半固態(tài)等溫熱處理對AZ91D鎂合金組織的影響

1、半固態(tài)等溫熱處理對A Z91D鎂合金組織的影響李元東1,郝遠1,金玉花2,鄭斌1(1.甘肅工業(yè)大學材料科學與工程學院,甘肅蘭州730050;2.甘肅化工機械廠,甘肅蘭州730000摘要:研究了A Z91D鎂合金在半固態(tài)等溫熱處理過程中,等溫時間、等溫溫度對其組織形態(tài)和初生相尺寸的影響.研究發(fā)現(xiàn):在升溫過程中,晶界處的共晶組織(+中的相先發(fā)生溶解,之后,隨著溫度進一步升高,相又發(fā)生熔化分離,并在等溫處理過程中逐漸變?yōu)榍驙?當?shù)葴貢r間過長時,球狀顆粒有長大的趨勢,結果表明:在570時保溫60m in,可得到初生相尺寸在5080m 的球狀組織.關鍵詞:半固態(tài)成形;半固態(tài)等溫熱處理;鎂合金;球狀組織;

2、觸變成形中圖分類號:TB235文獻標識碼:AEffects of sem i-sol id isotherma l hea t trea t m en t on structure ofmagnesiu m a lloy AZ91DL I Yuan2dong1,HAO Yuan1,J I N Yu2hua2,ZH EN G B in1(1.Co llege of M aterials Science and Engineering,Gansu U niv.of T ech.,L anzhou730050,Ch ina;2.Gansu Chem ical M e2 ch ine P lant,L

3、 anzhou730000,Ch inaAbstract:T he effect of the ti m e du rati on and the tem peratu re m agn itude on the m icro structu re and p ri2 m ary p hase di m en si on du ring sem i2so lid iso ther m al heat2treatm en t(SS ITis investigated.It is found ex2 p eri m en tally that du ring the increasing of t

4、he tem peratu re,thep hase at grain in terface of eu tectic struc2 tu res(+is disso lved first and then,w ith fu rther increase of tem p eratu rephase m elts and separates. T he p ri m ary structu re of A Z91D alloy takes gradually the fo r m of spherical structu re.W hen the iso ther2 m al ti m e d

5、u rati on is excessive,the sp herical structu re w ill grow up.T he resu lts indicate that the di m en2 si on of the p ri m ary p hase w ith spherical structu re is5080m w hen SS IT is perfo r m ed at570fo r60 m in.Key words:sem i2so lid fo r m ing(SSF;sem i2so lid iso ther m al heat2treatm en t(SS

6、IT;m agnesium alloy; spherical structu re;th ixom o lding半固態(tài)成形13(Sem i2So lid Fo r m ing,簡稱SSF技術經(jīng)過近30年的研究和發(fā)展,以其特有的優(yōu)點在國內(nèi)外引起廣泛重視.其工藝步驟一般包括制備具有非技晶組織的錠料、二次加熱和觸變成形4,5.其中一個關鍵的問題、也是第一步,就是如何制備優(yōu)質的非枝晶組織錠料.其中應用于鎂合金的方法主要有:機械攪拌法6、電磁攪拌法2、應變誘收稿日期:2000207204作者簡介:李元東(19712,男,甘肅白銀人,甘肅工業(yè)大學講師,博士生.發(fā)熔化激合法7和壓射成形法8,9等.由于鎂合

7、金化學活性很高,極易氧化,因此這些方法有的易造成熔體污染,有的設備復雜、投資大,有的可操作性差不易控制,使其應用受到不同程度的限制.半固態(tài)等溫熱處理是90年代中期新近發(fā)現(xiàn)的一種方法10,11,主要用于Z A12,Z A27合金,它略去了半固態(tài)非枝晶錠的制備步驟,而在半固態(tài)成形前的二次加熱過程中實現(xiàn)半固態(tài)非技晶化.鎂合金是眾多實用金屬中重量最輕的金屬12,13.如果能把半固態(tài)等溫熱處理引入鎂合金的半固態(tài)成形中,將可第27卷第1期2001年3月甘肅工業(yè)大學學報Journal of Gansu U niversity of T echno logy以解決鎂合金的氧化問題.因此,本文采用半固態(tài)等溫熱處

