（材料加工工程专业论文）快速凝固az91镁合金制备工艺及组织性能的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 快速凝辫援术黢够显著细德鑫粒，大耀麦建掇篷接料鹣综合性熊，为镁会袅豹 广泛应用提供了一种可行的途径。应用快速凝固技术制备高强镁合金楚当今的研究 热点。 本磷究聱l 雳雾亿技术将液濂破碎成绥夺滚滚，在叁翻瓣澉辊甩带橇上嗣滚体旋 铸法制备了a z 9 1 镁合金薄片；考察了双辊转速、喷嘴孔径、喷铸高度、熔体压射 氨气压力、液流玻终煞气压力等工艺嚣索对薄片癸漤尺寸、湿嫩组织及其力学瞧齄 的影响，褥到了一组w 获得优怒组织性能薄片的工艺参数；研究了薄片在各热处理 状态下的微观组织及其力学性能的稳定性；并初步探讨了快速凝固薄片挤压工艺对 酝褥穆褪豹缀织惶戆懿影穗，获褥了其力学往麓滋簧逶薅逸挤压棒摇骞象搀离静获 速凝固挤压棒材。 实验终槊表明，利用双辊熔体旋铸法制备a z 9 1 薄片的过程中，备工艺参数对 薄片的厚度、长度、宽度、徽躐组织及蕊簏均有一定影响，其中双辍转速和液流破 碎氯气压力的作用最腥著，随潜双辊转逋和液流破碎氩气压力的提商，薄片的宏观 尺寸藏，l 、，藏粒纲纯，显徽硬发提毫。俊 二熬工麓缝合荧：双辊线逮发2 5 。1 2 m s ， 喷嘴孔径由1 r a m ，喷铸高度1 0 0 m m ，熔体压射a r 气压力0 ，i m p a ，液流破碎舭气 压力0 ，3 m p a ，由此工艺参数获得的薄片细碎，长度约为8 m m ，厚度约为0 ，1 5 r a m ， 鑫粒足寸终为l 3 p m ，薄片酶乎玛显徽耧度为9 8 。0 5 h v ，与普逶铸态豹穗疆鸯缀大 提商。 在不同王艺参数袋停下对a z 9 1 快速凝固薄片避行热处理研究，势对其组织巍 性麓进行分析，实验结果发现谯2 0 04 c 溢度下保漱4 小时詹，其显微缀织中析出的 m g i t a l l 2 相沿晶界呈项链状分布，此时的晶粒尺寸与热处理前相当，履微硬度提高 到1 1 3 ，7 4 h v ，褥在2 0 08 c 瑷上热缝理辩发瑷鑫粒鸯不霹程度瓣增大。这说明在2 0 0 c 以内，a z 9 1 快速凝固镁合金薄片的组织性能稳定，能够保持其快速凝固特性。 实验特a z 9 1 快逡凝固薄片经机械破碎后挤愿成棒材，并考察不同工艺条件下 耪疆棒毒手酶缀织性能炎佬。研究发现，程挤压温度为4 0 0 “c ，挤篮速度为o 1 m m i n 时，以快速凝固镁合企薄片为坯料，可以制备出缀织性能良好的镁含金捧材。 关键词：m g a i - z n 镁合金：快速凝固；双辊；组织与性能 双辘快速凝固铡餐a z 9 1 镬含金薄片赦其组织性熊研究 a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r ec a l lb er e f i n e do b v i o u s l yb yr a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft r a d i t i o n a ls t r u c t u r a lm a t e r i a lc a nb eh i g h l yi m p r o v e d ，s oi ti s p o s s i b l et os u p p l yaf e a s i b l ew a yf o re x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y i ti s a c u r r e n t h o t s p o tt or a p a r eh i g h s t r e n g t hm a g n e s i u ma l l o yb yr a p i d s o l i d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y i nt h ep r e s e n ts t u d y , a l l o yf l u i df l o ww a sb r o k e nu p ，t h ea z 9 1m a g n e s i u ma l l o y f o i lw a sp r e p a r e db yt w i n - r o l lr a p i ds o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，a n dt h ee f f e c t so ft h er o t a t e s p e e d ，t h en o z z l ea p e r t u r e ，t h es p u r th e i g h t ，t h ea r g o np r e s s u r