一种采用搅拌摩擦加工提高镁锆晶粒细化剂细化效率的方法

摘要

本发明公开了一种采用搅拌摩擦加工提高镁锆晶粒细化剂细化效率的方法，包括以下步骤：(1)将商用的Mg‑Zr中间合金装夹在搅拌摩擦焊机上；(2)对Mg‑Zr中间合金板进行多道次渐移式的搅拌摩擦加工处理并使处理区域覆盖整块材料；(3)将搅拌摩擦加工后的Mg‑Zr中间合金切成小块，按所需用量添加至熔体中以实现镁合金的晶粒细化；本发明工艺稳定可靠、成本低、无污染、效果较佳。使用经FSP加工的Mg‑Zr中间合金并对镁合金进行晶粒细化试验，可在达到合格晶粒细化效果的基础上，大约节省30％～40％的Zr用量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用搅拌摩擦加工提高镁锆晶粒细化剂细化效率的方法，属于镁合金晶粒细化技术领域。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3、钢的1/4，具有比强度高、导热导电性好、阻尼减振、易加工、易回收等优点，非常适合作为减重节能构件的候选材料，被称为“21世纪的绿色工程材料”。国内外镁合金多年的发展表明：高强度耐热镁合金基本上全是含Zr元素的镁合金，如WE43、WE54、ZE41、QE22A、NZ30K、GW103K等。如经典的含Zr镁合金实例为WE54(Mg-5.0Y-3.5RE-0.5Zr)，其强度高且在250℃时仍保持强度长达1000h，被用在赛车发动机和变速箱部件、直升机旋翼传动系统。添加Zr主要是产生强烈的晶粒细化作用，细小的晶粒提高了显微组织均匀性、力学性能、腐蚀性能及后续塑性变形能力；而Zr对镁合金的晶粒细化机理主要为异质形核和生长抑制作用。

众所周知，Zr熔点高(1852℃)、密度重(6.52g/cm³)、在镁中溶解度有限(654℃时约0.5wt.％)，导致镁合金熔炼时添加Zr曾是大难题。研究者初期尝试过添加纯金属Zr粉、海绵Zr、ZrO2、Zr卤盐等方式，效果均不理想，后来开发的Mg-Zr中间合金被证明是最佳的选择。制备Mg-Zr中间合金的主流方法是镁液高温还原熔融Zr盐(如K₂ZrF₆、ZrCl₄)法，此原位反应法制得的Mg-Zr合金中Zr粒子活性高、界面洁净，故将其添加到镁合金熔体中时，能保证Zr元素易溶入Mg液且界面洁净。但是，还原制备Mg-Zr时，Zr的原位析出及连续生长使其粒子粗大，而还原用的锆盐粘度大，造成颗粒分散性不好。因此，使得Mg-Zr细化剂的组织很不均匀，Zr粒子尺寸大小不一，其中大尺寸(十微米甚至几十微米以上)的Zr粒子占了很大一部分，使得加入镁合金时存在Zr沉降快、形核基底少、利用率低、稀有Zr金属浪费等问题。工业熔炼镁合金时实际加Zr需以Zr名义成分的3～5倍实施，比如添加名义成分1.5％Zr至镁合金熔体，才能保证浇铸镁合金铸锭实收0.3～0.5％Zr，这直接增加了镁合金的Zr晶粒细化成本。另外，晶粒细化剂的组织粗大，也很有可能导致粗大的细化剂颗粒团簇残留于铸锭中(尤其是由坩埚中下部的熔体浇铸出的铸锭)，恶化镁合金力学性能甚至腐蚀性能，故也迫切希望使用Zr粒子细小、组织均匀的细化剂原料。检索文献发现，Qian>

上述研究背景的重要性，已经催生了少量对Zr改性的研究，如：对Mg-Zr进行轧制【文献：Q.Ma,et al.,Grain refinement of pure magnesium using rolledmaster alloy(Mg-33.3Zr).in proccedings of Magnesium Technology 2003,pp.215-220.】，或等通道挤压【文献：S.Viswanathan,et al.,Engineering a more efficientzirconium grain refiner for magnesium.in proceedings of Magnesium Technology2011,pp.559-564.】，或对添加Zr后的镁合金熔体进行超声处理以提高有效Zr粒子数目【文献：A.Ramirez,et al.,Potency of high-intensity ultrasonic treatment for grainrefinement of magnesium alloys.Scripta Materialia,2008,59(1):19-22.】；然而几种方法均有自身的缺点，如：轧制高Zr含量的板材时易开裂，等通道挤压工艺复杂、变形不均匀，而超声处理提升效果有限、炉前操作复杂、作用区域有限。因此，需要寻求更有效的处理方法。

