熔体冷却方式对ZA94镁合金组织的影响

    作者：郑晓蒙

    镁合金是最轻的金属结构材料，它具有密度小、比强度高、铸造性能好以及抗磁性能好等一系列优点，被誉为21世纪的绿色工程材料，广泛应用于汽车和电子等领域。ZA系镁合金具有较好的高温蠕变性能，其高温抗蠕变机制主要在于通过增加锌含量和控制w( Zn)/w( Al)比值在合金中形成Mg32( Al，Zn)49和MgZn等耐热强化相来提高高温蠕变性能。李冠群等人研究了w( Al)/w( Zn)比值在l~15的范围内变化时组织中相的演变情况，以及力学性能和耐腐蚀性能的变化。杨明波等研究了w( Zn)/w( Al)比值对Mg-Zn-Al三元镁合金铸态组织和凝固行为的影响，分析了组织中相的分布状况。此外，许多学者对于ZA系镁合金的成形也展开了大量的研究，黄晓锋、冯凯等人对ZA系镁合金的半固态成形进行了大量的研究。基于此，本试验研究ZA94镁合金铸造冷却方式以及连续冷却过程中的组织变化情况。

1  试验

1.1材料选择

    试验选用ZA94高Zn镁合金，名义成分w(Zn)=9 010、w(Al)=4%、余量为Mg。采用纯度为99.9%的Mg、Zn、Al为原料，并用纯度为99.9%的氩气作保护气体，在井式坩埚电阻炉中进行熔炼。

1.2试验方案

    本试验采用吸铸的方式研究合金熔体在连续冷却过程中的组织演变，试验如图1所示。采用TP9000多路数据记录仪测定熔体在连续冷却过程中的温度变化，用耐高温石英管吸取熔体，并将熔体立即进行水淬。图2为固相率与半固态温度之间的关系。研究合金在空冷和随炉冷温度为6000C、590℃、585℃、580.C、575℃、570℃、565℃、560℃、550CC连续冷却过程中的组织演变。

  首先，将纯Mg锭料放入井式坩埚电阻炉中熔化，待全部熔化且温度达到680℃时，同时加入已配好的纯Zn和纯Al，全部熔化后，开始测温。熔体温度达到720℃左右时，用质量分数为1%~1.5%的C2Cl6进行精炼除气，之后保温静置30 min。待熔体温度达到610℃时，将载有熔体的坩埚从炉中取出，在空气中进行冷却，并同时用测温系统进行测温，当温度达到预先设定的温度时依次取样，用Φlo mm的耐高温石英管吸取熔体，并立即进行水淬，然后破损石英管而取出试样。将吸铸水淬后的试样制成Φ10 mm x15 mm的圆柱试样，用400目到1500目水磨砂纸预磨、抛光，用4%硝酸水试剂腐蚀6 s，之后采用DMI3000光学显微镜观察其组织和形貌，所获得的金相组织如图3所示。另一种熔体的冷却方式是使熔体直接随炉冷却，并同时用测温系统进行测温，具体操作方法和空冷时的一致，所获得的金相组织如图4所示。

2  试验结果及分析

2.1  空冷过程中组织的演变

    图3所示为ZA94镁合金在空冷过程中的金相照片。图3中白色的部分为初生a-Mg相，黑色的部分为共晶组织。从图2中可以看出，ZA94镁合金的液相线温度为598℃。室温下对其静置连续冷却，从600℃开始并每隔5℃对浆料进行水淬取样。对试样的显微组织进行观察可以看到，在空冷条件下，600℃和590℃水淬组织均以枝晶状存在，其原因在于600℃时，熔体处于全液态，熔体中自由晶的数目极少，熔体直接由液相激冷形成发达的树枝晶二

590℃时，虽然熔体已经产生过冷，并已产生少量的晶核，由于熔体冷却较快，取样间隔短，晶粒还未长大，故组织也以枝晶形式存在，但枝晶臂明显比600℃时的粗大。

    随着取样温度的降低，过冷熔体大量形核并不断长大，晶粒主要以颗粒状形式存在。但温度较低时，组织中只有少量的颗粒状晶，而且晶粒尺寸较小，圆整度较好，如图3c和图3d所示。随着温度的进一步降低，初始形成的晶核在生长的过程中失稳，使得晶粒的圆整度变差。冷却到575℃时，初生相颗粒尺寸增大，有明显的合并长大趋势，如图3e所示：随着温度的连续降低，熔体中固相颗粒的数量增多，初生固相颗粒尺寸增大，圆整度急剧下降，颗粒间发生了合并粗化（见图3f和图3g）；到温度降至555℃时，熔体中固相量很高，流动性较差，已无法进行吸取，相应的组织中固相颗粒粘连合并严重，尺寸很大，形貌不规则，但其边缘比较圆滑(见图3h和图3i)，可见合并粗化后的颗粒开始发生熟化。