eo fm e l ts p u r ta n df l u i d s t r e a mc r u s h i n go ne x t e r n a lp a t t e r nw e r ea n a l y z e d ，as e to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e rw a s o b t a i n e d ，m a g n e s i u ma l l o yf o i lw h i c hh a sf i n es t r u c t u r ep r o p e r t yc a nb eo b t a i n e d t h e s t a b i l i t yo fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ff o i la t d i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a l c o n d i f i o n so fh e a tt r e a t m e n tw e r es t u d i e d ，a n dt h ee f f e c to fe x t r u s i o np r o c e s so n s t r u c t u r e p r o p e r t y o f r a p i d s o l i d i f i c a t i o ne x t r u s i o nb a rw a sa n a l y z e dt o o ，r a p i d s o l i d i f i c a t i o ne x t r u s i o nb a rw a sg a i n e d ，i t ss t r u c t u r ep r o p e r t yw a sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a l c a s ti n g o te x t r u s i o nb a r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a ta l lo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r sh a v es o m ee r i e c t s o nm a c r o d e m e n s i o no fr i b b o nc h i p ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei nt h ep r o c e s so f p r e p a r i n ga z 9 1f o i lb yr a p i ds o l i d i f i c a t i o nm e t h o d ，a n dt h ee f f e c t so fw h e e ls p e e da n d a r g o np r e s s u r eo ff l u i ds t r e a mc r u s h i n gw e r em o r eo b v i o u s 。t h et h i c k n e s s ，l e n g t h ，w i d t h a n dg r a i ns i z ed e c r e a s ea n dt h em i c r o h a r d n e s so ft h er i b b o nc h i pi n c r e a s e d 、i t ht h e i n c r e a s eo fw h e e ls p e e da n da r g o np r e s s u r eo ff l u i ds t r e a mc r u s h i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ，w h e nt h ew h e e ls p e e dw a s2 5 。1 2 m s ，t h en o z z l ea p e r t u r ew a s 零l m m ，t h es p u r t h e i g h tw a s10 0 m m ，t h ea r g o np r e s s u r eo fm e l ts p u r tw a s0 1m p a ，t h ea r g o np r e s s u r eo f f l u i ds t r e a mc r u s h i n gw a s0 。