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电磁搅拌工艺

上海大学2012-2013学年秋季学期研究生课程考试小论文

课程名称：

材料结构性能及应用课程编号：

10SAU7003

论文题目:

电磁搅拌工艺制Mg-Al-Mn-Ce镁合金组织及性能研究

研究生姓名:

王晓旭学号:

12721572

论文评语:

成绩:

任课教师:

评阅日期:

电磁搅拌工艺制备Mg-Al-Mn-Ce镁合金的组织及性能研究

摘要：

高性能镁合金的开发是当前材料研究的热点之一，为制备出具有良好综合性能这类镁合金，本文研究了不同含量Ce对Mg-Al-Mn-Ce镁合金的拉伸力学性能的影响。

电磁搅拌工艺处理后，通过改变Ce的含量得到不同的抗拉强度σb，屈服强度σ0.2。

加入少量的Ce（0.5%—2%，质量分数）可明显细化。

α-Mg基体，随Ce量增加，合金中的β-Mg17Al12相数量减少，且由连续网状形态变为非连续分布。

同时，Ce与合金中的Al结合形成针状或杆状的A12Ce化合物。

能谱分析和液淬显微组织观察表明，组织细化机制主要归结为Ce加入引起结晶界面前沿的成分过冷，增加均质形核的数量，显微组织的改善导致了合金的力学性能和腐蚀性能明显提高。

研究结果显示：

稀土元素的添加可以明显改善合金的拉伸性能。

Mg-Al-Mn-Ce镁合金显微组织显示，铸态组织主要由α-Mg﹑β-Mg17Al12和Al2Ce强化相构成，添加稀土后晶粒明显细化，生成稀土镁化合物Al2Ce。

所以晶界处强化相的数量与形态对合金力学性能起较大作用。

由于弥散分布的高熔点热稳定的颗粒相Al2Ce存在，对晶粒起到钉扎作用，从而与未加稀土合金相比，添加稀土后合金具有更好的力学性能。

关键词：

电磁搅拌工艺；稀土镁合金；力学性能

MicrostructureandPropertiesofMg-Al-Mn-CeMagnesiumAlloyPreparedbyElectromagneticStirringProcess

Abstract：

Thedevelopmentofhighperformancemagnesiumalloymaterialsisacurrentlyhotspot,forgettinggoodpreparationofthecomprehensiveperformancesuchmagnesiumalloy.ThispaperresearchesonthedifferentcontentsofCeonthetensilemechanicalpropertiesofMg-Al-Mn-Cemagnesiumalloy.Afterelectromagneticstirringtreatment,throughchangingthecontentoftheCe,itcangetdifferentstateoftheσb,andσ0.2.

Adding0.5%-2%Ce（massfraction）inAZ91magnesiumalloycandecreaseobviouslytheα-Mggrainsize.Themorphologyofβ-Mg17Al12Phaseinthealloychangedfromcontinuousnetworktodiscontinuousone，andtheiramountdecreasedwithincreasingCecontent.Meanwhile，thread-likeorneedle-likeA12CePhasesmainlydistributedatgrainboundarieshavebeenobserved.EDXSandtheobservationofwater-quenchedmicrostructureshowedthatthegrainrefinementmechanismisattributedtotheadditionofCeinducedtheconstitutionundercoolingatsolidificationinterfacefront，whichincreasedthenumberofhomogeneousnucleation.ThemechanicalpropertiesandcorrosionresistantperformanceofthealloyscontainingCewereimprovedobviously.

Theresultshows,addingrareearthelementscansignificantlyimprovedthetensilepropertiesofthealloy.Mg-Al-Mn-Cemagnesiumalloymicrostructureshowed,castingorganizationmainlyconsistoftheα-Mg,β-Mg17Al12andAl2Cestrengtheningphasecomposition,crystalgrainwasrefinedafteraddingrareearth,generatingrareearthmagnesiumcompoundsAl2Ce.Sothenumberofstrengtheningphaseingrainboundaryandformcanplaybiggerroleformechanicalpropertiesofalloys.Becauseofthedispersiondistribution,highmeltingpointtheheatstableparticlesAl2Ceinexistence,itplayanailpiercedroleofcrystalgrain,thuscomparenoaddingrareearthalloy,addingrareearthalloyhasbetterthemechanicalperformance.

