于寶義， 霍春影， 鄭 黎， 孔躍潼， 李潤霞

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

自20世紀90年代以來，能源問題和環(huán)保問題極大地促進了合金的發(fā)展，世界各地對鎂合金的需求呈現(xiàn)出連續(xù)增長的趨勢，且鎂合金主要應用于航空、軍事、交通運輸、家電等生活領域[1-3].由于鎂合金晶體為hcp結(jié)構(gòu)且滑移系較少，因而其力學性能較差，這極大地限制了鎂合金的應用推廣[4].晶粒細化是改善合金性能的一個重要方法，因此，使用電磁攪拌技術來改善鎂合金的綜合性能已經(jīng)成為近年來的研究熱點.

電磁攪拌技術提高鑄件的力學性能主要是通過細化晶粒、均勻組織來實現(xiàn)的[5].包衛(wèi)平等[6]研究了低頻電磁攪拌對鎂合金凝固組織的影響，結(jié)果表明，施加低頻磁場可以使鎂合金晶粒得到細化.王劉波等[7]研究了旋轉(zhuǎn)磁場對稀土鎂合金組織性能的影響后發(fā)現(xiàn)，隨著磁場電流的升高，晶粒得到細化，第二相形貌和分布得以改善，合金的硬度得到提高.黃曼青等[8]研究了磁場強度對鎂合金凝固組織和性能的影響，結(jié)果表明，隨著磁場強度的增加，合金的初生相和第二相均先細化后粗化，且轉(zhuǎn)折點處磁場強度為0.28 T，同時合金的抗拉強度下降但伸長率明顯提高.徐志佳[9]研究了電磁攪拌對AZ91鎂合金組織性能的影響后發(fā)現(xiàn)，隨著磁場激勵電壓的升高，基體相α-Mg球化顯著.不同條件下的電磁攪拌技術對鎂合金均具有細化晶粒、均勻組織、改善力學性能的作用，但不同攪拌參數(shù)下鎂合金的組織和性能存在較大差異.

雖然已經(jīng)證實在金屬凝固過程中施加電磁力可以起到細化晶粒并提高力學性能的作用，但較為深入的系統(tǒng)性、規(guī)律性的結(jié)論不多，且研究者的觀點也存在很大分歧.本文選用自行設計的澆注模具澆注鎂合金管坯，并在AZ31鎂合金整個凝固過程施加旋轉(zhuǎn)磁場，通過控制磁場來深入研究磁場電流對AZ31鎂合金顯微組織和力學性能的影響，以便最終提高鎂合金的綜合性能并得出規(guī)律性結(jié)論，以期為鎂合金的生產(chǎn)和應用提供理論與試驗依據(jù)，從而進一步提高AZ31鎂合金的利用價值.

1 材料與方法

實驗材料選用AZ31鎂合金，其化學成分如表1所示.

表1 AZ31鎂合金的化學成分(w)Tab.1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy (w) %

分別在自然凝固以及磁場頻率為6 Hz而磁場電流為90、120和150 A的條件下澆注鎂合金管坯.澆注模具型腔為管坯狀，且由外部石墨套筒、中間部位樹脂砂芯和底部樹脂砂底座三部分組成，其內(nèi)直徑為60 mm，外直徑為110 mm，高度為200 mm.鎂合金在熔煉時易氧化且由于直接與空氣接觸而易燃燒，因而熔煉時可以通入N2和SF6混合氣體來防止鎂合金發(fā)生燒損與氧化，其中SF6的質(zhì)量濃度為0.1%～0.4%，N2的質(zhì)量濃度為SF6的100倍.

本文選用旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌器，其基本結(jié)構(gòu)組成為電源系統(tǒng)(電流頻率可變化范圍為2～30 Hz，電流可輸入最大值為150 A)、電磁攪拌器主體與控制器.AZ31鎂合金熔煉設備選用KWG-15-19型坩堝熔煉爐，模具預熱設備選用RX-8-6型箱式電阻爐.

將AZ31鎂合金原料放入涂有氧化鋅的鐵制坩堝中，隨后將坩堝放入熔煉爐中，當爐溫升到450 ℃時，通入保護性氣體，然后蓋好爐蓋，注意爐內(nèi)環(huán)境的密封性.然后持續(xù)升溫，當溫度達到720 ℃時，停止升溫并保溫一段時間.當鎂合金將要完全熔化時，將模具放入低溫保溫爐中，當溫度升至300 ℃時，停止加熱并準備澆注，澆注溫度控制為650 ℃.在凝固過程中利用熱電偶測試合金熔液的溫度變化.