3 m p a ，t h er i b b o ne h i pw a sc o m m i n u t i o n , i tw a sa b o u t8 m m i nl e n g t ha n d0 15 m mi nt h i c k n e s sa n di t sg r a i ns i z ew a sl 3 社m ，a n dt h ea v e r a g e m i c r o h a r d n e s sw a s9 8 0 5 h v , i tw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lc a s ta l l o y h e a tt r e a t m e n to fa z 9 1r a p i ds o l i d i f i c a t i o nf o i lu n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n g p a r a m e t e rw a ss t u d i e d ，t h e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a ts i g n i f i c a n tp r e c i p i t a t e sm 9 1 7 a i l 2p r e s e n ta l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e sa f t e r h e a t i n ga t2 0 0 cf o r 霹h o u r s ，v i s i b l ea s n e c k l a c e ”t y p es t r u c t u r e ，a n dt h eg r a i ns i z ew a s a ss m a l la st h er i b b o nc h i pw h i c hd i dn o th e a tt r e a t e d ，t h em i c r o h a r d n e s sw a si n c r e a s e d t o1 1 3 7 4 h v t h eg r a i ns i z eb e c a m el a r g e rw h e nh e a t i n ga t2 5 0 。3 0 0 。i ti n d i c a t e d i l 硕士学位论文 l ! # ! e 日e e 日! 日# s 自| g ! 目! ! 自$ 自，自! 目! ! ! ! ! 目目目目* 自e ! ! e 口i i i ! ! ! ! 詈 t h a tt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o nf o i lw a ss t a b i l i t y , t h e s e c o n d a r yp r o c e s s i n go fa z 9 1r a p i ds o l i d i f i c a t i o na l l o yc o u l ds a f e l yb ec a r r i e do u tu p t o at e m p e r a t u r eo f 2 0 0 。c a l l o yb a rw a sp r e p a r e db ye x t r u d i n ga z 9 1r a p i ds o l i d i f i c a t i o nf o i la f t e rm e c h a n i c c r u s h e d ，t h ev a r i a t i o no fs t r u c t u r ep r o p e r t yo fe x t r u s i o nb a ra td i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sw a ss t u d i e d a f t e ras e r i e so fe x p e r i m e n t s ，i tw a sf o u n dt h a t r a p i d s o l i d i f i c a t i o n m a g n e s i t t ma l l o ye x t r u s i o n b a rc a nb e p r e p a r e dw h e ne x t r u s i o n t e m p e r a t u r ei s4 0 0 ua n de x t r u s i o ns p e e di so 1 m m i n ，i t ss t r u c t u r ea n dc h a r a c t e rw r e m o r ee x c e l l e n tt h a nt r a d i t i o