入，在镁合金熔体中可能生成Al4C3颗粒，其可作为α-Mg的有效形核核心，有效提高其形核率，使晶粒得以细化;添加Al-5Ti-0.8C中间合金，在镁合金熔体中可能生成TiC和Al4C3两种颗粒，可作为α-Mg基体的有效形核核心，进而促进晶粒细化;加入MnCO3，一方面是由于镁合金熔体在反应过程中可能生成Al4C3颗粒，可作为异质形核的核心，另一方面，由于C、Mn元素的引进，其富集于晶界，引起成分过冷，增加其在形核过程中的过冷度，使晶粒得以细化。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 Mg-Al合金晶粒细化的方法

1．2．2 熔体搅拌法

1．2．3 碳质变质法

1．2．4 FeCl3法

1．2．5 添加合金元素法

1．2．6 快速凝固法

1．3 Mg-Al合金晶粒细化机理

1．3．1 相互依存理论

1．3．2 边缘匹配模型

1．3．3 GRF生长抑制因子理论

1．4 本课题的研究目的及研究内容

1．4．2 研究内容

2．1 实验方案

2．2 实验方法

2．2．1 原材料成分

2．2．2 实验前准备

2．2．3 合金的熔炼工艺

2．2．4 合金的热处理工艺

2．3 分析测试

2．3．1 拉伸性能测试

2．3．2 硬度性能测试

2．3．3 金相显微组织分析

2．3．4 平均晶粒度的测量

2．3．5 扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)

3 冷却速率对镁铝合金的细化机理研究

3．1 引言

3．2 冷却速率对ZM5镁合金组织和性能的影响

3．2．1 实验方案

3．2．2 不同冷却速率下的冷却曲线

3．2．3 不同冷却方式下的显徽组织

3．2．4 不同冷却方式下的晶粒尺寸

3．2．5 不同冷却方式下的力学性能

3．3 本章小结

第4章 碳质变质剂对镁铝系合金晶粒细化的机理研究

4．1 引言

4．2 实验方案

4．3 不同碳质变质剂细化ZM5镁台金工艺研究

4．3．1 C2Cl6对ZM5镁合金组织和性能的影响

4．3．2 Al-5Ti-0．8 C对ZM5镁台金组织和性能的影响

4．3．3 MnCO3对ZM5镁台金组织和性能的影响

4．4 变质剂细化机理的探讨

4．4．1 C2Cl6在ZM5镁合金中的细化机理研究

4．4．2 Al-5Ti-0．8 C在ZM5镁台金中的细化机理研究

4．4．3 MnCO3在ZM5镁合金中的细化机理研究

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