熔體冷卻方式對ZA94鎂合金組織的影響
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作者：鄭曉蒙
鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，它具有密度小、比強(qiáng)度高、鑄造性能好以及抗磁性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色工程材料，廣泛應(yīng)用于汽車和電子等領(lǐng)域。ZA系鎂合金具有較好的高溫蠕變性能，其高溫抗蠕變機(jī)制主要在于通過增加鋅含量和控制w( Zn)/w( Al)比值在合金中形成Mg32( Al，Zn)49和MgZn等耐熱強(qiáng)化相來提高高溫蠕變性能。李冠群等人研究了w( Al)/w( Zn)比值在l~15的范圍內(nèi)變化時(shí)組織中相的演變情況，以及力學(xué)性能和耐腐蝕性能的變化。楊明波等研究了w( Zn)/w( Al)比值對Mg-Zn-Al三元鎂合金鑄態(tài)組織和凝固行為的影響，分析了組織中相的分布狀況。此外，許多學(xué)者對于ZA系鎂合金的成形也展開了大量的研究，黃曉鋒、馮凱等人對ZA系鎂合金的半固態(tài)成形進(jìn)行了大量的研究�；诖�，本試驗(yàn)研究ZA94鎂合金鑄造冷卻方式以及連續(xù)冷卻過程中的組織變化情況。
1 試驗(yàn)
1.1材料選擇
試驗(yàn)選用ZA94高Zn鎂合金，名義成分w(Zn)=9 010、w(Al)=4%、余量為Mg。采用純度為99.9%的Mg、Zn、Al為原料，并用純度為99.9%的氬氣作保護(hù)氣體，在井式坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉。
1.2試驗(yàn)方案
本試驗(yàn)采用吸鑄的方式研究合金熔體在連續(xù)冷卻過程中的組織演變，試驗(yàn)如圖1所示。采用TP9000多路數(shù)據(jù)記錄儀測定熔體在連續(xù)冷卻過程中的溫度變化，用耐高溫石英管吸取熔體，并將熔體立即進(jìn)行水淬。圖2為固相率與半固態(tài)溫度之間的關(guān)系。研究合金在空冷和隨爐冷溫度為6000C、590℃、585℃、580.C、575℃、570℃、565℃、560℃、550CC連續(xù)冷卻過程中的組織演變。
首先，將純Mg錠料放入井式坩堝電阻爐中熔化，待全部熔化且溫度達(dá)到680℃時(shí)，同時(shí)加入已配好的純Zn和純Al，全部熔化后，開始測溫。熔體溫度達(dá)到720℃左右時(shí)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~1.5%的C2Cl6進(jìn)行精煉除氣，之后保溫靜置30 min。待熔體溫度達(dá)到610℃時(shí)，將載有熔體的坩堝從爐中取出，在空氣中進(jìn)行冷卻，并同時(shí)用測溫系統(tǒng)進(jìn)行測溫，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度時(shí)依次取樣，用Φlo mm的耐高溫石英管吸取熔體，并立即進(jìn)行水淬，然后破損石英管而取出試樣。將吸鑄水淬后的試樣制成Φ10 mm x15 mm的圓柱試樣，用400目到1500目水磨砂紙預(yù)磨、拋光，用4%硝酸水試劑腐蝕6 s，之后采用DMI3000光學(xué)顯微鏡觀察其組織和形貌，所獲得的金相組織如圖3所示。另一種熔體的冷卻方式是使熔體直接隨爐冷卻，并同時(shí)用測溫系統(tǒng)進(jìn)行測溫，具體操作方法和空冷時(shí)的一致，所獲得的金相組織如圖4所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 空冷過程中組織的演變
圖3所示為ZA94鎂合金在空冷過程中的金相照片。圖3中白色的部分為初生a-Mg相，黑色的部分為共晶組織。從圖2中可以看出，ZA94鎂合金的液相線溫度為598℃。室溫下對其靜置連續(xù)冷卻，從600℃開始并每隔5℃對漿料進(jìn)行水淬取樣。對試樣的顯微組織進(jìn)行觀察可以看到，在空冷條件下，600℃和590℃水淬組織均以枝晶狀存在，其原因在于600℃時(shí)，熔體處于全液態(tài)，熔體中自由晶的數(shù)目極少，熔體直接由液相激冷形成發(fā)達(dá)的樹枝晶二
