 原標(biāo)題：壓鑄鎂合金缺陷帶的組織特征及形成機(jī)理研究 摘要：研究了壓鑄鎂合金缺陷帶的組織形貌及分布特征，建立缺陷帶與壓室預(yù)結(jié)晶（ESCs）、氣縮孔及壓鑄工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上探討了缺陷帶的形成及演化機(jī)理。結(jié)果表明，壓鑄鎂合金截面凝固組織以缺陷帶為界可劃分為3個(gè)有明顯組織特征差異的區(qū)域；隨著低速速度提高，壓鑄鎂合金凝固組織中ESCs含量逐漸減小，而缺陷帶組織愈加明顯并向壓鑄件中心靠攏，缺陷帶寬度減小，其內(nèi)部孔洞更加聚集；高速速度越大，壓鑄鎂合金凝固組織中ESCs越分散，缺陷帶向壓鑄件中心靠攏，在無(wú)高速速度情況下，壓鑄鎂合金凝固組織橫截面出現(xiàn)雙缺陷帶現(xiàn)象；壓鑄充型過(guò)程中金屬液流的形態(tài)決定了缺陷帶的分布位置和發(fā)展趨勢(shì)，在高速金屬液的劇烈沖刷及增壓壓力作用下，靠近金屬液流外輪廓的晶粒發(fā)生破碎或轉(zhuǎn)動(dòng)，在晶粒間形成大于剩余金屬液體積的間隙，隨著凝固的進(jìn)行形成沿液流輪廓分布孔洞聚集的缺陷帶組織。 鎂合金以其質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性好和易于回收利用等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子等行業(yè)。采用鎂合金替代鋼或鋁合金是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一，可以降低燃油消耗并減少氣體排放。鎂合金液態(tài)金屬黏度低，流動(dòng)性好，易于充填復(fù)雜型腔，且凝固快，尺寸穩(wěn)定性好，特別適合于壓鑄工藝。因此，壓鑄已成為鎂合金結(jié)構(gòu)件最主要的成形工藝。典型的壓鑄鎂合金產(chǎn)品包括汽車輪轂、變速箱體、筆記本/手機(jī)外殼等。 當(dāng)前，鎂合金壓鑄件存在的絕對(duì)強(qiáng)度偏低、高溫性能較差等缺點(diǎn)制約了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。研究表明，冷室壓鑄鎂合金中出現(xiàn)的氣縮孔、ESCs、缺陷帶等對(duì)壓鑄件的力學(xué)性能有著較大的影響。關(guān)于氣縮孔及ESCs，研究者已進(jìn)行了較為深入的研究，但針對(duì)缺陷帶的相關(guān)研究卻報(bào)道很少關(guān)于缺陷帶的研究主要集中在缺陷帶的組織表征及物相分析等方面，研究發(fā)現(xiàn)缺陷帶的形態(tài)及分布特征與氣縮孔、ESCs等存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然而其形成機(jī)理尚未明確和統(tǒng)一。 因此，本課題以鎂合金AM60B拉伸試樣壓鑄件為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了壓鑄鎂合金缺陷帶的組織形貌及分布特征，建立缺陷帶與ESCs、氣縮孔及壓鑄工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上探討了缺陷帶的形成及演化機(jī)理。旨在為優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，改善鎂合金壓鑄件的微觀組織和力學(xué)性能提供參考。 1、壓鑄鎂合金缺陷帶的組織特征 缺陷帶是冷室壓鑄組織中特有的組織特征，有別于其他鑄造工藝獲得的凝固組織，其形貌及分布較為復(fù)雜。圖1為鎂合金壓鑄件橫截面不同形貌及分布特征的缺陷帶，其存在的形式通常多種多樣，有沿壓鑄件截面輪廓分布的，也有不規(guī)則的；有單缺陷帶，也有雙缺陷帶和多缺陷帶。已有研究表明，缺陷帶是孔洞聚集的帶狀組織，存在著一定的溶質(zhì)偏析，OTARAWANNA S等利用電子背散射衍射技術(shù)發(fā)現(xiàn)缺陷帶的寬度是晶粒大小的7～18倍，LI X B等通過(guò)成分掃描發(fā)現(xiàn)壓鑄件表層缺陷帶中溶質(zhì)富集程度較小，而心部缺陷帶中有大量的溶質(zhì)元素富集。