采用電火花數(shù)控線切割機對4組AZ31鎂合金鑄件的相同部位分別進行取樣并制備金相試樣與拉伸試樣.金相試樣尺寸為20 mm×10 mm×10 mm，工字型拉伸試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm.將金相試樣預磨、拋光后，利用配比為0.5 g苦味酸+1 mL冰乙酸+1 mL蒸餾水+7 mL酒精的腐蝕液進行腐蝕，金相試樣腐蝕時間為10 s.由于需要對鎂合金試樣進行深度腐蝕才能在掃描電子顯微鏡下觀察到鎂合金的組織形貌，因此，掃描試樣腐蝕時間為25 s.完成腐蝕后利用酒精清洗試樣表面，再用風筒吹干后即可觀察試樣的顯微組織.采用WGW-100H型微機控制電子萬能材料試驗機在室溫下進行拉伸試驗，拉伸速度為0.5 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 磁場電流對顯微組織的影響

圖1為不同磁場電流下AZ31鎂合金的顯微組織.由圖1a可見，當未施加磁場時，鎂合金的晶粒尺寸約為200～300 μm，晶粒尺寸較大且大小不均勻.施加一定頻率的電磁攪拌后，鎂合金的晶粒發(fā)生細化，晶粒尺寸比較均勻.由圖1b可見，當磁場電流為90 A時，鎂合金的晶粒得到一定程度的細化，但并非特別明顯，與未施加磁場的組織相比，鎂合金的晶粒尺寸較為均勻，且少數(shù)晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了孿晶.由圖1c可見，當磁場電流為120 A時，晶粒細化效果加強，且晶粒尺寸更為均勻，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生孿晶的晶粒數(shù)目增加.由圖1d可見，當磁場電流為150 A時，鎂合金的晶粒尺寸相比未施加磁場的組織得到了明顯的均勻化及細化，此時晶粒尺寸約為100 μm，且晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了較多的孿晶.

圖1 不同磁場電流下AZ31鎂合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of AZ31 magnesium alloy at different magnetic field current

綜上所述，電磁攪拌作用下鎂合金晶?？梢缘玫矫黠@細化，這是因為當金屬液受到電磁力作用時有利于晶粒細化.電磁場理論的核心內(nèi)容為Maxwell方程，其微分表達式為

×E=-?B/?t

(1)

×H=J

(2)

·B=0

(3)

·D=ρ

(4)

式中：E為電場強度；t為時間；B為磁感應強度；H為磁場強度；D為電位移矢量；為哈密爾頓算子；ρ為靜電荷密度；J為電流密度.

電磁力表達式為

f=J×B

(5)

磁感應強度定義式為

B=φ/S

(6)

φ=IW/R

(7)

式中：φ為磁通量；S為線圈橫截面積；I為輸入電流；W為線圈匝數(shù)；R為磁阻.

由式(5)可知，f與B成正比關系.由式(6)、(7)可知，B與I也成正比關系.因此，可以推斷出電磁力與輸入電流也成正比關系.

采用Ansoft軟件模擬磁場作用下鎂合金熔液所受電磁力.在攪拌頻率為6 Hz，磁場電流分別為90、120和150 A條件下進行計算并得到電磁力與磁場電流的關系，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，隨著磁場電流的增大，在鎂合金熔液內(nèi)部產(chǎn)生的電磁力逐漸增大，這與上述理論分析得到的結(jié)論一致.結(jié)合AZ31鎂合金顯微組織分析結(jié)果可知，磁場電流越大，產(chǎn)生的電磁力越大，晶粒細化效果越好.

圖2 磁場電流對電磁力的影響Fig.2 Effect of magnetic field current on electromagnetic force

圖3為不同凝固條件下通過選取相同部位的測溫點測得的AZ31鎂合金凝固過程的溫度變化曲線.由圖3可見，4條曲線都存在兩個明顯的轉(zhuǎn)折點，每條曲線上下兩個點分別對應液固轉(zhuǎn)變溫度和共晶反應溫度[10].由圖3可知，磁場電流越大，冷卻速度越快，共晶反應溫度越低，因而過冷度越大.過冷度是促進形核的必要因素，因而過冷度的大小影響著合金的組織形貌.

