简介概要

搅拌工艺参数对半固态AZ91镁合金晶粒密度的影响

来源期刊：稀有金属2007年第5期

论文作者：江运喜程磊谢水生黄国杰

关键词：AZ91合金; 半固态; 流变特性; 工艺参数;

摘要：在等温稳态条件下,对半固态AZ91合金浆料的晶粒密度进行了研究:在相同的剪切速率下搅拌,温度越低,固态镁合金晶粒密度越大;在相同温度条件下搅拌,随着剪切速率的增加,晶粒密度逐渐增加,当增加到一定值时,晶粒密度达到最大值,随后随着剪切速率的增加,晶粒密度减小,即随着剪切速率的变化,存在一个最佳剪切速率,使得晶粒密度最大.分析了搅拌时间对晶粒密度的影响,说明半固态浆料的搅拌时间不宜过长.同时还进行了在金属型中成形与水淬的半固态镁合金试样晶粒密度的比较,并得到了相似的规律.该结果为半固态AZ91合金压铸过程的数值模拟及进一步的试验研究提供了有用的数据.

稀有金属 2007,(05),606-609 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.05.011

搅拌工艺参数对半固态AZ91镁合金晶粒密度的影响

谢水生程磊江运喜

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

在等温稳态条件下, 对半固态AZ91合金浆料的晶粒密度进行了研究:在相同的剪切速率下搅拌, 温度越低, 固态镁合金晶粒密度越大;在相同温度条件下搅拌, 随着剪切速率的增加, 晶粒密度逐渐增加, 当增加到一定值时, 晶粒密度达到最大值, 随后随着剪切速率的增加, 晶粒密度减小, 即随着剪切速率的变化, 存在一个最佳剪切速率, 使得晶粒密度最大。分析了搅拌时间对晶粒密度的影响, 说明半固态浆料的搅拌时间不宜过长。同时还进行了在金属型中成形与水淬的半固态镁合金试样晶粒密度的比较, 并得到了相似的规律。该结果为半固态AZ91合金压铸过程的数值模拟及进一步的试验研究提供了有用的数据。

关键词：

AZ91合金;半固态;流变特性;工艺参数;

中图分类号： TG27

收稿日期：2006-10-15

基金：国家自然科学基金资助项目 (50674017, 50374014);

Influence of Stirring Processing Parameter on Grain Density of Semi-Solid AZ91 Magnesium Alloy

Abstract：

The grain density of semi-solid AZ91 magnesium alloy in the condition of isothermal and steady state was studied.For the same shear rate, grain density of magnesium was higher with lower stirring temperature.Under the same stirring temperature, grain density increased gradually with the increasing of shear rate.Grain density arrived at the max with the increasing of rate of shear and then reduced.With the change of rate of shear, an optimal value for shear rate was appeared in that time grain density arrived at the max.Then the relationship of grain density and stirring was studied.It showed that the stirring time for semi-solid slurry should not too long.It get the same rules from the experiment of shaping in the metal mould and water quenching one.The results provided useful data to the numerical simulation and next experiment of semi-solid AZ91 alloy.

Keyword：

AZ91 alloy;semi-solid;rheologic character;processing parameter;

Received： 2006-10-15

半固态金属加工, 就是金属在凝固过程中, 进行剧烈搅拌或通过控制凝固条件, 破碎生长的树枝晶或抑制树枝晶的生成, 获得具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。半固态合金与液态合金的最大差别在于其具有较明显的流变特性, 而流变特性由合金的晶粒密度和晶粒尺寸控制, 因此研究半固态合金的晶粒密度有助于深入研究半固态合金流变特性的实质 ^[1,2,3] 。

研究选用半固态AZ91镁合金作为研究对象, 采取机械搅拌方式制备半固态金属浆料, 并分析研究了搅拌工艺参数包括搅拌温度、搅拌速度、搅拌时间和冷却速度对半固态合金晶粒密度的影响。并以此为基础, 深化对半固态合金流变特性的认识, 为以后研究搅拌工艺参数对流变特性的影响和对半固态合金流变成形的数值模拟奠定一定的理论基础。

1 实验

实验合金为AZ91 (Mg-8.7Al-0.83Zn-0.07Fe) 镁合金, 在热力学平衡条件下, 它的液相线温度为600～615 ℃, 固相线温度为490～510 ℃, 随着铝含量不同而变化。

实验采用S02-3-10型号加热炉加热, 搅拌工具为外直径30 mm, 基圆直径10 mm的螺杆。采用ST-A120电子调速器来调节电机转速。使用KHM-03ZA型霍尔传感器来检测电机转速。

制备工艺为: 将小块AZ91合金放入坩埚, 并将坩埚放入加热炉中, 开始加热, 通过数显调节仪控制加热炉内温度, 加热到650 ℃左右, 进行扒渣, 由于加热过程中镁的烧损, 因此还要加入一定量的Mg进行补充, 从而得到实验所需的AZ91合金, 然后降低温度到指定温度后保温。预热搅拌螺杆到300 ℃左右, 同时把连接着电机的螺杆插入到坩埚中, 通过霍尔传感器检测螺杆转速, 采用电子调速器来调节电机转速从而控制螺杆转速, 得到设定的剪切速率。整个过程采用氩气保护, 氩气流量为2.5～5 L·min^-1。搅拌完毕后, 迅速取出螺杆。

2 搅拌工艺参数对AZ91半固态镁合金晶粒密度的影响

2.1 搅拌温度对AZ91半固态镁合金晶粒密度的影响

搅拌温度对半固态AZ91镁合金的晶粒密度有一定的影响 ^[4] 。图1是淬水冷却的AZ91合金晶粒

图1 AZ91合金的晶粒密度与搅拌温度、剪切速率的关系 (淬水冷却)

