三維磁場(chǎng)對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響

莫漓江，李秋書(shū)，劉敏娟，趙彥民（太原科技大學(xué)，太原 030024）

三維磁場(chǎng)對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響

莫漓江，李秋書(shū)，劉敏娟，趙彥民（太原科技大學(xué)，太原 030024）

自制了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)交替作用的三維磁場(chǎng)裝置，采用正交試驗(yàn)方法研究勵(lì)磁電壓、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響。結(jié)果表明：增大勵(lì)磁電壓和縮短旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用時(shí)間均有利于減小晶粒平均直徑和增大形狀因子，行波磁場(chǎng)作用時(shí)間的變化對(duì)晶粒平均直徑和形狀因子的影響都不是很大。

鎂合金；三維磁場(chǎng)；顯微組織

鎂合金在諸多性能方面具有一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在航空航天、汽車(chē)制造、電子信息等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)鎂合金作用的研究開(kāi)展逐漸增多，其作用效果較為顯著，在材料的凝固過(guò)程控制方面做了大量的基礎(chǔ)研究工作[2]，也顯示了材料電磁加工技術(shù)在提高和改善材料性能的同時(shí)對(duì)材料本身和自然環(huán)境的正面影響[3]。而行波磁場(chǎng)是現(xiàn)代電磁冶金技術(shù)的重要發(fā)展之一，近年來(lái)在鎂合金上也偶爾有人研究。研究表明它在改善鑄坯的表面及皮下質(zhì)量，改善鑄坯凝固組織，提高等軸晶率，減輕中心偏析及中心疏松等內(nèi)部缺陷方面都有顯著的作用[4]。盡管人們對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)攪拌對(duì)鎂合金的影響都有不同程度的研究，但是很少有人研究?jī)煞N不同磁場(chǎng)交替攪拌對(duì)鎂合金的作用。本文采用正交試驗(yàn)法研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)交替作用對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響，為鎂合金的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

自行設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)交替作用的三維磁場(chǎng)裝置（圖1）。該裝置由18個(gè)鐵芯線(xiàn)圈、控制系統(tǒng)和固定架等組成。控制系統(tǒng)主要通過(guò)繼電器和接觸器來(lái)分別控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)的作用時(shí)間。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了3水平、3因素正交試驗(yàn)，因素水平表如表1。首先將鎂合金加熱到750℃左右通入保護(hù)氣體。保護(hù)氣體由四氟乙烷和干燥空氣混合而成，在780℃保溫5min，之后待鎂合金液降到730℃后澆入位于磁場(chǎng)中的尺寸為?32mm× 200mm的鑄型中，同時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)處理。

圖1 三維磁場(chǎng)裝置示意圖

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

本文運(yùn)用Image tool軟件，采用截線(xiàn)法計(jì)算鎂合金的平均晶粒尺寸L/N（L為N個(gè)晶粒的截線(xiàn)總長(zhǎng)度，N為晶粒個(gè)數(shù)）和形狀因子4πA/P2（A為初生α-Mg的平均面積，P初生α-Mg的平均周長(zhǎng)），并以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.1 顯微組織及分析

未經(jīng)磁場(chǎng)處理的AZ91鎂合金顯微組織如圖2。計(jì)算分析表明其顯微組織的平均晶粒直徑為140.67μm，形狀因子為0.36。

圖3為按正交實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)不同磁場(chǎng)處理后的AZ91鎂合金顯微組織。經(jīng)計(jì)算和比較可以看出，其平均晶粒直徑明顯減小，減小幅度達(dá)19.0%～43.9%。而形狀因子明顯增大，增大幅度為 7.2%～87.4%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)的處理結(jié)果