Keywords:

EMSProcess;REmagnesiumalloy;mechanicalproperties

第1章绪论

1.1镁及镁合金

镁是银白色的金属，密度1.738g/cm熔点648.9℃。

沸点1090℃。

是轻金属之一同时也是实用金属中的最轻的金属，比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。

强度高、刚性高。

具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。

其特点是：

密度小（1.8g/cm3左右）比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，目前使用最广的是镁铝合金。

主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。

镁的这些优点使其被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”，并将成为21世纪重要的商用轻质结构材料[1-2]。

镁是在自然界中分布最广的十个元素之一其应用领域十分广泛，镁主要的应用方式是作为铝合金的添加剂，镁合金的开发和应用还具有很大的发展潜力。

自1880年，德国首先把镁应用于工业领域，1900年，德国首先出现了镁合金铸件，至今世界发达国家已着手镁合金材料的大力开发与研究，镁及镁合金被应用在航天航空、国防军工、交通运输、电子器件壳体、体育器材和办公用品等领域，加速开发镁的应用已经成为必然趋势。

金属镁存在于菱镁矿（碳酸镁）MgCO3、白云石（碳酸镁钙）CaMg（CO3）2、光卤石（水合氯化镁钾）KCl·MgCl2·H2O中。

其资源在全球范围内十分丰富，且具有高度的可获得性（地壳2.3%,海水1.1kg/m3）[3]。

我国是世界上镁储量最大的国家之一。

据俄罗斯索里卡姆斯克镁业（Solikamsk）统计，2009年1-6月，全球金属镁总产量为25.5万吨，其中中国金属镁产量约为21.5万吨。

从全球消费水平上看，金属镁产量中的45%用于生产合金，35%用于汽车和电子行业（其中电子行业占少数），13%用于炼钢脱硫行业，而作为还原剂在海绵钛行业中的运用占5%。

我国变形镁合金材料的研制与开发，始于1960年，但国内在镁合金材料仍需要进口，民用产品尚未进行大力开发[4]。

因此，在我国具有丰富的镁资源的基础上，研究具有高技术含量，且能满足在军工、航天、运输等领域应用的一些高性能的先进变形镁合金材料，具有重大意义。

1.2压铸镁合金

1.2.1压铸镁合金的组织

多数镁合金属为密排六方结构，由于六方晶系的对称性低，滑移系统少，除非使晶粒充分细化以降低反向应力并通过晶界滑动以增强晶体旋转，否则结构镁合金在室温下的变形总呈孪生倾向。