590℃時(shí)，雖然熔體已經(jīng)產(chǎn)生過冷，并已產(chǎn)生少量的晶核，由于熔體冷卻較快，取樣間隔短，晶粒還未長大，故組織也以枝晶形式存在，但枝晶臂明顯比600℃時(shí)的粗大。
隨著取樣溫度的降低，過冷熔體大量形核并不斷長大，晶粒主要以顆粒狀形式存在。但溫度較低時(shí)，組織中只有少量的顆粒狀晶，而且晶粒尺寸較小，圓整度較好，如圖3c和圖3d所示。隨著溫度的進(jìn)一步降低，初始形成的晶核在生長的過程中失穩(wěn)，使得晶粒的圓整度變差。冷卻到575℃時(shí)，初生相顆粒尺寸增大，有明顯的合并長大趨勢，如圖3e所示：隨著溫度的連續(xù)降低，熔體中固相顆粒的數(shù)量增多，初生固相顆粒尺寸增大，圓整度急劇下降，顆粒間發(fā)生了合并粗化（見圖3f和圖3g）；到溫度降至555℃時(shí)，熔體中固相量很高，流動(dòng)性較差，已無法進(jìn)行吸取，相應(yīng)的組織中固相顆粒粘連合并嚴(yán)重，尺寸很大，形貌不規(guī)則，但其邊緣比較圓滑(見圖3h和圖3i)，可見合并粗化后的顆粒開始發(fā)生熟化。
2.2 隨爐冷卻過程中組織的演變
圖4所示為ZA94鎂合金熔體在隨爐冷方式下，連續(xù)冷卻過程中的金相照片。圖4中白色部分為a．Mg相，黑色的部分為共晶組織。此組照片是在熔體隨爐冷卻的過程中，從600℃開始并每隔5℃對熔體進(jìn)行水淬取樣而得到的。從圖中可以看出：取樣溫度為600℃和590℃時(shí)，微觀組織以等軸晶為主。600℃時(shí)，組織中存在少量的枝晶，原因在于隨爐冷過程中，冷卻較緩慢，雖然此時(shí)熔體溫度還在液相線以上，但熔體中有大量較大的原子團(tuán)簇。在激冷的過程中，組織以等軸晶為主，如圖4a所示。熔體溫度降至5900C時(shí)，熔體中已生成大量的晶核，并不斷長大，故此時(shí)晶粒密度較高，有一部分顆粒晶存在，如圖4b所示。隨著熔體溫度的降低，初生相不斷長大，組織中有顆粒狀晶粒形成，如圖4c所示。隨著熔體溫度的繼續(xù)降低，晶粒連續(xù)長大，而且先前形成的等軸狀顆粒晶發(fā)生根部熔斷，發(fā)展成球狀晶和近球狀晶，此過程是一個(gè)晶粒長大、枝晶臂熔斷并球化的過程，如圖4d~圖4g所示。隨著溫度的進(jìn)一步降低，晶粒生長的時(shí)間延長，組織中的晶粒發(fā)生了合并，如圖4h和圖4i所示。
2.3分析與討論
采用TP9000測定了ZA94鎂合金熔體在空冷和隨爐冷兩種不同冷卻方式下，其溫度的變化情況，如圖5所示。從圖中可知：在空冷方式下，剛開始溫度下降很快，但隨著時(shí)間的延長，溫度下降變得相對緩慢。由于剛開始熔體溫度較高，冷卻速度較快，隨著時(shí)間的延長，熔體中晶核的數(shù)量增多，并不斷長大，在此過程中將會釋放大量的凝固潛熱，使得溫度變化緩慢。而在爐冷方式下，熔體溫度的變化趨勢較緩慢，這是由于外部有一個(gè)熱源，使其溫度梯度較低，而且在整個(gè)冷卻的過程中，其溫度梯度變化不大。經(jīng)過計(jì)算，空冷和爐冷兩種冷卻方式下，其平均冷卻速率分別為0. 27℃／s和0.13℃／s。
在連續(xù)冷卻過程中，不斷形成晶核，固相顆粒連續(xù)生長。郭洪民等人研究認(rèn)為：熔體冷卻速率和熔體中自由晶的數(shù)量共同影響著初生固相的生長形態(tài)，晶粒密度越高以及冷卻速率越小，越有利于初生晶相球形和近球形生長�？绽錀l件下其冷卻速率較大，所以相比較，隨爐冷條件下形成的晶粒形貌較好，原因在于爐冷的條件下熔體冷卻速率較低，晶核可以充分孕育，產(chǎn)生更多數(shù)量的晶粒，均勻分布。
4 結(jié) 論
1) ZA94鎂合金熔體空冷和隨爐冷兩種冷卻方式下，均能獲得近球狀的顆粒晶，但隨爐冷方式下獲得的初生相晶粒形貌較好。
2)熔體在連續(xù)冷卻過程中，其經(jīng)歷了初生相形核、長大、球化及晶粒的合并等過程。
3)熔體的冷卻速率決定著球形初生組織的穩(wěn)定性，較低的冷卻速率有利于維持初生相生長過程中的界面穩(wěn)定性，使其保持球形生長。
5摘要：
以新型ZA94鎂合金為研究對象，采用吸鑄水淬法，研究不同冷卻方式下ZA94鎂合金熔體連續(xù)冷卻過程中的組織演變。結(jié)果表明，空冷和爐冷兩種冷卻方式下，熔體的冷卻速率分別為0. 27℃／s和0.13'C/s。熔體的冷卻速率決定著球形初生組織的穩(wěn)定性，較低的冷卻速率有利于維持初生相生長過程中的界面穩(wěn)定性，使其保持球形生長，爐冷方式下獲得的初生相晶粒形貌較好。熔體在連續(xù)冷卻過程中，其經(jīng)歷了初生相形核、長大、球化及晶粒的合并 等過程。