n a lc a s ti n g o tm a g n e s i u ma l l o ye x t r u s i o nb a r k e y w o r d s ：m g - a i - z na l l o y ；r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ；t w i n - - r o l l ；m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s 1 i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑驻声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 褥瓣磅究残果。除了文孛特别擞班标没雩| 弱懿悫容终，本论文不毽含经秘其 他个人或集体已经发表或撰筠的成果作品。对本文的研究做出嫩要贡献的个 人粒集体，均已在文中以骥确方式标明。本人完全意识到本声明的法律嚣果 由本人承掇。 作者签名：蟊陬毫 酲期：砷辟；精f ；日 学位论文版权使用授权书 本学往论文俸者完全了鳞学校存美傈整、壤弱学使论文蘸溉定，两慧学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 烫爨借舞。本久授权漤毒大学爵教将本学位论文嚣全郝域部分是容缡入蠢关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密豳，在年勰密后适用本授权书。 2 、不保密船。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 习期：) 神年乡月哆日 日期：猡f 年j 其詹酲 硕士学位论文 1 1 镁及镁食金 第1 章绪论 囤兰畦0 磨。臻 瑚嚣i 瓢越 霭1 1镁晶耱鹳淼手位重鞋及圭螯的螽嚣稻鑫两 在元素周期袭中镁的原子序数为1 2 ，属第二圭族碱土金属。2 0 * ( 2 时纯镁的密度 为1 7 3 8 9 e r a ，在熔点温度下，呗态密度为1 6 5 9 c m 3 ，液态为1 5 8 9 c m 3 ，是常用 的结构材料中最轻的金属口】。由予纯镁的耐蚀性和塞激魍性差、强度和硬度低，使 缮缝镁豹主要惩途是琵测镁合叠及簇宅台金。 普逶镁合袅酌密度一般约为1 3 1 9 9 e r a 3 ，簸轻的镁合金( m g l i ) 密度仅鸯 o 9 5 9 e m 3 ，可以漂浮在水面【3 一j 】。第规镁合金比铝龠众轻3 0 5 0 ，比钢轻7 7 ， 是目前工程应用中质量最轻，比溅度最高的金属材料( 仅略低于比强度最高的纤维 增强塑料1 6 1 ) 。另外，镁合金不仅具有高的比强度、比剐度，而且其阻尼减鼹性能好、 双辊快速凝固制备a z 9 1 镁合金薄片及其缎纵性能研究 自_ _ i i _ 皇 导熬佳驽、毫磁蘑蔽效采佳、零俘尺寸稳定、辊燕工撩戆饶莛，热工匏籁仗为铝合 金的7 0 f 6 l ，尤葵易于回收利用，被誉为“2 1 世纪绿识工程金属结构材料”。 中国镁业鼠然仅有5 0 余年的发展历史【7 1 ，但是，伴随着中国市场由计划经济向 市场经济的转轨，不同规模的小型镁厂像雨后春笋般出现，已经成为国际镁业最为 有力的竞争者。灏箨雩我莺镁资源丰鬻哆镁韭可以左右爨琢市场【9 】，这对予发展我 蓬售意、轿车秘靛空靛天三大支较产魏，牙发毅鍪镁余众撵貘了登要豹绦浚。镁台 金的五丈基本系列为m g - m n 、m g * a i 、m g - z n 、m g z r 及m g r e h q 。其中，m g - r e 系合金的共晶濑魔比m g a i 、m g z n 系高的多，三价稀士元素提高了合龛的电子浓 度，可以增加镁含金的原子结合力，降低镁在4 7 3 5 7 3 k 的原子扩散速帑，特别是 镁与稀土形成豹能含物热稳定性商。般认为，m g r e 系合金中晶界辑蹴捆对鑫界 溪移弱整磅终矮怒爨镁合金奚套较薅懿矮交往襞熬象簧覆嚣。m g r e 系会金一般 可在4 2 3 5 2 3 k 下使用“。 镁合金的应用只有7 0 多年的历史，早期仅限于航空航天等军事领域。随着研 究的深入，开发f l ja e ( m g a 1 一r e ) 、a z ( m g a 1 - z n ) 、a m ( m g - a 1 一m n ) 一系列比重轻、 高温凝固性和耐腐蚀性能好的镁合众，被广泛用于宇航工业、汽车运输工般、结构 瓣辩、毫纯学( 墩子技本、光学嚣撵) 秘精密援援工业巾。运年来入餐立怒予翔镁舍 金剜造摩托车获韵极、减速辕、轮毂、减震系统等缮橡鞠运动部 譬，不仅熊降低摩 托车的重量和能耗、提高整车加速、制动性能，还能降低行驶震动和嗓音，提高驾 乘舒适度u “。由于燃耗的6 0 与爨凝有关，因此，车爨每减轻1 0 0 k g ，燃耗就减少 5 。