鎂合金低頻電磁半連續(xù)鑄造工藝及理論研究.pdf

1、鎂合金由于密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，導(dǎo)熱性能好和阻尼減震性能優(yōu)良等特點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于航天器、飛機(jī)、汽車(chē)以及電子產(chǎn)品等。隨著鎂合金用量的不斷增加，人們對(duì)鎂合金材料的性能提出了更高的要求。鑄錠質(zhì)量是制約高性能鎂合金發(fā)展的瓶頸。本課題就是為高性能鎂合金產(chǎn)品開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的鎂錠制備技術(shù)。本文研究的內(nèi)容是國(guó)家“863”高科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“鎂合金鍛造輪轂產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究”的一部分，目的是為汽車(chē)用鎂合金鍛壓輪轂提供高質(zhì)量的鎂合金錠坯。 本文首先

2、采用數(shù)值模擬的方法，比較了金屬鎂和金屬鋁在常規(guī)DC鑄造和低頻電磁半連續(xù)鑄造過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)熔體的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)施加電磁場(chǎng)強(qiáng)度相同時(shí)，鎂熔體內(nèi)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值小于鋁熔體，鎂熔體內(nèi)部感應(yīng)電磁場(chǎng)的衰減速度小于鋁熔體。隨著外加電磁場(chǎng)頻率的降低，金屬鎂和金屬鋁熔體芯部的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。相同頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，鎂熔體芯部的磁感應(yīng)強(qiáng)度高于鋁熔體。常規(guī)鑄造時(shí)，金屬鎂鑄錠的液穴深度高于金屬鋁鑄錠，施加相同強(qiáng)度的低頻電磁場(chǎng)后，

3、鎂熔體內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流速度高于鋁熔體，鎂鑄錠液穴深度小于鋁鑄錠。Ф300mm AZ31鎂合金鑄錠的半連續(xù)鑄造過(guò)程模擬研究表明，常規(guī)鑄造時(shí)，鑄錠的液穴深度是195mm，施加頻率為15Hz強(qiáng)度為10000At的交流磁場(chǎng)后，鑄錠的液穴深度減小至124mm。低頻電磁場(chǎng)頻率的改變對(duì)鑄錠液穴深度的變化有明顯的影響，計(jì)算表明，電磁場(chǎng)強(qiáng)度為10000At，磁場(chǎng)頻率在15-30Hz時(shí)，AZ31鑄錠的液穴較淺。 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，本文開(kāi)發(fā)了Ф100m

4、m、Ф200mm和Ф300mm鎂合金鑄錠的低頻電磁半連續(xù)鑄造(LFEC)新工藝，結(jié)果表明，施加低頻電磁場(chǎng)有效地細(xì)化了鑄錠的顯微組織，提高了錠坯的表面質(zhì)量，減小了合金化元素的宏觀偏析，抑制了鑄錠的熱裂紋。 Ф100mm AZ91鎂合金鑄錠的低頻電磁鑄造實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度為3000At，頻率在0～70Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，頻率為30Hz時(shí)鑄錠的綜合性能最優(yōu)。鑄造過(guò)程中施加低頻電磁場(chǎng)降低了AZ91鎂合金鑄錠發(fā)生熱裂紋的傾向，但沒(méi)有

5、改變鑄錠內(nèi)結(jié)晶相的類(lèi)型。施加頻率為30Hz、強(qiáng)度為4800At的交變電磁場(chǎng)后，對(duì)于Ф200mm MA2-1鎂合金鑄錠，其中心和邊部的晶粒尺寸分別由常規(guī)鑄造時(shí)的210μm和160μm細(xì)化至155μm和110μm。對(duì)于Φ200mm Mg-Zn-Zr鎂合金鑄錠，其中心和邊部的晶粒尺寸分別由常規(guī)鑄造時(shí)的180μm和100μm細(xì)化至90μm和60μm。合金元素測(cè)定表明，施加頻率為30Hz，強(qiáng)度為8000At的電磁場(chǎng)后，Al元素在MA2-1鎂合金鑄