圖1：鎂合金壓鑄件橫截面不同形貌及分布特征的缺陷帶 采用不同的組織觀察方法對(duì)鎂合金壓鑄件橫截面的顯微組織進(jìn)行分析，見圖2?？梢钥吹綁鸿T鎂合金組織從宏觀上可以分為3個(gè)部分，第一部分是從壓鑄件表層到缺陷帶外表面的組織，其特點(diǎn)是孔洞較少，ESCs組織大多為破碎的枝晶，沒(méi)有聚集現(xiàn)象，因此組織較為致密；第二部分是距離壓鑄件表層一定距離的缺陷帶，在其內(nèi)部富集大量形貌不規(guī)則的孔洞，ESCs組織相較于周圍ESCs細(xì)小，從電鏡圖片中可以看出,缺陷帶中的孔洞主要分布在晶界（ESCs或α-Mg）處；第三部分是缺陷帶所包圍的心部組織，尺寸較大的ESCs組織增多，且在心部大量聚集，在ESCs聚集的晶界處有大量的疏松存在，因此含有較多孔洞，但分布較為隨機(jī)。
圖2：鎂合金壓鑄件橫截面典型顯微組織 2、壓鑄工藝參數(shù)對(duì)缺陷帶組織形態(tài)的影響 壓鑄試驗(yàn)在TOYO-BD-350V5壓鑄機(jī)上進(jìn)行，表1為壓鑄過(guò)程中所采用的試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比研究了不同低速速度、高速速度、增壓壓力、澆注延時(shí)等對(duì)壓鑄鎂合金缺陷帶組織形貌與分布特征的影響。
表1：壓鑄實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù) 壓鑄工藝參數(shù)中的低速速度主要影響壓室內(nèi)金屬液的流動(dòng)形態(tài)及最終壓鑄件中ESCs的形態(tài)和含量，其對(duì)缺陷帶的影響見圖3。在較低的低速速度（0.05 m/s）條件下，整個(gè)壓鑄件截面含有大量隨機(jī)分布的孔洞，而未能發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷帶。從圖3中可以看出ESCs含量較多，呈粗大枝晶狀，且大多聚集到一起，遍布整個(gè)壓鑄件截面，因此整個(gè)壓鑄件內(nèi)部在ESCs枝晶間有較多的縮松。隨著低速速度提高，ESCs含量逐漸減少，且形貌趨于長(zhǎng)條狀或球狀，此時(shí)缺陷帶組織愈加明顯，且向壓鑄件中心靠攏，缺陷帶寬度減小，其內(nèi)部孔洞逐漸密集。
圖3：不同低速速度下的壓鑄鎂合金缺陷帶組織形態(tài) 壓鑄鎂合金缺陷帶形貌及分布特征隨高速速度的變化見圖4?？梢钥吹?，隨著高速速度提高，壓鑄件中ESCs組織分布愈加彌散，形貌趨于球狀，而在心部ESCs組織明顯要多于其他部位。而隨著高速速度增加，缺陷帶愈加靠近中心，缺陷帶寬度減小，內(nèi)部孔洞更加集中。在無(wú)高速速度的情況下，壓鑄件中出現(xiàn)雙缺陷帶現(xiàn)象，靠近壓鑄件表面的缺陷帶寬度較寬，且其外部幾乎不含有ESCs，而靠近內(nèi)部的缺陷帶寬度較窄，在其內(nèi)外兩側(cè)均有大量的ESCs聚集。
圖4：不同高速速度下的壓鑄鎂合金缺陷帶組織形態(tài) 對(duì)不同增壓壓力下的壓鑄鎂合金顯微組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著增壓壓力升高，壓鑄件中的ESCs含量逐漸減少，其形貌趨于球狀，分布形態(tài)由彌散分布趨于向壓鑄件中心偏聚，而此時(shí)壓鑄件中缺陷帶的位置、寬度及其內(nèi)部孔洞的形貌并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。壓鑄工藝參數(shù)中澆注延時(shí)對(duì)缺陷帶的影響與低速速度類似，澆注延時(shí)增長(zhǎng)或者降低低速速度，均使得壓鑄件中ESCs含量提高，ESCs呈現(xiàn)較多的粗大枝晶狀，在ESCs聚集的晶界處有大量的疏松存在，此時(shí)缺陷帶趨向于壓鑄件表層，且寬度增加。 3、缺陷帶的形成機(jī)理 缺陷帶是冷室壓鑄組織中特有的組織特征，其形貌及分布較為復(fù)雜。缺陷帶通常為縮孔縮松聚集的帶狀組織，且厚度較寬，而缺陷帶的位置往往又同粗大的壓室預(yù)結(jié)晶組織的分布形態(tài)有關(guān)，其直接對(duì)壓鑄件力學(xué)性能造成較大的危害。