为此，美、欧、丑都在设想开发酉公里耗油3 l 的汽车，并且用具有1 5 延伸 攀魏镁会金裁 磬擎隽f 困其酉不进纷袭蘧耱护裁缝致褥趣磐豹毳砉襄毪备受汽车工业 青辣) 【l ”，美藩禳特公司更是雄心勃瀚，在汽车上确谈了8 0 多个可戳蘑镁合金榜瓣 来替代现有的零部件，打算在未来几年里将单车使用镁念金提高到1 0 0 k g 以上【i 郇。 9 0 年代以来，电子技术与通讯技术的发展为镁合金带爿乏了更大的机遇。手机壳体、 笔记本电脑壳体、数码照相机、摄像机的壳体以逐步放弃塑料制品，而改用质轻、 楚好电磁屏蔽性、潜剐性、有诱a 垒攥光泽及可匿收髯艇豹镁合金压铸聪艘。稠爝 镁合金j 菇纯黪熬开发踅导魂憝奉季瓣、绣米耱辩等赣穗誊季辩氇将舂豢缀大浆潜力 “”。由于纯镁及熬台金的特性及具吸弓l 力，镁合金新材料被认为是2 l 煎鳃最富于 歼发，并拥有广溅商业前景和应用潜力的“绿色材料”。 由于大多数镁合金具有密排六方结构，因此人们一点认为镁合金是一种难以塑 性交形、压力加工成型性能差的金聪树辩。细化晶粒怒提高镁及其会金缘念性缝的 耋要手段，透遮绥凭鑫粒不蔽霉浚爨舞褪瓣戆强度，还溪瑷羧善其塑蠖秘辩穗。慧 外，由于晶界协调变形在镁合金的灏性变形过程中起饕相当重要的作用，瓶通过晶 粒细化可有效摄瀚其晶界协调变形能力。因此，晶粒细化在镁合金塑性加工中具有 非常重要的地位。 2 硕士学位论文 镁合金常见的晶粒细化工艺有四种：( 1 ) 合金化； ( 2 ) 快速凝固粉末冶金； ( 3 ) 铸锭热变形处理，如等径角挤压( e c a e ) 和大挤压比挤压等：( 4 ) 动态再 结晶。但是，合金化工艺提高了成本，且使回收难度增加；铸锭热变形处理，大大 增加了加工能耗；动态再结晶过程难以控制。而采用快速凝固，粉末冶金方法进行镁 合金的晶粒细化则要优越得多，随着快速凝固技术的发展，人们将快速凝固技术引 入双辊机中( 即双辊快速凝固技术) ，以更快的转速和更高的冷却速度进行加工。 这一技术的发展对于提高生产效率，细化晶粒组织，减少偏析，降低能耗等具有重 大意义。 1 2 快速凝固技术及双辊法 自d u w e z 等l l6 】成功利用枪法将液态金属高速撞击在急冷铜板上，获得了1 0 8 1 0 9 k s 的冷却速度以来，快速凝固技术被广泛用于制各过饱和固溶体、亚稳相、准 晶以及非晶态相方面。回顾快速凝固技术4 0 余年的发展历史，可分为以下三个阶 段：( 1 ) 伴随着非晶合金的问世，在随后的二十多年快速凝固技术主要用于研究和 生产非晶、微晶功能材料；( 2 ) 八十年代后，应用快速凝固技术在a 1 m n 合金中率 先发现晶体学上极具理论价值的准晶相，从而掀起了准晶研究热潮：( 3 ) 近十几年 来，研究主要集中在快速凝固材料组织与性能的定量控制与预测上。如深过冷【1 7 】、 非晶中纳米晶的析出【l8 1 、表面重熔技术【1 9 1 、以及高压下非平衡材料的制备等。非平 衡条件下材料的组织形成与控制已成为材料学界研究的新热点。 急冷技术是快速凝固技术中的一种，它占有着重要的地位。四十多年来应用急 冷快速凝固技术制造的金属材料，以常规工艺所不能企及的优异特性，在生产实际 中得到了越来越多的重视和应用。例如，非晶变压器铁芯的磁化和去磁化都比电工 钢要高的多，从而大幅度削减变压器中的功率损耗。商品化的急冷n d f e b 磁性材 料，主要用于无电刷电机，而它正是电机市场中发展最快的产品【2 0 1 。 尽管急冷技术已经得到广泛的应用，但是对于快速凝固机理的解释却远未成 熟。国外进行了大量的研究工作，着力于建立急冷技术必需的理论框架、数据资料 及急冷过程测试技术，主要的目标是把凝固热力学及动力学理论应用到合金设计的 指导中去，并期望能够控制急冷过程和终态组织。其中特别研究了热流限制、偏析 效应、金属玻璃以及亚稳相的形成规律。我国近年来应用快速凝固技术也取得了长 足的发展，已经能够连续生产九十公斤重的非晶条带，对于金属玻璃的形成机制也 进行了深入的研究。但是，对于急冷晶态合金的凝固机理却缺乏足够的重视，而超 细晶和微晶以其优越的性能及稳定性正引起人们的日益重视。 所有的急冷工艺都需要满足两个基本的要求：熔体必须形成足够薄的流态，以 确保至少在一个方向上热量能够很快散出，同时必须有足够迅速导出热量的冷却介 质。为此存在三种选择方式：使熔融金属形成小的珠状、小直径的柱状流、或者是 双蜒快速凝固刳餐a z g l 镁合垒薄片及其组织性能研究 薄的带状流。冷却介质则可以愚气体、流体溅固体表面。不同组合的产物形态依赖 于熔体凝固前的处理过程，如液滴连续固化w 聚结成带( i n 平板流铸造法) ，而液滴 攀争凝瓣爨蓦形袋耪寒藏殍片( 雾纯法) 。气抟雾纯法、超声气体雾纯法、零雾筵法、 旋转电极法和旋转擞雾化法等几种方法是怠冷快速凝固技术比较常用的方法，其中 旋转擞雾化法又包括枪法、锤蛄法、扭转弹射法、单辊和双辊等方法。