三维磁场对AZ91镁合金凝固组织的影响

莫漓江，李秋书，刘敏娟，赵彦民（太原科技大学，太原 030024）

三维磁场对AZ91镁合金凝固组织的影响

莫漓江，李秋书，刘敏娟，赵彦民（太原科技大学，太原 030024）

自制了旋转磁场和行波磁场交替作用的三维磁场装置，采用正交试验方法研究励磁电压、旋转磁场和行波磁场作用时间对AZ91镁合金凝固组织的影响。结果表明：增大励磁电压和缩短旋转磁场作用时间均有利于减小晶粒平均直径和增大形状因子，行波磁场作用时间的变化对晶粒平均直径和形状因子的影响都不是很大。

镁合金；三维磁场；显微组织

镁合金在诸多性能方面具有一系列优点[1]，因此在航空航天、汽车制造、电子信息等领域得到广泛的应用。近年来有关旋转磁场对镁合金作用的研究开展逐渐增多，其作用效果较为显著，在材料的凝固过程控制方面做了大量的基础研究工作[2]，也显示了材料电磁加工技术在提高和改善材料性能的同时对材料本身和自然环境的正面影响[3]。而行波磁场是现代电磁冶金技术的重要发展之一，近年来在镁合金上也偶尔有人研究。研究表明它在改善铸坯的表面及皮下质量，改善铸坯凝固组织，提高等轴晶率，减轻中心偏析及中心疏松等内部缺陷方面都有显著的作用[4]。尽管人们对旋转磁场和行波磁场搅拌对镁合金的影响都有不同程度的研究，但是很少有人研究两种不同磁场交替搅拌对镁合金的作用。本文采用正交试验法研究旋转磁场和行波磁场交替作用对AZ91镁合金凝固组织的影响，为镁合金的进一步研究打下基础。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

自行设计了旋转磁场和行波磁场交替作用的三维磁场装置（图1）。该装置由18个铁芯线圈、控制系统和固定架等组成。控制系统主要通过继电器和接触器来分别控制旋转磁场和行波磁场的作用时间。

1.2 实验方法

本实验采用正交实验法，设计了3水平、3因素正交试验，因素水平表如表1。首先将镁合金加热到750℃左右通入保护气体。保护气体由四氟乙烷和干燥空气混合而成，在780℃保温5min，之后待镁合金液降到730℃后浇入位于磁场中的尺寸为ø32mm× 200mm的铸型中，同时进行磁场处理。

图1 三维磁场装置示意图

表1 正交实验因素水平表

2 试验结果及讨论

本文运用Image tool软件，采用截线法计算镁合金的平均晶粒尺寸L/N（L为N个晶粒的截线总长度，N为晶粒个数）和形状因子4πA/P2（A为初生α-Mg的平均面积，P初生α-Mg的平均周长），并以此作为评价指标。实验结果见表2。

2.1 显微组织及分析

未经磁场处理的AZ91镁合金显微组织如图2。计算分析表明其显微组织的平均晶粒直径为140.67μm，形状因子为0.36。

图3为按正交实验方案经不同磁场处理后的AZ91镁合金显微组织。经计算和比较可以看出，其平均晶粒直径明显减小，减小幅度达19.0%～43.9%。而形状因子明显增大，增大幅度为 7.2%～87.4%。

表2 正交实验的处理结果

分析认为，在无电磁搅拌镁合金凝固过程中，熔体通过铸型单向散热，造成铸型内壁、顶部和底部的熔体温度低于合金熔体中部的温度，在合金熔体内形成较大的温度梯度，存在明显的宏观凝固界面，初晶相α-Mg形成具有一次主杆的粗大树枝晶，二次枝晶也相当明显。在旋转磁场作用下，电磁力的切向分力使金属液作水平旋转运动，这样的结果就会使中心部位的金属液不断向边缘处运动，从而在铸型表面形成向下凹的漩涡。在行波磁场作用下，镁合金液在行波磁场的切割下，感应出电动势并产生感应电流，感应电流与行波磁场相互作用便产生电磁力，在这个电磁力的作用下，镁合金液就沿着行波磁场运动的方向作直线运动[5]。这样由于水平方向的旋转运动和纵向运动使金属液得到充分的混合并且使熔体各处温度及溶质分布基本上均匀。因此当温度降低到液相线以下足以形核时，初生α-Mg相就可在整个熔体内同时形核，这样就增加了形核位置和数量。形核后的生长过程也受到熔体流动的强烈影响，由于晶核在各个方向温度趋于均匀，固液界面的溶质浓度梯度减小，降低了成分过冷，因此将有利于形成花瓣状和团块状的初生α-Mg相。

图2 未经磁场处理的AZ91镁合金显微组织

图3 经不同磁场处理后的AZ91镁合金显微组织

2.2 正交实验结果分析

根据每个因素各水平的平均值作直观分析图，如图4所示。可以发现，如以平均晶粒直径为考察指标，得到的最佳工艺条件为励磁电压50V、旋转磁场搅拌时间5s和行波磁场搅拌时间6s，此方案获得的平均晶粒直径最小。如以形状因子为考察指标，则得到的最佳工艺条件励磁电压50V、旋转磁场搅拌时间5s和行波磁场搅拌时间4s，此方案获得的形状因子最大。但通过表2中极差分析，综合考虑励磁电压、旋转磁场搅拌时间和行波磁场搅拌时间对两指标的影响可知，本正交试验中得到的最佳工艺参数为励磁电压50V、旋转磁场搅拌时间5s和行波磁场搅拌时间4s，该方案达到了最好的细化效果。

图4 直观分析图

3 结论

（1）在AZ91镁合金凝固过程中施以旋转磁场和行波磁场可使初生α-Mg相明显细化。其平均晶粒直径减小幅度达19.0%～43.9%，而形状因子增大幅度为7.2%～87.4%。

（2）增大励磁电压和减少旋转磁场搅拌时间都有利于减小晶粒平均直径和增大形状因子，而行波磁场搅拌时间的变化对晶粒平均直径和形状因子的影响都不是很大。

（3）在本实验中，励磁电压为50V、旋转磁场搅拌时间为5s和行波磁场搅拌时间为4s时能达到最好的细化效果。

[1]韩富银，张金山，等.电磁搅拌对镁合金AZ91D凝固组织的影响: [J]中国铸造装备与技术，2007（2）：20.

[2] 冯弘，王红霞，余林.旋转磁场对铸造合金凝固结晶的影响:[J]造型材料，2000（3）:25-27.

[3] 詹美艳，李元元，陈维平.电磁搅拌铸造及其在镁合金上的应用[J].轻合金加工技术，2007（8）:6-8.

[4] 吕国伟，于波，苏彦庆，等.铸造用行波磁场ANSYS有限元分析. [J]铸造设备与研究，2008（6）:35-36.

[5]李爱武.电机子分离型电磁搅拌器特点浅析[C].第二届全国连铸电磁搅拌技术研讨会论文集，庐山，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

山西省科技攻关项目：编号2007032037

2010－02－02

2010－016

莫漓江（1984－），男，硕士研究生，研究方向为镁合金组织和性能改性研究