搅拌摩擦加工是一种新兴的大塑性变形加工技术，其基本原理是利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈剪切摩擦等塑性变形、混合、破碎等热机械作用，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。将FSP应用于金属材料加工的报道很多，主要目的是为了改善材料的显微组织与力学性能，展现了良好的效果。

发明内容

本发明的目的是针对前述Mg-Zr细化剂显微组织粗大、粒子分布不均匀的问题，利用FSP的强塑性变形能力，对Mg-Zr进行组织细化。

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种采用搅拌摩擦加工提高镁锆晶粒细化剂细化效率的方法，包括以下步骤：

(1)将商用的Mg-Zr中间合金切成3～10mm厚的板，并装夹在搅拌摩擦焊机上。

(2)对Mg-Zr中间合金板进行多道次渐移式的搅拌摩擦加工处理，每一道次搅拌摩擦加工完成后，将工作台平移与搅拌针直径相当的距离，开始进行下一道次的加工，加工参数与上一道次相同，使处理区域覆盖整块材料；所述搅拌摩擦加工所用搅拌头的转速为600～1200rpm，前进速度为100～300mm·min^-1，搅拌头的轴肩直径为8～32mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm；搅拌针为带螺纹的圆台或圆柱搅拌针，其高度比Mg-Zr中间合金板的厚度小0.3～0.5mm，圆柱搅拌针的直径为2.5～10.0mm，圆台搅拌针的上、下直径分别为1.5～5.0mm，2.8～9.5mm。

搅拌摩擦加工过程中，搅拌头的旋转速度和前进速度是决定其质量的两个非常重要的参数。由于旋转的搅拌头与工件表面之间产生的摩擦热是焊接过程的主要热量来源。如果搅拌头旋转太慢，则因为热输入量不够使材料软化程度不足，不能很好的从前进侧流到后退侧，然后再填补因为搅拌头前进而留下的空腔，最后会形成隧道甚至沟槽等缺陷。但是，如果搅拌头旋转速度太快，则会因为热输入量太大而使温度太高，不仅使材料表面产生氧化现象，从而影响外观质量，甚至由于材料过于软化而无法形成良好的回填效果。

同样的，前进速度的快慢也是间接影响到热输入量的多少。如果焊接前进太快，则会因为没有足够的时间软化前方的材料，使其流动性不足，从而产生缺陷。同时，由于材料温度过低、材料过硬，前进中的搅拌头受到的抗力会很大，容易造成断针的现象。焊接速度过慢，不仅同样会由于热输入量太大产生严重的氧化现象，而且会大大降低焊接的效率。

本发明方法的原理：利用搅拌摩擦加工时所产生的剧塑性变形和机械力，强烈破碎商用Mg-Zr合金显微组织内的硬质Zr粒子，并使其均匀分布，从而提高有用Zr粒子的数量密度，改善晶粒细化效果。上述搅拌摩擦加工处理主要是破碎其内部的大尺寸Zr粒子及团簇，从而增多有效Zr粒子数目，提高对镁合金的晶粒细化效果并降低Zr元素的浪费。

所得Mg-Zr中间合金的显微组织内尺寸介于1～5μm之间的Zr粒子数量大大增多，且更均匀分布，对镁合金晶粒细化效果得到显著提高和自身用量节省。

(3)将搅拌摩擦加工后的Mg-Zr中间合金切成小块，按所需用量添加至熔体中以实现镁合金的晶粒细化。

所述Mg-Zr中间合金适用于须加Zr来细化的铸造镁合金。

本发明工艺稳定可靠、成本低、无污染、效果较佳。使用经FSP加工的Mg-Zr中间合金并对镁合金进行晶粒细化试验，可在达到合格晶粒细化效果的基础上，大约节省30％～40％的Zr用量，是一条有效细化Mg-Zr组织的技术路径。

附图说明

图1为搅拌摩擦处理(FSP)多道次加工Mg-Zr板材示意图。

图2为为原始态Mg-30wt.％Zr的SEM组织图。

图3为FSP加工后Mg-Zr细化剂的SEM组织图。

图4为Mg-Zr细化剂在FSP处理前后的晶粒细化效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

(1)将商用的Mg-Zr中间合金加工成3mm厚的板(如图1所示)，并装夹在搅拌摩擦焊机上。图1中，搅拌头1是整个加工的工具,搅拌针2插入材料进行搅拌，下同。

(2)采用带螺纹的圆柱搅拌针，其直径为2.5mm，高度为2.7mm(比板材厚度少0.3mm)，搅拌头轴肩直径为8mm；搅拌头的转速为600rpm，前进速度为100mm·min^-1，搅拌头的轴肩下压量为0.1mm。