与铝合金比较，镁合金晶粒细化对改善强度和延展性来说具有更大的潜力，细晶结构有助于调节滑移和抑制孪晶，因此很多镁合金的力学性能强烈地依赖晶粒尺寸。

枝晶臂间距的减小，也有利于改善镁合金的力学性能。

研究发现，合金密度是一个重要的影响镁合金抗蠕变性能的结构敏感性特征。

这种影响随着测试持续时间的延长而有显著的增加。

对于压铸镁合金来说蠕变性能由凝固组织中宏-微观孔洞发展演化的程度所决定[5]。

晶粒尺寸对金属的强度影响很大。

但在镁合金的高压压铸中，缩松数量与晶粒尺寸对性能的影响同样重要。

缩松使低载荷下裂纹繁殖更容易[6]。

虽然铸件中最终凝固的区域比靠近浇口的区域晶粒更粗大，但缩松是降低其力学性能的更大因素。

一般来说，缩孔程度越高，机械强度越低。

1.2.2压铸镁合金的性能

当前镁合金的成形主要使用铸造工艺，镁合金的铸造成形有大致分为：

重力浇注；低压铸造；半固态压铸；触变注射成形；高压铸造即通常所说的压铸方法等方法。

其中高压铸造方法特别适合镁合金铸造[7]。

现在90%左右的镁合金工程结构件是通过压铸方法制造的。

镁合金的室温塑性较差，但在压应力作用下高温时具有很高的塑性，可以通过挤压、锻压和轧制成形。

此外，镁合金的切削速度大大高于其它金属，能减少切削加工时间，另一个突出的优点是不需要磨削和抛光，不使用切削液即可得到光洁的表面。

此外，镁合金还具有流动性好、凝固快等优点，使其具有良好的铸造性能[8]。

镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90%以上是压铸件。

镁合金的压力铸造比铝合金好，因为镁合金压铸件有良好的散热性，散热能力比铝合金快10～30%，与钢铸模不反应。

而铝合金与钢铸模则反应强烈。

由铝合金生产的产品的最小壁厚为1.2～1.5mm，而由镁合金生产的产品的最小壁厚可以达到0.6mm，即使长时间使用，也基本上看不到变形，其尺寸稳定性能优异。

当压铸压力在420MPa到500MPa之间时，铸态镁合金的力学性能最好，其中抗拉强度和伸长率最高可达238MPa和13.6%。

压铸模温度为170℃时，压铸铸态镁合金的抗拉强度可取得最大值，当压铸模温度到于190℃之后，合金的力学性能迅速降低。

压射速度为2.6m/s时，铸态镁合金的力学性能最佳[9]。

1.3电磁搅拌技术

1.3.1电磁搅拌技术介绍

电磁搅拌是利用电磁感应产生的电磁力来推动金属有规律的运动，减少枝状晶，增加等轴晶率从而改善合金的微观组织形貌[10]。

电磁搅拌技术属于半固态成型技术，由于电磁搅拌工艺具有搅拌力强、易实现三维流动、无污染，无须接触，操控简单，工艺控制精确并且可适用于大工业生产等优点，因此在半固态金属坯料制备领域首先取得了工业应用，并且实现了大规模产业化生产[11]。

同时在科研领域，材料电磁加工和电磁搅拌技术已经成为了传统材料和新材料开发和生产领域重要的研究方向之一[12]。

电磁搅拌器的工作原理：

电磁搅拌器是由特殊的变频电源将三相交流电变成超低频的两相或三相正交的交流电，然后利用直线异步感应电机的原理，产生方向和大小可变的行波磁场，也叫平移磁场，在磁场力的作用下，使金属液在熔炉内形成有规律的运动!

从而达到对金属液的无接触搅拌。

电磁搅拌器也是根据其在连铸工业流程中的位置和在连铸机上的安装位置分类的。

具体分类如下：

（1）结晶器区电磁搅拌器（M-EMS）

结晶器内电磁搅拌器（M-EMSI）：

电磁搅拌器安装在连铸机结晶器内对结晶器内的钢液进行搅拌。

结晶器外电磁搅拌器（M-EMSO）：

电磁搅拌器安装在连铸机结晶器外，对结晶器内的钢液进行搅拌。

（2）第一足辊区电磁搅拌器（I-EMS）;电磁搅拌器安装在连铸机结晶器外第一足辊区，对结晶器内和铸坯内未凝固的钢液进行搅拌。

（3）二冷区电磁搅拌器（S-EMS）：

电磁搅拌器安装在连铸机二冷区，对二冷区铸坯内未凝固的钢液进行搅拌。

（4）凝固末端电磁搅拌器（F-EMS）：

电磁搅拌器安装在连铸坯凝固末端的位置，对凝固末端铸坯内的粘稠钢液进行搅拌。

在实际工业生产中，为了达到更好的效果，可以把一种或者多种电磁搅拌器组合起来使用。

1.3.2电磁搅拌设备及技术原理

电磁搅拌装置如图1-1所示[13]，先把铸态合金放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚送入电阻炉中熔炼，使之变成液态金属液，再把坩埚取出，放入到电磁搅拌机型腔中，同时用一个不锈钢加热套套在坩埚外，将热电偶和温控仪与加热套相连，形成一个加热控温系统，当金属液向周围散热而导致温度下降时，控温系统会自动加热以保持金属液温度与预设温度相符，从而保证了金属液体的冷却速率和搅拌温度能得到精确的控制。

盖上顶盖，在设备顶端通入保护气体以防止金属液体被氧化。

18

1.阀门；2.冷却水；3.喷水孔；4.上盖板；5.保护气体导气管；6.控温仪；7.坩埚；8.导线；9.加热套；10.控温仪；11.搅拌线圈；12.外壳；13.铁芯；14.外壳；15.热电偶；16.耐火砖；17.支架；18.上端盖

图1-1电磁搅拌装置示意图

Fig.1-1.Schematicdiagramofelectromagneticstirringdevice.

当金属液温度接近液相线温度时，开启电磁搅拌器，对金属液进行电磁搅拌。

在搅拌过程中，我们要对搅拌温度，搅拌强度，冷却速率和固相分数进行严格的控制。

其中冷却速率和搅拌温度，可以通过加热控温系统来对其进行精确的控制，而搅拌强度由磁场强度决定，可以通过对电流的控制来对磁场强度进行控制，进而控制搅拌强度。

根据Scheil公式[14]可知，金属液的温度决定了固相分数的大小。

在电磁搅拌器内部根据金属液受到剪切力的作用大小不同，可以把整个搅拌区域分为三个部分，分别为边界区Ⅰ，剪切区Ⅱ和自由区Ⅲ。

如图1-2所示[15]。

由于剪切区内流体受到的剪切作用最大，所以金属液会产生较多的湍流运动，以积分尺度为界可以将电磁搅拌装置中湍流脉动划分为大尺度涡旋区、惯性过渡区及小尺度耗散区等三部分。

