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am60b镁合金压铸件冷室预结晶组织研究 随着镁材料提取和加工技术的发展，镁和镁合金已成为继钢和铝之后的第三类金属结构材料，在世界范围内得到了迅速发展。镁合金有着优良的压铸工艺性能,液态金属黏度低、流动性好、凝固快,且尺寸稳定性好,易于充填薄壁复杂型腔。因此,压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺,在生产镁合金零部件方面具有显著的优势。 镁合金压铸件的微观组织对最终使用性能有着重要的影响。因此,研究压铸工艺下镁合金微观组织的特征及演变规律,从而优化压铸工艺参数,有效地控制镁合金压铸件微观组织的形成过程,使铸件获得优良的使用性能,具有重要的意义及价值。镁合金压铸组织不同于一般的铸造组织,其典型组织特征为压铸件表层晶粒细小而均匀,靠近中心晶粒较粗大,且不均匀。Laukli等基于冷室压铸工艺提出了压室预结晶组织ESCs(Externally Solidified Crystals)理论,认为压铸件靠近心部形成的粗大枝晶组织,很大一部分来源于压室中的预先形核及生长。随后,Helenius及Yamagata等先后通过实验及模拟验证了这一观点。Laukli及Cao等研究不同工艺下压铸镁合金及铝合金中ESCs含量及分布形态,认为压室填充率越低、熔体过热度越小,铸件中的ESCs含量就越高。基于压室预结晶理论,Dahle等较合理地解释了压铸件中缺陷带的形成机制。由此可见,压铸压室预结晶现象,不仅影响了压铸组织中晶粒形貌及大小分布,使得组织不均匀,从而直接影响压铸件的力学性能;而且增大了压铸件中形成缺陷带的可能性,导致孔洞缺陷及偏析现象,大大降低了压铸件的强度。关于上述ESCs理论,国外其他研究组少见报道,国内则还未见相关研究工作的报道。 另外,在压铸型腔冷却条件下(冷速高、凝固时间短),以镁铝合金为例,由于远离平衡态凝固过程,当合金中Al含量达到2%以上时,压铸凝固组织中即出现共晶组织。镁合金压铸件中共晶组织的组成、含量及分布形态,显著地影响了铸件的使用性能,特别是塑性、抗蠕变性能及抗腐蚀性能等。 基于以上论述,以AM60B镁合金为研究对象,采用OM、EBSD、XRD、SEM及EDS等实验手段进行分析和统计,研究压铸实验件不同低速速度及高速速度下的凝固组织特征及演化规律,特别是针对晶粒大小、压室预结晶组织以及共晶组织的含量和分布形态等,以期更系统深入地理解压铸凝固过程,从而对压铸实际生产具有一定的指导意义。 1 镁合金压铸件结构及特性 采用商用AM60B镁合金,其液相线温度为615℃,共晶温度为433℃,经等离子体发射光谱(ICP)仪测得合金成分列于表1。实验在TOYO350t压铸机真空压铸条件下进行,图1为实验采用的压铸件;其中,拉伸圆棒中心直径6.4 mm,片样厚度2.5 mm。压铸标准工艺参数:浇注温度为700℃,模具温度为150℃,铸造压力为77 MPa,低速速度为0.1 m/s,高速速度为2.0 m/s,压室填充率为15.6%。为了研究不同压铸工艺下镁合金压铸件的凝固组织特征及演化规律,分别进行了不同低速速度(0.1,0.2和0.4 m/s)及高速速度(1.5,2.0和3.0 m/s)2组压铸试验。采用中间拉伸圆棒及片样进行观察分析,取样截面如图A、B、C、D所示;其中,A、C截面处于试样中间位置,B截面靠近试样浇口端,D截面远离试样浇口端。 2 结果与分析 2.1 压铸件组织晶粒粒度ecs 图2为采用光学显微镜(OM)通过金相腐蚀得到的AM60B压铸实验件表面(图2a,2c)及中心(图2b,2d)典型显微组织。其中,图2a,2b为铸态组织,采用乙醇150 m L+蒸馏水50 m L+冰醋酸1 m L进行腐蚀;图2c,2d为经过15 min固溶处理组织,采用苦味酸4.2 g+乙醇70 m L+蒸馏水10 m L+冰醋酸10 m L进行腐蚀。从图2可以看出,压铸件表层晶粒较细小均匀,晶粒尺寸5~20μm;而心部晶粒较粗大且不均匀,一些晶粒等效直径甚至达到100μm。图3为通过电子背散射衍射(EBSD)得到的压铸实验件心部晶粒取向图,以此可以区分不同的晶粒(取向差小于15°时认为是同1个晶粒),得到微观组织晶粒轮廓。由图3也可以看出,压铸件心部存在粗大的枝晶,且周围夹杂着细小的晶粒。实验得到的AM60B镁合金压铸组织与Laukli等的结果相似。本研究作者也认为,在压铸型腔冷却条件下(冷速高、凝固时间短),压铸件中不可能生长出如此大的枝晶;也即压铸件靠近心部出现的粗大枝晶是由压室中预先形核生长,然后随着熔体充填型腔,最后在型腔中凝固形成。 图4为对标准工艺参数下2.5 mm厚片样B、C、D截面取样得到的整个厚度(上下方向)的显微组织及ESCs分布形态(图中白色较大颗粒及枝晶为压室预结晶组织ESCs,黑色区域为小晶粒基底)。可以看到,ES