8、理法對應用最廣泛的A Z 91D 鑄造鎂合金進行了處理,觀察了其在半固態(tài)等溫熱處理中的球狀化過程,并討論了球狀化機理.1實驗方法本實驗所用A Z 91D 鎂合金成分為:A l :813%917%,Zn :0135%110%,M n :0115%0150%,Si :011%,Cu :0103%,N i :01002%,Fe :01005%,其它0102%,余量為M g .其液相線為596,固相線為468,開始熔化溫度為421.570時,固相率為50%,半固態(tài)成形所要求的固相率一般為40%60%,對應的溫度區(qū)間為5805601416.因此熱處理溫度選為:560,570和580.等溫時間取0m in

9、 ,10m in ,30m in ,60m in 和90m in .實驗的工藝流程如圖1所示. 合金下料重熔澆注半固態(tài)等溫熱處理T :560580t :090m in 水淬組織觀察圖1半固態(tài)等溫熱處理工藝流程圖合金熔化在415k W 井式電阻爐中進行,澆注溫度800,在金屬型中澆注成<12mm ×150mm 的圓錠,金屬型預熱150200.然后取樣熱處理,分次放入已升溫至設定溫度的管式爐中,測溫熱電偶與試樣表面相接觸,以減小測溫誤差,溫差為±1.當試樣溫度從室溫升至設定溫度時,開始計時,到達時間后立即取出試樣水淬,制成金相試樣,用4%的HNO 3水溶液腐蝕,在M EF

10、 23金相顯微鏡上觀察組織變化.2實驗結果與討論211半固態(tài)等溫熱處理時間對AZ 91D 組織的影響圖2為未經(jīng)半固態(tài)等溫熱處理的組織,初生相圖2Z A 91D 鎂合金的鑄態(tài)組織100×(白亮色以枝晶形態(tài)存在,枝晶間組織為+的共晶體7.圖3為A Z 91D 鎂合金在560等溫熱處理后的顯微組織.從圖中可以看出,在等溫熱處理的過程中,初生枝晶先轉變?yōu)椴灰?guī)則的大塊狀,大小不均,并在晶粒間和內(nèi)部有少量的液相(圖3a 隨著等溫時間延長,大塊狀晶粒開始分離(圖3b ,大小及形狀趨于均勻化、圓整化(圖3c ,等溫時間進一步延長,保溫時間達60m in 時,晶粒組織較均勻地分布于液相中,為圓整的球狀

11、組織,大小也較均勻,粒徑約在50 80m 之間(圖3d .當?shù)葴貢r間達到90m in 時,晶粒形狀逐漸變的不規(guī)則,尺寸也不均勻(圖3e .(a 0m in(b 10m in(c 30m in82甘肅工業(yè)大學學報第27卷 (d 60m in(e 90m in圖3A Z 91D 鎂合金在570經(jīng)不同時間等溫熱處理后的顯微組織100×212半固態(tài)等溫熱處理溫度對AZ 91D 鎂合金組織的影響圖4為試樣在相同等溫時間、不同等溫溫度處理后的組織,與圖3b 比較可以看出,隨著等溫溫度的提高,固相率下降,縮短了初生相枝晶轉變?yōu)轭w粒狀的時間,并且當?shù)葴貢r間太長時,即使時間相同、等溫溫度高的粒狀組織也

12、較粗大(圖5.213半固態(tài)等溫熱處理對AZ 91D 鎂合金初生相形態(tài)和尺寸的影響半固態(tài)等溫熱處理對A Z 91D 鎂合金初生相形態(tài)和尺寸的影響如表1所示.214半固態(tài)等溫熱處理中組織演變的機理在本實驗條件下,A Z 91D 鎂合金鑄態(tài)組織由枝晶形態(tài)的富M g 初生相固溶體和在晶間分布的共晶體+組成.在升溫過程中(370以上,相會溶入相中17,使得二次枝晶臂合并,形成具有一次枝晶大小的塊狀組織.隨著溫度的進一步升高或等溫時間的延長而使溫度均勻化,包裹于相中的共晶體+來不及完全溶解擴散就開始熔化,熔點較高的相則仍為固態(tài).由于界面曲率的作用,使凹進部分的平衡熔點下降,即18:T R =T cr -2