圖3 AZ31鎂合金凝固過程中溫度隨磁場電流的變化

Fig.3VariationoftemperaturewithmagneticfieldcurrentinsolidificationprocessofAZ31magnesiumalloy

N=KN1N2

(8)

(9)

式中：K為比例常數(shù)；Q為原子越過固液界面的擴散激活能；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學溫度；σ為比表面能；Tm為熔點；Lm為熔化熱；ΔT為過冷度.

在一定范圍內(nèi)形核率先隨著過冷度的增加而增大，而當達到極大值后形核率又隨過冷度的增加而減小.這是因為當溫度較高而過冷度較小時，原子具有足夠的能量進行擴散，此時形核率主要受形核功因子的影響.由式(9)可知，ΔG*與(ΔT)2成反比，ΔT越大所需ΔG*越小，越容易形成晶核，因而形核率越大.當過冷度很大且超過極大值時，影響因素將發(fā)生改變，此時隨著過冷度的增大，形核率主要受原子擴散幾率因子的影響，這是由于原子在較低溫度下難以擴散，因此，盡管隨著過冷度的增加，形核功進一步減小，但原子擴散越來越困難，因而形核率反而降低.觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，未施加電磁攪拌的溫度曲線冷卻速度很大，此時過冷度相對較大，原子擴散困難，形核率降低，因此，鎂合金組織較為粗大.而施加電磁攪拌后，過冷度減小，合金具有足夠的能量進行原子擴散，形核率主要受形核功因子的影響，且隨著磁場電流的增大，共晶反應溫度降低，過冷度增大，形核率得到提高，因此，隨著磁場電流的增加，合金組織更加細化.

綜上所述，AZ31鎂合金晶粒細化的主要原因是熔體受到電磁力的作用而作旋轉(zhuǎn)運動.一方面，電磁攪拌有助于凝固過程中溫度場的分布趨向均勻化，使得形核在整個熔體區(qū)域內(nèi)同時發(fā)生從而增加形核率；另一方面，輸入電流越大，產(chǎn)生的電磁力越大，攪拌越劇烈，冷卻速度越快，過冷度隨之增加，因而形核率也隨之增加.此外，由于生長的枝晶受到電磁剪切力的作用而發(fā)生脫落，枝晶碎塊漂浮在熔液中會發(fā)生互相碰撞與摩擦，同樣可以增加鎂合金熔液內(nèi)晶核的數(shù)量，從而增加形核率.

鎂合金凝固時將在較高溫度下開始結(jié)晶，在凝固過程中所生成的固相晶粒的取向?qū)\生的產(chǎn)生具有積極影響.同時，當鎂合金凝固溫度較高時，在電磁剪切力的作用下容易開動孿生并發(fā)生塑性變形.與此同時，電磁力隨著磁場電流的增大而增大，而隨著電磁力的增大，鎂合金凝固組織產(chǎn)生的塑性變形程度也隨之增大，因此，在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的孿晶數(shù)量也隨之增多.晶粒中的孿晶界隨著孿晶的產(chǎn)生而逐漸增多，同時由于孿晶界兩側(cè)的晶粒取向不同，從而使得合金內(nèi)部的晶粒得到進一步細化，進而提高了合金強度.

圖4為不同磁場電流下AZ31鎂合金的SEM圖像.根據(jù)Mg-Al二元相圖可知，隨著鎂合金熔液溫度的降低，將會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L→α-Mg+β-Mg17Al12，生成基體相α-Mg和第二相β-Mg17Al12.由圖4a可見，當未施加磁場時，鎂合金中的灰色組織為基體相α-Mg，亮白色組織為第二相β-Mg17Al12，而β-Mg17Al12相主要分布在晶界處，且形狀不規(guī)則，大小不統(tǒng)一，多數(shù)呈大顆粒狀.由圖4b～d可見，當施加電磁攪拌后，隨著磁場電流的增加，β-Mg17Al12相逐漸溶解到α-Mg基體中，形貌變得更為細小.當磁場電流為150 A時，β-Mg17Al12相呈小顆粒狀均勻分布于晶粒中.

