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镁合金低频电磁半连续铸造工艺

镁合金由于密度小,比强度、比刚度高,导热性能好和阻尼减震性能优良等特点而广泛的应用于航天器、飞机、汽车以及电子产品等。随着镁合金用量的不断增加,人们对镁合金材料的性能提出了更高的要求。铸锭质量是制约高性能镁合金发展的瓶颈。 
  高效、经济的高性能镁合金镁锭开发制备技术是国家“863”高科技发展计划项目“镁合金锻造轮毂产业化技术研究”的一部分,目的是为汽车用镁合金锻压轮毂提供高质量的镁合金锭坯。
  专家采用数值模拟的方法,比较了金属镁和金属铝在常规DC铸造和低频电磁半连续铸造过程中结晶器内熔体的电磁场、流场和温度场的分布规律,结果表明:当施加电磁场强度相同时,镁熔体内感应磁场强度的最大值小于铝熔体,镁熔体内部感应电磁场的衰减速度小于铝熔体。随着外加电磁场频率的降低,金属镁和金属铝熔体芯部的磁感应强度增大。相同频率和磁场强度时,镁熔体芯部的磁感应强度高于铝熔体。
  常规铸造时,金属镁铸锭的液穴深度高于金属铝铸锭,施加相同强度的低频电磁场后,镁熔体内的强制对流速度高于铝熔体,镁铸锭液穴深度小于铝铸锭。Ф300mm AZ31B镁合金铸锭的半连续铸造过程模拟研究表明,常规铸造时,铸锭的液穴深度是195mm,施加频率为15Hz强度为10000At的交流磁场后,铸锭的液穴深度减小至124mm。低频电磁场频率的改变对铸锭液穴深度的变化有明显的影响,计算表明,电磁场强度为10000At,磁场频率在15-30Hz时,AZ31铸锭的液穴较浅。
  在数值模拟的基础上,专家开发了Ф100mm、Ф200mm和Ф300mm镁合金铸锭的低频电磁半连续铸造(LFEC)新工艺,结果表明,施加低频电磁场有效地细化了铸锭的显微组织,提高了锭坯的表面质量,减小了合金化元素的宏观偏析,抑制了铸锭的热裂纹。 Ф100mm AZ91镁合金铸锭的低频电磁铸造实验研究表明,当电磁场强度为3000At,频率在0~70Hz范围内变化时,频率为30Hz时铸锭的综合性能最优。铸造过程中施加低频电磁场降低了AZ91镁合金铸锭发生热裂纹的倾向,但没有改变铸锭内结晶相的类型。施加频率为30Hz、强度为4800At的交变电磁场后,对于Ф200mm MA2-1镁合金铸锭,其中心和边部的晶粒尺寸分别由常规铸造时的210μm和160μm细化至155μm和110μm。对于Φ200mm Mg-Zn-Zr镁合金铸锭,其中心和边部的晶粒尺寸分别由常规铸造时的180μm和100μm细化至90μm60μm。合金元素测定表明,施加频率为30Hz,强度为8000At的电磁场后,Al元素在MA2-1镁合金铸锭边部的偏析率由常规铸造时的3.52%降为2.69%,在铸锭芯部偏析率由-3.11%增加到-1.04%。Zn元素的分布规律和Al元素一致。而对于Mg-Zn-Zr镁合金铸锭,施加强度为4800At频率为30Hz的电磁场后,Zn元素在铸锭边部和中心的偏析率分别由常规铸造时的4.64%和-3.44%减小至3.29%和-1.83%。
  施加低频电磁场后,铸锭内部组织细化。磁场强度保持在9000At,电磁场频率在0~30Hz范围内变化时,频率为22Hz时铸锭显微组织最细小,且此条件下铸锭试样的热压缩流变应力峰值减小至52MPa。在低频电磁场的作用下,Al元素的偏析得到了改善,电磁场强度保持9000At,磁场频率在15-30Hz时,在铸锭边部,Al元素的偏析率由常规铸造时的7.58%降为4.05~4.61%,在铸锭中心,其偏析率由常规铸造时的-5.25%增加至-2.18~1.81%。Zn元素和Al元素呈现相似的规律。Mn元素的规律和Al相反,常规铸造时,Mn元素在铸锭边部和中心的偏析率分别为4.11%和-3.84%,施加低频电磁场后,铸锭中心Mn元素含量增大,边部Mn含量减小。磁场强度不变,频率为30Hz时,Mn元素在铸锭边部和中心的偏析率分别变为-3.18%和7.89%。Fe元素的分布规律和Mn元素相似。低频电磁铸造的理论研究表明:
Lorentz力的时间积分表现为对熔体的压缩作用。在交变磁场作用下,熔体内的固相颗粒在形成、生长的过程中受到排斥力的作用。在电磁场的集肤深度内,大量晶核在交变电磁场的作用下有弥散分布的趋势。
  含Al、Mn、Fe三元素的化合物粒子由于受到电磁力的作用而向铸锭中心偏聚。 在低频电磁半连续铸造的基础上,专家开发了Φ200mm MA2-1、Φ200mm Mg-Zn-Zr镁合金和Φ300mm.AZ80镁合金的电磁振荡铸造(LFEVC)新工艺。结果表明,电磁振荡铸造的镁合金铸锭表面粗糙,缺乏金属光泽。和常规铸造相比,电磁振荡铸造有效的细化了铸锭的显微组织,改善了铸锭内元素的宏观偏析,提高了铸锭的机械性能。对于MA2-1和Mg-Zn-Zr镁合金铸锭,当振荡磁场强度为8000At,振荡频率在10~30Hz范围内变化时,随着振荡频率的增加,铸锭显微组织逐渐细化,元素偏析逐渐减小。
  随着振荡磁场强度的增加,铸锭晶粒尺寸逐渐减小,Al、Zn、Mn、Fe元素宏观偏析逐渐降低。当电磁振荡系统的交流磁场强度为10000At,直流磁场强度从10000At增大到20000At时,铸锭内α-Mg晶粒中心Al、Zn两元素的含量分别从3.198%和0.242%增加至3.543%和0.287%。电磁振荡铸造的AZ80铸锭整体硬度较高,极限抗拉强度和断裂延伸率较常规铸造时提高了5~8%。 理论研究表明,电磁振荡力表现为对凝固熔体径向不断的拉伸和压缩作用。电磁振荡铸锭内部显微组织的细化机理归因为铸造过程中熔体内部形核率的增加和枝晶生长条件的抑制,铸锭内元素宏观偏析的改善机理归因为熔体内部宏观液相流动的抑制以及凝固后期糊状区内枝晶搭接开始时间的延迟。
2015-03-05 00:57

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