因此，了解壓鑄鎂合金缺陷帶的形成機(jī)理，對(duì)于控制和改善壓鑄鎂合金微觀組織，進(jìn)而提高鎂合金壓鑄件的力學(xué)性能具有重要的意義。 基于壓室預(yù)結(jié)晶理論，DAHLE A K等嘗試表述了壓鑄件中缺陷帶的形成機(jī)理，見圖5。認(rèn)為在壓室中預(yù)先形核生長(zhǎng)的晶粒，隨著熔體高速充填型腔，在流體的作用力下向壓鑄型腔中心偏聚。圍繞著這些初生的晶粒，型腔中心的金屬液開始凝固，凝固界面由內(nèi)向外推移。與此同時(shí)，在壓室及充填過(guò)程中尚未凝固的液態(tài)金屬，在接觸型壁后瞬間開始凝固形成表面激冷層。由于型壁及激冷層的傳熱，壓鑄型腔中形成由外向內(nèi)的凝固進(jìn)程。當(dāng)兩個(gè)凝固前沿相遇時(shí)，也即壓鑄件最后凝固的位置，此時(shí)由于補(bǔ)縮困難，凝固組織中常常出現(xiàn)較為嚴(yán)重的疏松組織。這對(duì)沿著壓鑄件截面輪廓的單缺陷帶的解釋，有一定的適用性，然而卻無(wú)法解釋雙缺陷帶及其他不規(guī)則缺陷帶的產(chǎn)生。CAO H等[21]對(duì)壓鑄件中的雙缺陷帶進(jìn)行了研究，認(rèn)為靠近壓鑄件心部缺陷帶的形成與壓室預(yù)結(jié)晶有關(guān)，而靠近表層的缺陷帶的形成則與壓室預(yù)結(jié)晶組織的分布沒(méi)有關(guān)系。
圖5：基于壓室預(yù)結(jié)晶理論的缺陷帶形成機(jī)理示意圖 有研究認(rèn)為缺陷帶為膨脹剪切帶，其形成是由于具有一定固相分?jǐn)?shù)的金屬液所表現(xiàn)出的類似顆粒材料在剪切變形過(guò)程中的流變特性，見圖6。凝固過(guò)程中含一定固相分?jǐn)?shù)的金屬液相當(dāng)于壓實(shí)的顆粒材料，在切應(yīng)力的作用下會(huì)相互推擠發(fā)生膨脹造成局部變形，并集中在剪切帶處最終達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài)。液態(tài)金屬由于壓差被引至膨脹剪切帶內(nèi)，隨著凝固進(jìn)行，帶狀區(qū)域的金屬液對(duì)鄰近區(qū)域的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，而在凝固后期帶狀區(qū)域自身的凝固收縮不能得到有效的補(bǔ)縮，因此在帶狀區(qū)域形成了集中的縮孔縮松。將膨脹剪切理論應(yīng)用于鎂合金冷室壓鑄工藝，可以一定程度上解釋雙缺陷帶的形成機(jī)理。在壓鑄充型過(guò)程中，由于激冷作用，壓鑄件表層會(huì)產(chǎn)生一層凝固殼層，在高速充填型腔時(shí)金屬液流在靠近凝固殼層區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，而該區(qū)域呈半固態(tài)，在切應(yīng)力的作用下晶粒會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的間隙，最后由于補(bǔ)縮困難而產(chǎn)生靠近表層的缺陷帶組織。在凝固過(guò)程中，由于增壓壓力會(huì)導(dǎo)致切應(yīng)力的存在，其作用在半凝固態(tài)的晶粒上會(huì)引起晶粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的間隙，而最后由于補(bǔ)縮困難，產(chǎn)生靠近壓鑄件中心的缺陷帶組織。
圖6：基于膨脹剪切理論的缺陷帶形成機(jī)理示意圖 到目前為止，研究者們并不能系統(tǒng)地解釋為何壓鑄件中有時(shí)觀察不到缺陷帶，而有時(shí)是單缺陷帶，有時(shí)又是雙缺陷帶甚至多缺陷帶，或者不規(guī)則的缺陷帶?；谝延醒芯浚J(rèn)為缺陷帶的形成受壓鑄過(guò)程壓室預(yù)結(jié)晶及金屬液流形態(tài)的影響，應(yīng)當(dāng)從熔體充填形態(tài)、凝固順序、充型及凝固切應(yīng)力、糊狀區(qū)力學(xué)特性及補(bǔ)縮機(jī)制等方面綜合進(jìn)行考慮。首先，缺陷帶是冷室壓鑄工藝特有的組織現(xiàn)象，可以推斷出缺陷帶的形成必然與預(yù)結(jié)晶顆粒或者半固態(tài)糊狀區(qū)有關(guān)。其次，缺陷帶的形成受壓鑄過(guò)程金屬液流形態(tài)影響,見圖7：壓鑄過(guò)程中拉伸圓棒壓鑄件端面分別設(shè)置兩種形式的內(nèi)澆口，通過(guò)金相觀察及孔洞掃描可以看到壓鑄件中缺陷帶的形成位置及分布分別與內(nèi)澆口及液流方向相對(duì)應(yīng)。