不同尺度和幅度的脉动由相似律联系在一起，形成了一个层次结构，使湍流分布在统计意义上成为一个完整的自组织体系。

通过对搅拌温度，搅拌强度进行适当控制，可实现在金属液内部形成尺度适宜的湍流场结构以及湍流扩散运动，从而使湍流运动形成的涡旋与固相晶粒发生交互作用，对浓度场、温度场的均匀化起到了促进作用，最后达到控制金属凝固的目的。

图1-2搅拌湍流区域分类

Fig.1-2.Classificationofmixingturbulentarea.

1.3.3电磁搅拌对材料组织与合金性能的影响

Flemings等[16-18]研究表明，当固相率达到3%~7%时，搅拌作用不再对最终显微组织产生影响或影响甚微。

此外Flemings[19]定性地提出，随着剪切速率、剪切时间的增加以及冷却速率的降低，非树枝晶组织的演变为初生枝晶——进一步长大后的枝晶——蔷薇状枝晶——熟化蔷薇状晶粒——球状晶粒，如图1-3所示。

随着电磁搅拌频率的增加，电磁搅拌对镁合金熔体的剪切强度越来越大，从而促使α-Mg相由树枝状转变为球状。

当电磁搅拌频率高于20Hz时，镁合金熔体所受的对流强度较大，改变了传统的凝固条件，镁合金熔体的温度场、溶质场分布均匀，α-Mg相被破碎的较多，形成了更多有效形核核心，根据Maxwell等[27-28]的理论，当形核质点数较少时，晶粒数随着形核质点数的增加而线性增加；同时由于强对流作用而使α-Mg相相互之间、与坩埚壁之间不断碰撞、冲刷[29-32]，都会对α-Mg相的细化与球状晶的形成具有很强的促进作用，因此，细化了α-Mg相尺寸。

同时由于α-Mg相受到强对流作用的冲刷和均布温度场、溶质场的影响，其形貌相对圆整。

当电磁搅拌频率高于20Hz时，电磁搅拌频率对α-Mg相大小的影响不明显，其晶粒尺寸在70~80μm之间；但是，对α-Mg相的形貌影响仍然很大，其形状因子由20Hz时的0.8左右到30Hz时的接近0.9。

图1-3非树枝晶的转变过程

Fig.1-3.Thechangeofbranchcrystalprocess.

研究表名电磁搅拌工艺对镁合金的室温力学性能的影响，如图1-4所示。

温降速率为2.0℃/s时制备镁合金的抗拉强度接近180MPa，提高了25%以上，同时其伸长率由2.8%提高到4.8%；而温降速率为0.15℃/s时制备镁合金的抗拉强度大概为160MPa,提高了将近15%，伸长率提高到3.6%。

根据Hal-Petch关系式可知，当晶粒尺寸减小时，晶体比表面积增加，使表面力（表面张力与周围晶粒的相互作用力）增加[20]。

此外，β相在α-Mg相边界上的连续网状分布有利于增强对晶粒的钉扎作用[21]。

因此，电磁搅拌工艺获得的镁合金力学性能有所提高。

图1-4熔体处理工艺对镁合金力学性能的影响

Fig.1-4.Meltprocessingtechnologyonmechanicalpropertiesofmagnesiumalloys

形状因子的计算公式[36]如下：

（1-1）

式中：

S为晶粒的表面面积，

P为晶粒的表面周长。

其中形状因子0

表1-2为不同Fc值所对应的晶粒形貌。

表1-2形状因子与晶粒形貌对应关系图

Table.1-2.Relationshipdiagramofshapefactorandthegrainmorphologycorresponding.