13、S L T cr L R(a 560(b 580圖4A Z 91 D 鎂合金經(jīng)不同溫度等溫10m in處理后的組織100×圖5A Z 91D 鎂合金經(jīng)580等溫60m in 處理后的組織100×式中:T R為半徑為R 的曲面處的平衡熔點:T cr 為固2液界面為平界面時的熔點;S L 為固液界面處的表面能;L 為液固轉變時的摩爾焓變;為固相摩爾體積;R 為固2液面曲率半徑.從上式可以看出,曲率半徑越小,平衡熔點越低,因此促使大塊狀組織逐漸分離為小塊狀.如圖3a ,A 為即將熔斷的晶塊,B 和C 為剛熔斷的晶塊.在液固相比例平衡后,即大塊狀轉變?yōu)樾【Я：?仍繼續(xù)等溫,那么粒狀

14、晶的顆粒大于平均尺寸的顆粒將長大,而小于平均尺寸的顆粒將溶解,并且有些晶92第1期李元東:半固態(tài)等溫熱處理對A Z 91D 鎂合金組織的影響表1等溫處理溫度和時間對初生相形態(tài)和尺寸的影響等溫溫度T 等溫時間t m in010306090560形態(tài)大塊狀大塊狀+粒狀粒狀+球狀球狀粒狀+球狀顆粒尺寸 m250125-17560-8580-120125-177570形態(tài)大塊狀粒狀球狀球狀粒狀+球狀顆粒尺寸 m250858550-8085-125580形態(tài)大塊狀粒狀+球狀粒狀+球狀球狀粒狀+球狀顆粒尺寸 m175-25060-8585125125粒會出現(xiàn)異常長大的現(xiàn)象.這可由O stw ald熟化理論

15、(O stw ald R i p en ing T heo ry予以解釋1921.3結論(1半固態(tài)等溫熱處理可使A Z91D鎂合金由枝晶轉變?yōu)榍驙罹ЫM織,并且提高等溫熱處理溫度,可以縮短轉變時間.(2隨著等溫時間的延長,組織將發(fā)生如下轉變:枝晶組織大塊狀碎塊顆粒球化長大.(3半固態(tài)等溫熱處理可使A Z91D鎂合金初生相平均尺寸最小達5080m,可以為后續(xù)的半固態(tài)觸變成形所利用.參考文獻:1F lem ings M C.Behavi o r of m etal alloys in the se2m iso lid stateJ.M etallurgical T ransacti ons A,19

16、91,22(5:9572981.2N ussbaum A I.Sem i2so lid fo r m ing of alum inum andm agnesiumJ.L igh t M etal A ge,1996,19(6:6222.景J.鑄造,1999,(3:45252.4M idson S P,B rissing K.Sem i2so lid casting of alu2m inum alloys:A status repo rtJ.M odern Casting,1997,(2:41243.5謝水生,黃聲宏.半固態(tài)金屬加工技術及其應用M.北京:冶金工業(yè)出版社,1999.1212.6鐮

17、土重晴,小島陽. 合金半溶融攪拌凝固加工J. .1994,33(9:114921157.A Z91D 合金半溶融狀態(tài)組織變化J.輕金屬,1995,45(1:15220.8B ralow er P M.T h ixomo lding ready to tack le dem and2ing m agnesium app licati onsJ.D ie Casting Engi2 neer,1992,(4:42243.9F rederick P S,B rak ley N L,E rick son S C.Injecti onmo lding m agnesium alloysJ.A dvanc

18、edM aterials&P rocesses.1988,134(4:53256.Z A12合金的研究J.鑄造,1996,(4:125.11許廣濟,陸松,陳體軍,等.硼、鈦對半固態(tài)Z A27組織演變的影響J.甘肅工業(yè)大學學報,2000,26(1:19222.中的應用和發(fā)展趨勢J.特種鑄造及有色合金,1999,(5:55258.金屬加工,1999,(1:39243.14美國金屬學會.金屬手冊.第9版,第2卷M.北京:機械工業(yè)出版社,1994.6892790.15鐮土重晴,由淺明,人見高久,等,半溶融A Z91D合金組織粘性攪拌條件影響J.輕金屬,1992,42(12:7342740.16由淺明,松井伸司,鐮土重晴,等,加壓成形A Z91D 合金組織,流動性機械的性質J.輕金屬,1994,44(1:9215.17陸文華,李隆盛,黃良余.鑄造合金及其熔煉M.北京:機械工業(yè)出版社,1997.3782387.18Kukushk in S A.T heo ry of the O stw ald ri pening ofnew2phase nuclei in single2component m eltsJ.A c2ta m etallurgicalM aterial,1994,42(2:715