Fig.1 Grain density of AZ91 quenched in water at different stirring temperatures and shear rates

密度与搅拌温度、剪切速率的关系, 图2, 3分别为在不同温度下剪切速率为220, 330 s^-1时的AZ91合金的微观组织。

从图1～3可以看出, 在较高的温度搅拌即590 ℃时, 由于镁合金固相体积分数很低, 枝晶不发达, 所以碎晶相对少, 因此在不同剪切速率下, 其晶粒密度都小于在低温下搅拌的晶粒密度; 而在较低的温度搅拌即550和570 ℃时, 由于镁合金固相体积分数很高, 强力搅拌时, 打碎的枝晶多, 产生的碎晶也多, 所以半固态镁合金晶粒密度大。但是比较550和570 ℃时的半固态镁合金晶粒密度发现, 并不一定是所有的550 ℃时的晶粒密度都大于570 ℃时的晶粒密度。因此在低温段即固相体积分数较高的情况下, 搅拌温度对晶粒密度的影响并不是起到决定性的作用 ^[4,5] 。

2.2 剪切速率对AZ91半固态镁合金晶粒密度的影响

从图1可以看出, 在不同温度下搅拌, 剪切速率对AZ91镁合金晶粒密度的影响都有相似的规律, 随着剪切速率的增加, 晶粒密度逐渐增加, 当剪切速率增加到某一极大值后, 随后随着剪切速率的增加, 晶粒密度逐渐减小, 即随着剪切速率的变化, 存在一个最佳剪切速率, 使得晶粒密度最大。在本实验中, 对于淬水冷却的AZ91合金, 550和590 ℃时的最大剪切速率约为220 s^-1, 570 ℃时的最大剪切速率约为275 s^-1左右。

图2 在不同温度下剪切速率为220 s-1的AZ91合金组织 (淬水冷却)

Fig.2 Microstructure of AZ91 alloy quenched in water at shear rate 220 s^-1 with different temperatures (a) 550 ℃; (b) 570 ℃; (c) 590 ℃

图3 在不同温度下剪切速率为330 s-1的AZ91合金组织 (淬水冷却)

Fig.3 Microstructure of AZ91 alloy quenched in water at shear rate 330 s^-1 with different temperatures (a) 550 ℃; (b) 570 ℃; (c) 590 ℃

没有发生搅拌时, 镁合金在上述温度下存在大量的树枝状晶, 晶粒密度小。开始搅拌后, 由于剧烈的剪切作用, 大晶粒被打断, 晶粒密度增加; 同时部分溶质分布不均匀化, 使得树枝晶的枝晶熔断, 从而产生许多小的晶粒, 这些晶粒相对于树枝晶来说更加圆整, 这时候晶粒密度明显增大。进一步提高剪切速率, 由于更加剧烈的剪切, 会在熔液内部产生热能, 提高局部熔液温度, 同时剧烈的剪切使得晶粒变得更加细小, 因此部分小的晶粒会被熔掉, 从而降低了晶粒密度, 这一点在大部分非牛顿流体中都会出现剪切变稀现象 ^[6,7] 。因而可以看出过分增加剪切速率对形成半固态浆料没有好处, 因此对于AZ91合金推荐最佳剪切速率为220～275 s^-1。

2.3 搅拌时间对半固态AZ91镁合金的影响

由于搅拌时间与生产效率有密切关系, 所以研究搅拌时间对半固态镁合金晶粒密度的影响有一定的意义。在搅拌温度为570 ℃、剪切速率为275 s^-1条件下, 搅拌取不同时间, 实验结果如图4所示。在搅拌时间分别为3, 6, 9 min时, 试样的晶粒密度几乎相同, 而搅拌时间为12 min时的试样晶粒密度反而大幅度下降。主要是因为当时间过长的时候, 长时间剧烈的剪切作用将会增加浆料的过热度。因此, 在半固态AZ91合金浆料的制备过程中, 当采用搅拌温度为570 ℃时, 搅拌时间

图4 搅拌温度570 ℃、剪切速率275 s-1时搅拌时间对AZ91合金晶粒密度的影响

Fig.4 Influence of stirring time on AZ91 grain density at stirring temperature 570 ℃ and shear rate 275 s^-1

的选取不应大于9 min。因此半固态浆料的搅拌时间不宜过长, 时间太长, 反而使一部分碎晶熔化, 减少晶粒个数。

2.4 冷却速率对半固态镁合金试样晶粒密度的影响

图5是在金属型中冷却的半固态镁合金试样晶粒密度在不同搅拌温度下与剪切速率的关系曲线。从该图中可以看出, 在金属型成形时, 剪切速率和搅拌温度对晶粒密度的影响规律与水淬试样的规律是相似的, 也是在剪切速率为220～275 s^-1之间时得到的晶粒密度最大, 只是由于搅拌温度的不同而略有区别。

图6是在金属型中冷却条件下剪切速率为220 s^-1时得到的半固态镁合金试样的金相组织。其晶粒尺寸在60～80 μm之间, 而水淬试样的晶粒尺寸在30～50 μm之间, 与水淬半固态试样相比, 半固态成形的铸件具有较粗的晶粒。这表明在搅拌完成后的成形过程中, 冷却速率对半固态金属晶粒密度和晶粒尺寸有很大影响, 冷却速率较低时, 半固态金属晶粒还有长大和合并的趋势。所以在半固态成形过程中, 为了得到更细的晶粒组织, 应该尽量提高成形速度。