Fc

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

形貌

图1-5为齐祥超等人通过对形状因子以及金相形貌的分析，来定量分析电磁搅拌对铸态组织的细化晶粒效果。

其研究结果表明，电磁搅拌可以使AZ91D镁合金中的α-Mg相的晶粒尺寸从530μm细化到80μm，且形状因子从0.1（枝状晶）上升到了0.9（类球状晶）。

在对合金性能影响方面，把AZ91D镁合金的抗拉强度由140MPa左右提高到大概180MPa左右，伸长率由2.8%提高到4.8%。

图1-5电磁搅拌工艺对镁合金组织性能的影响

Fig.1-5.Electromagneticstirringprocessontheeffectonthepropertiesofmagnesiumalloyorganization

1.4镁合金拉伸力学性能

目前镁合金的研究热点主要集中在以下四个方面：

（1）非晶态镁合金；

（2）镁基复合材料；（3）高强耐热稀土镁合金；（4）其它一些功能材料。

镁合金的低熔点（约为650℃）限制了它的工作温度。

镁要保持相对于铝合金的优势就要通过合金化技术来提高其工作温度。

金属材料在高温下的机械性能不同于常温，因为温度对其影响很大，主要体现在以下几个方面：

（a）一般来说，金属形变抗力随温度提高而下降。

（b）构件产生蠕变和应力松弛现象。

所谓蠕变，指在高温和持续载荷下金属材料产生随时间而发展的塑性变形的现象，所谓应力松弛，则指在载荷作用下产生一定变形的构件，其应力随时间逐渐减小的现象。

（c）长时间处于高温环境下的合金其组织有可能发生变化，这包括发生冷加工组织回复和再结晶，固溶体脱溶反应，第二相聚集，长大，球化，碳化物石墨化等。

持续的应力作用能加速转变或使这些转变产物在金属内部择优分布，这样，金属力学性能会随之变化。

镁合金的耐高温性能可通过添加混合稀土或单一稀土元素来改善。

第2章实验内容及实验方案

2.1实验材料

实验过程中采用材料为纯Mg、纯Al、纯Mn和含稀土元素Ce的Mg-Ce中间合金，来制备不同Ce含量的Mg-Al-Mn-Ce合金。

所制备合金中Al的含量为5.12wt%、Mn含量为0.24wt%，Ce分别为1%和2%，杂质＜0.1wt%，Mg为余量，其化学成分含量如表2.1所示。

表2-1实验材料的化学成分（wt%）

Table.2-1.thechemicalcompositionofexperimentmaterial.（wt%）

合金元素

Al

Mn

Ce

Mg

试样一

5.12

0.24

0.01

余量

试样二

5.12

0.24

0.02

余量

2.2实验内容及方法

2.2.1镁合金的熔炼

（1）熔炼：

先接通电阻炉电源，并将其升温到650C，再把清理干净的坩埚放入炉中预热30min。

待电阻炉温度升高到700C左右时把干锅取出。

把定量的纯Mg和纯Al放入坩埚中，使合金在此温度下加热熔化，同时向坩埚中通入已准备好的保护气体（为0.2%的SF6和N2组成的混合气体）；当纯Mg和纯Al完全熔化后，加入纯Mn和Mg-Ce中间合金，为了使其溶解均匀，待其全部熔化后进行搅拌，然后保温大约半小时，撇去镁液表面的氧化物和熔渣。

（2）浇铸：

本实验设定的浇注温度为690C。

熔炼结束后，从电阻炉中取出坩埚，并将镁液连续地浇入石墨坩埚内，浇注成直径为120mm左右的合金锭。

用同样的方法制备含2%Ce的Mg-Al-Mn-Ce合金。

2.2.2镁合金的电磁搅拌

将熔炼好的Mg-Al-Mn-Ce镁合金放在坩埚中，再把坩埚放入电磁搅拌器中，并启动电磁搅拌装置对合金进行搅拌。

完成设定的搅拌时间后立即关闭电磁搅拌器，让合金冷却至室温即可得到搅拌后Mg-Al-Mn-Ce镁合金。

2.2.3电磁搅拌后镁合金拉伸试样的制备

实验所用拉伸试样是由线切割机器线切割而成的，每组成分分别切割6个试样，其形状和尺寸如图2-1所示，通过机械加工方法获得拉伸试样两端夹持部分的螺纹。

为了去除机械加工划痕，确保试样标距及过渡弧部分的光洁度，分别用400#、50#、28#、14#、5#砂纸对试样标距及过渡弧部分进行磨光，直至试样表面没有多余的划痕。

待试样磨完后，用游标卡尺测量并记录下规定实际部分的尺寸。

R20

图2-1拉伸试样形状及尺寸（mm）

Fig.2-1.Theshapeandsizeoftensilespecimen.（mm）

2.2.4电磁搅拌后镁合金的拉伸性能测试

本实验的拉伸性能测试是在CSS-55100型高低温电子万能试验机上进行的，拉伸实验中在室温下采用位移控制模式，应变速率为0.1mm/min。

做拉伸试验之前要用粗砂纸将试样进行打磨光滑，实验数据可通过自动数据采集系统MTSTEST