(3)第一道次加工完成后，将工作台平移2.5mm，开始进行下一道次的加工，加工参数与第一道次相同，以此重复、渐移，最终达到将整块板加工完全的效果。

实施例2

(1)将商用的Mg-Zr中间合金加工成10mm厚的板，并装夹在搅拌摩擦焊机上。

(2)采用带螺纹的圆柱搅拌针，其直径为10mm，高度为9.5mm(比板材厚度少0.5mm)，搅拌头轴肩直径为30mm；搅拌头的转速为1200rpm，前进速度为200mm·min^-1，搅拌头的轴肩下压量为0.3mm。

(3)第一道次加工完成后，将工作台平移10mm，开始进行下一道次的加工，加工参数与第一道次相同，以此重复、渐移，最终达到将整块板加工完全的效果。

实施例3

(1)将商用的Mg-Zr中间合金加工成8mm厚的板，并装夹在搅拌摩擦焊机上。

(2)采用带螺纹的圆台搅拌针，其上、下直径分别为7mm和4mm，高度为7.6mm(比板材厚度少0.4mm)，搅拌头轴肩直径为23mm；搅拌头的转速为1000rpm，前进速度为300mm·min^-1，搅拌头的轴肩下压量为0.2mm。

(3)第一道次加工完成后，将工作台平移4mm，开始进行下一道次的加工，加工参数与第一道次相同，以此重复、渐移，最终达到将整块板加工完全的效果。

实施例4

(1)将商用的Mg-Zr中间合金加工成3mm厚的板，并装夹在搅拌摩擦焊机上。

(2)采用带螺纹的圆台搅拌针，其上、下直径分别为2.8mm和1.5mm，高度为2.7mm(比板材厚度少0.3mm)，搅拌头轴肩直径为9mm；搅拌头的转速为700rpm，前进速度为150mm·min^-1，搅拌头的轴肩下压量为0.2mm。

(3)第一道次加工完成后，将工作台平移1.5mm，开始进行下一道次的加工，加工参数与第一道次相同，以此重复、渐移，最终达到将整块板加工完全的效果。

实施例5

(1)将商用的Mg-Zr中间合金加工成10mm厚的板，并装夹在搅拌摩擦焊机上。

(2)采用带螺纹的圆台搅拌针，其上、下直径分别为9.5mm和5.0mm，高度为9.6mm(比板材厚度少0.4mm)，搅拌头轴肩直径为32mm；搅拌头的转速为1200rpm，前进速度为300mm·min^-1，搅拌头的轴肩下压量为0.3mm。

(3)第一道次加工完成后，将工作台平移5.0mm，开始进行下一道次的加工，加工参数与第一道次相同，以此重复、渐移，最终达到将整块板加工完全的效果。

图2、3所示为Mg-Zr细化剂在FSP处理前后的显微组织对比。其中，图2所示为原始态Mg-30wt.％Zr的SEM组织，表明：Zr粒子杂乱分布在Mg基体上，Zr粒子尺寸为亚微米至几十微米，统计表明尺寸大于5μm的Zr粒子占了体积分数70％以上。图3所示为经过实施例1～5方法的FSP加工后Mg-Zr细化剂的SEM组织，表明：Zr粒子尺寸更细小且分布更均匀，尺寸小于5μm的粒子所占的数量比例得到显著提高。

图4所示为Mg-Zr细化剂在FSP处理前后的晶粒细化效果对比，选取的试样对象为典型Mg-3Nd-0.2Zn-Zr(NK30K)镁合金，试样冷却速度大约为1K/s。可以发现：在相同Zr添加量情况下，以经过实施例1～5方法的FSP处理态的Mg-30％细化的NZ30K镁合金的晶粒尺寸更细小。比如，当Zr添加量均为0.4％时，使用原始态Mg-30％Zr细化的NZ30K合金晶粒尺寸为262±11μm，而使用FSP处理态Mg-30％Zr细化的NZ30K合金晶粒尺寸为202±10μm；当Zr添加量均为1.0％时，使用原始态Mg-30％Zr细化的NZ30K合金晶粒尺寸为103±5μm，而使用FSP处理态Mg-30％Zr细化的NZ30K合金晶粒尺寸为77±3μm。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。