2.2  随炉冷却过程中组织的演变

    图4所示为ZA94镁合金熔体在随炉冷方式下，连续冷却过程中的金相照片。图4中白色部分为a．Mg相，黑色的部分为共晶组织。此组照片是在熔体随炉冷却的过程中，从600℃开始并每隔5℃对熔体进行水淬取样而得到的。从图中可以看出：取样温度为600℃和590℃时，微观组织以等轴晶为主。600℃时，组织中存在少量的枝晶，原因在于随炉冷过程中，冷却较缓慢，虽然此时熔体温度还在液相线以上，但熔体中有大量较大的原子团簇。在激冷的过程中，组织以等轴晶为主，如图4a所示。熔体温度降至5900C时，熔体中已生成大量的晶核，并不断长大，故此时晶粒密度较高，有一部分颗粒晶存在，如图4b所示。随着熔体温度的降低，初生相不断长大，组织中有颗粒状晶粒形成，如图4c所示。随着熔体温度的继续降低，晶粒连续长大，而且先前形成的等轴状颗粒晶发生根部熔断，发展成球状晶和近球状晶，此过程是一个晶粒长大、枝晶臂熔断并球化的过程，如图4d~图4g所示。随着温度的进一步降低，晶粒生长的时间延长，组织中的晶粒发生了合并，如图4h和图4i所示。

2.3分析与讨论

    采用TP9000测定了ZA94镁合金熔体在空冷和随炉冷两种不同冷却方式下，其温度的变化情况，如图5所示。从图中可知：在空冷方式下，刚开始温度下降很快，但随着时间的延长，温度下降变得相对缓慢。由于刚开始熔体温度较高，冷却速度较快，随着时间的延长，熔体中晶核的数量增多，并不断长大，在此过程中将会释放大量的凝固潜热，使得温度变化缓慢。而在炉冷方式下，熔体温度的变化趋势较缓慢，这是由于外部有一个热源，使其温度梯度较低，而且在整个冷却的过程中，其温度梯度变化不大。经过计算，空冷和炉冷两种冷却方式下，其平均冷却速率分别为0. 27℃／s和0.13℃／s。

    在连续冷却过程中，不断形成晶核，固相颗粒连续生长。郭洪民等人研究认为：熔体冷却速率和熔体中自由晶的数量共同影响着初生固相的生长形态，晶粒密度越高以及冷却速率越小，越有利于初生晶相球形和近球形生长。空冷条件下其冷却速率较大，所以相比较，随炉冷条件下形成的晶粒形貌较好，原因在于炉冷的条件下熔体冷却速率较低，晶核可以充分孕育，产生更多数量的晶粒，均匀分布。

4  结  论

    1) ZA94镁合金熔体空冷和随炉冷两种冷却方式下，均能获得近球状的颗粒晶，但随炉冷方式下获得的初生相晶粒形貌较好。

    2)熔体在连续冷却过程中，其经历了初生相形核、长大、球化及晶粒的合并等过程。

3)熔体的冷却速率决定着球形初生组织的稳定性，较低的冷却速率有利于维持初生相生长过程中的界面稳定性，使其保持球形生长。

5摘要：

以新型ZA94镁合金为研究对象，采用吸铸水淬法，研究不同冷却方式下ZA94镁合金熔体连续冷却过程中的组织演变。结果表明，空冷和炉冷两种冷却方式下，熔体的冷却速率分别为0. 27℃／s和0.13'C/s。熔体的冷却速率决定着球形初生组织的稳定性，较低的冷却速率有利于维持初生相生长过程中的界面稳定性，使其保持球形生长，炉冷方式下获得的初生相晶粒形貌较好。熔体在连续冷却过程中，其经历了初生相形核、长大、球化及晶粒的合并 等过程。