三維磁場對AZ91鎂合金凝固組織的影響

莫漓江，李秋書，劉敏娟，趙彥民（太原科技大學，太原 030024）

三維磁場對AZ91鎂合金凝固組織的影響

莫漓江，李秋書，劉敏娟，趙彥民（太原科技大學，太原 030024）

自制了旋轉磁場和行波磁場交替作用的三維磁場裝置，采用正交試驗方法研究勵磁電壓、旋轉磁場和行波磁場作用時間對AZ91鎂合金凝固組織的影響。結果表明：增大勵磁電壓和縮短旋轉磁場作用時間均有利于減小晶粒平均直徑和增大形狀因子，行波磁場作用時間的變化對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；顯微組織

鎂合金在諸多性能方面具有一系列優點[1]，因此在航空航天、汽車制造、電子信息等領域得到廣泛的應用。近年來有關旋轉磁場對鎂合金作用的研究開展逐漸增多，其作用效果較為顯著，在材料的凝固過程控制方面做了大量的基礎研究工作[2]，也顯示了材料電磁加工技術在提高和改善材料性能的同時對材料本身和自然環境的正面影響[3]。而行波磁場是現代電磁冶金技術的重要發展之一，近年來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部缺陷方面都有顯著的作用[4]。盡管人們對旋轉磁場和行波磁場攪拌對鎂合金的影響都有不同程度的研究，但是很少有人研究兩種不同磁場交替攪拌對鎂合金的作用。本文采用正交試驗法研究旋轉磁場和行波磁場交替作用對AZ91鎂合金凝固組織的影響，為鎂合金的進一步研究打下基礎。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

自行設計了旋轉磁場和行波磁場交替作用的三維磁場裝置（圖1）。該裝置由18個鐵芯線圈、控制系統和固定架等組成。控制系統主要通過繼電器和接觸器來分別控制旋轉磁場和行波磁場的作用時間。

1.2 實驗方法

本實驗采用正交實驗法，設計了3水平、3因素正交試驗，因素水平表如表1。首先將鎂合金加熱到750℃左右通入保護氣體。保護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℃后澆入位于磁場中的尺寸為?32mm× 200mm的鑄型中，同時進行磁場處理。

圖1 三維磁場裝置示意圖

表1 正交實驗因素水平表

2 試驗結果及討論

本文運用Image tool軟件，采用截線法計算鎂合金的平均晶粒尺寸L/N（L為N個晶粒的截線總長度，N為晶粒個數）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），并以此作為評價指標。實驗結果見表2。

2.1 顯微組織及分析

未經磁場處理的AZ91鎂合金顯微組織如圖2。計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為按正交實驗方案經不同磁場處理后的AZ91鎂合金顯微組織。經計算和比較可以看出，其平均晶粒直徑明顯減小，減小幅度達19.0%～43.9%。而形狀因子明顯增大，增大幅度為 7.2%～87.4%。

表2 正交實驗的處理結果

分析認為，在無電磁攪拌鎂合金凝固過程中，熔體通過鑄型單向散熱，造成鑄型內壁、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枝晶，二次枝晶也相當明顯。在旋轉磁場作用下，電磁力的切向分力使金屬液作水平旋轉運動，這樣的結果就會使中心部位的金屬液不斷向邊緣處運動，從而在鑄型表面形成向下凹的漩渦。在行波磁場作用下，鎂合金液在行波磁場的切割下，感應出電動勢并產生感應電流，感應電流與行波磁場相互作用便產生電磁力，在這個電磁力的作用下，鎂合金液就沿著行波磁場運動的方向作直線運動[5]。這樣由于水平方向的旋轉運動和縱向運動使金屬液得到充分的混合并且使熔體各處溫度及溶質分布基本上均勻。因此當溫度降低到液相線以下足以形核時，初生α-Mg相就可在整個熔體內同時形核，這樣就增加了形核位置和數量。形核后的生長過程也受到熔體流動的強烈影響，由于晶核在各個方向溫度趨于均勻，固液界面的溶質濃度梯度減小，降低了成分過冷，因此將有利于形成花瓣狀和團塊狀的初生α-Mg相。

圖2 未經磁場處理的AZ91鎂合金顯微組織

圖3 經不同磁場處理后的AZ91鎂合金顯微組織

2.2 正交實驗結果分析

根據每個因素各水平的平均值作直觀分析圖，如圖4所示。可以發現，如以平均晶粒直徑為考察指標，得到的最佳工藝條件為勵磁電壓50V、旋轉磁場攪拌時間5s和行波磁場攪拌時間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，則得到的最佳工藝條件勵磁電壓50V、旋轉磁場攪拌時間5s和行波磁場攪拌時間4s，此方案獲得的形狀因子最大。但通過表2中極差分析，綜合考慮勵磁電壓、旋轉磁場攪拌時間和行波磁場攪拌時間對兩指標的影響可知，本正交試驗中得到的最佳工藝參數為勵磁電壓50V、旋轉磁場攪拌時間5s和行波磁場攪拌時間4s，該方案達到了最好的細化效果。

圖4 直觀分析圖

3 結論

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

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

（3）在本實驗中，勵磁電壓為50V、旋轉磁場攪拌時間為5s和行波磁場攪拌時間為4s時能達到最好的細化效果。

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

[2] 馮弘，王紅霞，余林.旋轉磁場對鑄造合金凝固結晶的影響:[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用[J].輕合金加工技術，2007（8）:6-8.

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

[5]李愛武.電機子分離型電磁攪拌器特點淺析[C].第二屆全國連鑄電磁攪拌技術研討會論文集，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

山西省科技攻關項目：編號2007032037

2010－02－02

2010－016

莫漓江（1984－），男，碩士研究生，研究方向為鎂合金組織和性能改性研究