6、錠邊部的偏析率由常規(guī)鑄造時(shí)的3.52％降為2.69％，在鑄錠芯部偏析率由-3.11％增加到-1.04％。Zn元素的分布規(guī)律和Al元素一致。而對(duì)于Mg-Zn-Zr鎂合金鑄錠，施加強(qiáng)度為4800At頻率為30Hz的電磁場(chǎng)后，Zn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率分別由常規(guī)鑄造時(shí)的4.64％和-3.44％減小至3.29％和-1.83％。Φ300mmAZ80鎂合金鑄錠的低頻電磁鑄造試驗(yàn)研究表明，常規(guī)鑄造時(shí)，鑄錠中心存在放射狀粗大枝晶。鑄錠試樣在410

7、℃以0.1S<'-1>的應(yīng)變速率壓縮時(shí)其流變應(yīng)力峰值為64MPa。施加低頻電磁場(chǎng)后，鑄錠內(nèi)部組織細(xì)化。磁場(chǎng)強(qiáng)度保持在9000At，電磁場(chǎng)頻率在0～30Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，頻率為22Hz時(shí)鑄錠顯微組織最細(xì)小，且此條件下鑄錠試樣的熱壓縮流變應(yīng)力峰值減小至52MPa。在低頻電磁場(chǎng)的作用下，Al元素的偏析得到了改善，電磁場(chǎng)強(qiáng)度保持9000At，磁場(chǎng)頻率在15-30Hz時(shí)，在鑄錠邊部，Al元素的偏析率由常規(guī)鑄造時(shí)的7.58％降為4.05～4.61％

8、，在鑄錠中心，其偏析率由常規(guī)鑄造時(shí)的-5.25％增加至-2.18～1.81％。Zn元素和Al元素呈現(xiàn)相似的規(guī)律。Mn元素的規(guī)律和Al相反，常規(guī)鑄造時(shí)，Mn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率分別為4.11％和-3.84％，施加低頻電磁場(chǎng)后，鑄錠中心Mn元素含量增大，邊部Mn含量減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，頻率為30Hz時(shí)，Mn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率分別變?yōu)?3.18％和7.89％。Fe元素的分布規(guī)律和Mn元素相似。低頻電磁鑄造的理論研究表明：Lo

9、rentz力的時(shí)間積分表現(xiàn)為對(duì)熔體的壓縮作用。在交變磁場(chǎng)作用下，熔體內(nèi)的固相顆粒在形成、生長(zhǎng)的過(guò)程中受到排斥力的作用。在電磁場(chǎng)的集膚深度內(nèi)，大量晶核在交變電磁場(chǎng)的作用下有彌散分布的趨勢(shì)。含Al、Mn、Fe三元素的化合物粒子由于受到電磁力的作用而向鑄錠中心偏聚。 在低頻電磁半連續(xù)鑄造的基礎(chǔ)上，本文開(kāi)發(fā)了Φ200mm MA2-1、Φ200mm Mg-Zn-Zr鎂合金和Φ300mm.AZ80鎂合金的電磁振蕩鑄造(LFEVC)新工藝。結(jié)

10、果表明，電磁振蕩鑄造的鎂合金鑄錠表面粗糙，缺乏金屬光澤。和常規(guī)鑄造相比，電磁振蕩鑄造有效的細(xì)化了鑄錠的顯微組織，改善了鑄錠內(nèi)元素的宏觀偏析，提高了鑄錠的機(jī)械性能。對(duì)于MA2-1和Mg-Zn-Zr鎂合金鑄錠，當(dāng)振蕩磁場(chǎng)強(qiáng)度為8000At，振蕩頻率在10～30Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著振蕩頻率的增加，鑄錠顯微組織逐漸細(xì)化，元素偏析逐漸減小。Φ300mmAZ80鑄錠的電磁振蕩研究表明，施加振蕩電磁場(chǎng)后，鑄錠內(nèi)晶粒細(xì)化成薔薇狀，Mg<,17>Al<

11、,12>共晶相細(xì)化且在晶界處彌散分布。隨著振蕩磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，鑄錠晶粒尺寸逐漸減小，Al、Zn、Mn、Fe元素宏觀偏析逐漸降低。當(dāng)電磁振蕩系統(tǒng)的交流磁場(chǎng)強(qiáng)度為10000At，直流磁場(chǎng)強(qiáng)度從10000At增大到20000At時(shí)，鑄錠內(nèi)α-Mg晶粒中心Al、Zn兩元素的含量分別從3.198％和0.242％增加至3.543％和0.287％。電磁振蕩鑄造的AZ80鑄錠整體硬度較高，極限抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率較常規(guī)鑄造時(shí)提高了5～8％。 理