圖7：金屬液流形態(tài)對(duì)壓鑄鎂合金缺陷帶形成的影響 采用電子背散射衍射（EBSD）對(duì)鎂合金壓鑄件不同部位的晶粒取向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓鑄件表層α-Mg晶粒及心部完整ESCs枝晶未發(fā)現(xiàn)孿晶現(xiàn)象，而在心部破碎ESCs晶粒及缺陷帶內(nèi)部ESCs晶粒中，出現(xiàn)大量的孿晶現(xiàn)象。分析其原因，壓鑄件表層α-Mg晶粒在型腔中形核長(zhǎng)大，幾乎沒(méi)有外力作用在α-Mg晶粒上；而ESCs顆粒形核于壓室中，并隨著沖頭的壓射過(guò)程通過(guò)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔。由于壓鑄充型過(guò)程高速高壓的特點(diǎn)，ESCs顆粒在進(jìn)入型腔過(guò)程中會(huì)經(jīng)受液流的沖刷以及后續(xù)的增壓壓力作用，導(dǎo)致部分ESCs晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)破碎，最終破碎的ESCs晶粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力形成孿晶現(xiàn)象，而未經(jīng)受金屬液流沖刷及增壓壓力作用的ESCs枝晶，則完整無(wú)缺且沒(méi)有出現(xiàn)孿晶現(xiàn)象。由缺陷帶內(nèi)部ESCs晶粒出現(xiàn)大量的孿晶現(xiàn)象，說(shuō)明在缺陷帶處有較大的應(yīng)力存在，也即可以推斷缺陷帶的形成與充型過(guò)程中金屬液流沖刷所產(chǎn)生的應(yīng)力以及后續(xù)的增壓壓力有關(guān)。 對(duì)缺陷帶內(nèi)部孔洞周圍組織的化學(xué)成分分布進(jìn)行分析，見圖8，發(fā)現(xiàn)孔洞周圍組織的Mg及Al元素分布輪廓一致，可完美的拼接，且Al元素在孔洞周圍有少量富集的現(xiàn)象?？梢酝茢?，在壓鑄過(guò)程中由于高速高壓金屬液的劇烈沖刷作用以及后續(xù)的增壓壓力作用，處于半固態(tài)糊狀區(qū)的ESCs及α-Mg晶粒破碎或進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在晶粒間形成大于剩余金屬液體積的間隙，隨著凝固過(guò)程進(jìn)行，由于補(bǔ)縮困難形成沿液流輪廓分布孔洞聚集的缺陷帶組織。
圖8：缺陷帶孔洞周圍組織化學(xué)成分分析 4、結(jié)論 （1）壓鑄鎂合金截面凝固組織以缺陷帶為界可劃分為3個(gè)有明顯組織特征差異的區(qū)域，其中缺陷帶區(qū)域內(nèi)部聚集大量形貌不規(guī)則的孔洞，ESCs組織相較于周圍ESCs細(xì)小，孔洞主要分布在晶界（ESCs或α-Mg）處。 （2）提高低速速度或者縮短澆注時(shí)間，壓鑄鎂合金凝固組織中ESCs含量逐漸減小，缺陷帶組織愈加明顯并向壓鑄件中心靠攏，缺陷帶寬度減小，其內(nèi)部孔洞更加聚集；高速速度越大，壓鑄鎂合金凝固組織中ESCs越分散，缺陷帶向壓鑄件中心靠攏，在無(wú)高速速度情況下，壓鑄鎂合金凝固組織截面出現(xiàn)雙缺陷帶現(xiàn)象。 （3）缺陷帶的形成與分布受壓鑄充型過(guò)程中金屬液流形態(tài)的影響，在高速金屬液的劇烈沖刷及增壓壓力的作用下，靠近金屬液流外輪廓的晶粒發(fā)生破碎或轉(zhuǎn)動(dòng)，在晶粒間形成大于剩余金屬液體積的間隙，隨著凝固的進(jìn)行形成沿液流輪廓分布孔洞聚集的缺陷帶組織。
作者： 本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第01期 |
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