相對于基體而言，β-Mg17Al12相屬于硬脆相，形變過程中可以阻礙位錯運動，使得β-Mg17Al12相周圍出現(xiàn)較大的應力集中進而產(chǎn)生裂紋，因此，自然凝固條件下AZ31鎂合金鑄件的力學性能較差.當施加電磁攪拌后，β-Mg17Al12相形貌發(fā)生改變且尺寸減小，這不僅有利于位錯運動的進行，從而提高材料的變形能力，而且能夠顯著提高鑄件的伸長率.同時，由于β-Mg17Al12相在晶粒內(nèi)部呈彌散分布，在變形過程中可以起到釘扎作用，使得晶粒變形更為均勻，從而顯著提高鑄件的抗拉強度.此外，隨著β-Mg17Al12相的逐漸細化與減少，溶入基體中的Al元素含量提高，可以起到固溶強化作用，且隨著磁場電流的增加，固溶度隨之增加，鑄件的力學性能也隨之提高.

圖4 不同磁場電流下AZ31鎂合金的SEM圖像Fig.4 SEM images of AZ31 magnesium alloy at different magnetic field current

2.2 磁場電流對力學性能的影響

不同磁場電流下AZ31鎂合金的力學性能如圖5所示.由圖5可見，施加電磁攪拌后鑄件的力學性能均優(yōu)于未施加電磁攪拌的鑄件，且隨著磁場電流的增加，AZ31鎂合金鑄件的抗拉強度、屈服強度和伸長率逐漸增加.在未施加磁場條件下澆注時，AZ31鎂合金的力學性能較低，抗拉強度為157 MPa，屈服強度為74 MPa，伸長率僅為9.4%.保持攪拌頻率6 Hz不變，當磁場電流為90 A時，鑄件的抗拉強度為173 MPa，屈服強度為80 MPa，斷后伸長率為11.5%，相比于未施加磁場時的情況，鎂合金的力學性能得到了提高，但是提高幅度較小.當磁場電流為150 A時，抗拉強度達到194 MPa，屈服強度達到98 MPa，而伸長率達到了14.8%，鎂合金的力學性能得到了極大改善，與未施加磁場條件下的情況相比，鎂合金的抗拉強度提高了23.6%，屈服強度提高了32.4%，伸長率提高了57.4%.分析結(jié)果表明，保持攪拌頻率6 Hz不變，當磁場電流為150 A時，鎂合金的力學性能達到最佳狀態(tài).

圖5 不同磁場電流下AZ31鎂合金的力學性能Fig.5 Mechanical properties of AZ31 magnesium alloy at different magnetic field current

根據(jù)鎂合金的組織分析結(jié)果可知，金屬液可在電磁力的作用下進行旋轉(zhuǎn)運動，使得鎂合金組織得到均勻化與細化，而晶粒大小對合金性能具有很大影響，晶粒越小合金強度越高，且隨著磁場電流的增大，晶粒內(nèi)部的孿晶數(shù)量增多，孿晶界可與原有晶粒進行晶界交割形成更多細小的晶粒，使得鎂合金得到進一步細化，從而提高了鎂合金的力學性能.同時，隨著磁場電流的增加，第二相β-Mg17Al12逐漸細化，溶入基體中的Al元素可以起到固溶強化作用，從而在宏觀上使得材料的強度得到提高.另外，本文采用自制模具，型腔為管坯狀，攪拌效果良好，因而能夠有利減少偏析，使得鎂合金鑄件的內(nèi)外組織較為均勻，因此，顯著提高了鑄件的力學性能.

3 結(jié) 論

通過以上試驗分析可以得到如下結(jié)論：

1) 隨著磁場電流的增大，鎂合金熔液內(nèi)部產(chǎn)生的電磁力逐漸增大，且磁場電流越大，金屬熔體在模具中運動得越劇烈，晶粒細化效果越好.

2) 當磁場電流為150 A時，鎂合金的晶粒尺寸相比自然凝固組織得到了明顯的均勻化及細化，此時晶粒尺寸約為100 μm，且晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了較多的孿晶.隨著磁場電流的增加，β-Mg17Al12相逐漸溶解到α-Mg基體中，鎂合金的組織形貌變得更為細小.當磁場電流為150 A時，β-Mg17Al12相呈小顆粒狀均勻分布于晶粒中.

3) 晶粒細化、第二相Mg17Al12形貌的改變、孿晶的產(chǎn)生與溶質(zhì)元素固溶度的提高均可改善AZ31鎂合金的力學性能.

4) 隨著磁場電流的增加，AZ31鎂合金的力學性能隨之提高.當磁場電流為150 A時，抗拉強度達到194 MPa，與自然凝固狀態(tài)相比提高了23.6%，屈服強度為98 MPa，與自然凝固狀態(tài)相比提高了32.4%；伸長率為14.8%，與自然凝固狀態(tài)相比提高了57.4%.