分析認(rèn)為，在無(wú)電磁攪拌鎂合金凝固過(guò)程中，熔體通過(guò)鑄型單向散熱，造成鑄型內(nèi)壁、頂部和底部的熔體溫度低于合金熔體中部的溫度，在合金熔體內(nèi)形成較大的溫度梯度，存在明顯的宏觀凝固界面，初晶相α-Mg形成具有一次主桿的粗大樹(shù)枝晶，二次枝晶也相當(dāng)明顯。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，電磁力的切向分力使金屬液作水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣的結(jié)果就會(huì)使中心部位的金屬液不斷向邊緣處運(yùn)動(dòng)，從而在鑄型表面形成向下凹的漩渦。在行波磁場(chǎng)作用下，鎂合金液在行波磁場(chǎng)的切割下，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與行波磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁力，在這個(gè)電磁力的作用下，鎂合金液就沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)[5]。這樣由于水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)使金屬液得到充分的混合并且使熔體各處溫度及溶質(zhì)分布基本上均勻。因此當(dāng)溫度降低到液相線(xiàn)以下足以形核時(shí)，初生α-Mg相就可在整個(gè)熔體內(nèi)同時(shí)形核，這樣就增加了形核位置和數(shù)量。形核后的生長(zhǎng)過(guò)程也受到熔體流動(dòng)的強(qiáng)烈影響，由于晶核在各個(gè)方向溫度趨于均勻，固液界面的溶質(zhì)濃度梯度減小，降低了成分過(guò)冷，因此將有利于形成花瓣?duì)詈蛨F(tuán)塊狀的初生α-Mg相。

圖2 未經(jīng)磁場(chǎng)處理的AZ91鎂合金顯微組織

圖3 經(jīng)不同磁場(chǎng)處理后的AZ91鎂合金顯微組織

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)每個(gè)因素各水平的平均值作直觀分析圖，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，如以平均晶粒直徑為考察指標(biāo)，得到的最佳工藝條件為勵(lì)磁電壓50V、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間5s和行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間6s，此方案獲得的平均晶粒直徑最小。如以形狀因子為考察指標(biāo)，則得到的最佳工藝條件勵(lì)磁電壓50V、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間5s和行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間4s，此方案獲得的形狀因子最大。但通過(guò)表2中極差分析，綜合考慮勵(lì)磁電壓、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間和行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間對(duì)兩指標(biāo)的影響可知，本正交試驗(yàn)中得到的最佳工藝參數(shù)為勵(lì)磁電壓50V、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間5s和行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間4s，該方案達(dá)到了最好的細(xì)化效果。

圖4 直觀分析圖

3 結(jié)論

（1）在AZ91鎂合金凝固過(guò)程中施以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)可使初生α-Mg相明顯細(xì)化。其平均晶粒直徑減小幅度達(dá)19.0%～43.9%，而形狀因子增大幅度為7.2%～87.4%。

（2）增大勵(lì)磁電壓和減少旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間都有利于減小晶粒平均直徑和增大形狀因子，而行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間的變化對(duì)晶粒平均直徑和形狀因子的影響都不是很大。

（3）在本實(shí)驗(yàn)中，勵(lì)磁電壓為50V、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌時(shí)間為5s和行波磁場(chǎng)攪拌時(shí)間為4s時(shí)能達(dá)到最好的細(xì)化效果。

[1]韓富銀，張金山，等.電磁攪拌對(duì)鎂合金AZ91D凝固組織的影響: [J]中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2007（2）：20.

[2] 馮弘，王紅霞，余林.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)鑄造合金凝固結(jié)晶的影響:[J]造型材料，2000（3）:25-27.

[3] 詹美艷，李元元，陳維平.電磁攪拌鑄造及其在鎂合金上的應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2007（8）:6-8.

[4] 呂國(guó)偉，于波，蘇彥慶，等.鑄造用行波磁場(chǎng)ANSYS有限元分析. [J]鑄造設(shè)備與研究，2008（6）:35-36.

[5]李?lèi)?ài)武.電機(jī)子分離型電磁攪拌器特點(diǎn)淺析[C].第二屆全國(guó)連鑄電磁攪拌技術(shù)研討會(huì)論文集，廬山，1998:26-3.

Effect of 3D Magnetic Field on Solidification Microstructure of AZ91 Mg Alloy

MO LiJiang，LI QiuShu，LIU MinJuan，ZHAO YanMing

（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

Using home-made alternate stirring device with rotating magnetic field and transverse magnetic field，and using orthogonal test method to study the impact on the solidification structure of Mg alloy AZ91 of the three factors which are exciting voltage,rotating magnetic stirring time and transverse magnetic stirring time.The results showed that:increasing exciting voltage and reducing the rotating magnetic field stirring time are beneficial to reduce the average grain diameter and enlarge sharp factor; changing transverse magnetic stirring time has not significant effect on the average grain diameter and shape factor.

AZ91 Mg alloy；3D magnetic field；Microstructure

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2010）03－3

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目：編號(hào)2007032037

2010－02－02

2010－016

莫漓江（1984－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殒V合金組織和性能改性研究