单辊法和双 辊法可获德连续、致寝的会金条带，装置麓攀，能耗低，易子实现自动纯调节控制。 并且可豢接形痰产菇，免除了形成带耪静簧绞工艺审大爨鹣锻、乾、瀑火稻拉菝工 序。目前已成为制取非晶合金条带较为普遍臌用的方法。 快速凝固技术煅1 9 6 0 年才开始出现的一种研制新型合金的技术，它在对 e m o a 1 会金、改蘩3 0 4 蚕锈镪簿凝耪料鹣磺突与雾发越戮了关键蝗掺鬻；特爨是 超塑性的利用更是熟他方法所不能取代的。商关快速凝网及合金的理论研究将给材 料科学和其它有关学科注入新的活力，而且对快速凝固合鑫的微观组织结构与凝固 参数之辅豹关系、对合金相斡形成，特别是甄稳晶态相、非晶和准晶形成机制的研 究，都将对囿俸耪攥等基确瑾论糨成严竣的攥战1 2 ”。 双辊法作为净终成型技术已i 缀得到了快速发展，可连续生产薄板、箔带，已大 薰应用于工业生产。随着快速凝蹦技术的发展，人们将快遴凝固技术引入双辊机中， 戳更嫒嬲转速窝更褰戆冷帮速发遴嚣热工。遮技零熬发溪怼予提褰生产效率，纲 亿晶粒缀织，减少偏析，降低能耗等具有重大意义。在双辊薄带铸造道程中，将熔 融金属递续注入，金属液和铸辊接触后，铸辊使金属液先冷却到凝固濑度，随后产 生过冷农辊嚣上开始凝固。随着铸辊熬转动，在两辍最小阙豫驸近完成全都凝固丽 形藏缨箍薄带。 双辊快速凝固技术的工作原理为( 如图1 2 ) ：将熔融的金属液体转入喷铸坩 锅内，通入a r 气，猩一定压力的氨气作用下，熔髂以一定的速度从喷嘴压射至两 令爱裹麓转载等径羲鲶之阙，在糍缝楚影残嫔涟，垂手采鼷导煞性嶷蠢好豹紫锶受 辊轮外爨，并且在辊轮内部通承强制冷却，敞台金熔体接触两铜辊表面艏受到急冷 作用快遴凝固，迅遮形成稳定的凝固壳，随饕辊轮不断转幼，两凝固壳在辊面摩擦 力作用下趣下移动并在最，j 、缝藩处结合在一怒形成薄带，溅嚣浍辊面切线方向高速 遣塞，快速凝嗣成游带1 2 越。其审缳溢炉斡住麓为僳持钢氛内熔体温度谯熔点醵上； 氩气环为从喷嘴口聪射而出的液流提供保护气氛；而上盏通入a r 气则是为熔液压 射提供一定压力。 羁双辊法露获璧产簿疫夺予l m m 懿缝燕豢，带宽霹逸3 0 0 m m 【2 3 1 。赉手双辊工 艺用取辊冷却，冷却速度比单辊憩冷法更高，所以形成的条带表面更光滑，尺寸更 均一。因内已有很多人对双辊法进行了研究。如在双辊的辊缝下方装配个快冷熔 邀或抉冷辊，双辊工慧还可以疆采生产粉末。联澎残瓣粉寒颗粒豹形状霹戳是片旋、 锌状、不瘸潮形状或球状，对于2 0 0 u n 厚虢长片状耪末，蔡冷却速度债计达鹫1 0 5 硕士学位论文 l 愿。必了耱囊金震滚在辊缝中颧先发生凝霾，必须严赣整裁辍轮鹤敬煞条释， 辊面可采用耐热材料或金属辊面涂层碳，使辊面的蹲热系数大大减少。双辊雾化 工艺可以用来生产a l 、p b 、s n 等金属粉末，还可以用来生产非晶粉末，如n i 7 5 s i 8 8 1 7 和c 0 7 2 5 s h s b l s 等 2 4 , 2 5 。双辊法现主要用于工业大规模制取非晶态合愈游带，而用 于雾纯制粉尚处于试验阶段。 图1 2 双辊快遴凝固技术的工作原理示慧豳 1 2 1 双辊快速凝固过程 在双辊薄整铸造过程孛，连续萼馨熔融金属注入联辍袭嚣彝辊溃铡封掰嚣或匏区 域，金属滚帮铸赣接触后，铸辊使众耩滚先冷帮至凝瀚潺度，随后产垒_ 邈冷在辊嚣 上半场开始凝蕊。随着铸辊的转动，两辊面凝固层逐渐长厚，并和铸辊起向下移 动，在两辊最小间隙附近完成全部凝固而形成细晶薄带。 日本的k s h i b u y a ，f k o g i k u 等人认为【2 6 j ，一般绑晶薄带出辊时濑度值可能 是由双辊闽黧孛嫔髂弱凝露方式决是匏。实嚣生产孛，遗豢采曩l 两季孛王慧泉产生理 憋懿凝露方式，一是保证宽度方向缝踩鳄每佳；舅一个是控制全凝露点煞位置。鹜 1 3 所示为双辊法的几种凝固方式。 两辊表丽上凝固壳相遇而形成盒属薄带的位置称之为全凝固点( k i s s i n gp o i n t ) 。 当全凝固点位予辊出口处以下时，薄带脱辊后其中心部位仍有金属液体襻在，严重 稳载有可能发嫩“满钢”事故；发乏，如果全凝固点程辊出口以上时，帮在经过辊 缝之蘸已经宠残凝霞，凝霹羲薄带夔矮将受到双辊羲簇，嚣褥瓣金属薄带表嚣震量 将下降。因j 魄，控制全凝固点的彼鬣在辊出口处附避怒获得高质量薄带的关键。 双辊块速凝固劁螯a z g l 镁合衾薄片及其组织性缝研究 彝_ 墨_ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ 糕_ - _ - _ _ 嘲_ _ _ _ _ _ _ i _ _ 鼻_ _ 皇掌嘲嘲删篁_ _ _ _ _ 燃 翠x 爿“h 永呆漾 图1 3双辊法制备薄带的凝固模式 4 ( 珐2 ) ( 3 ) ，秘) 分巍为取辍缝隙宽度均麓、秀迭宽孛潮窄、中翔宽强媳窄、一边宽一边窜匏凝圈 奔式；( a ) ，( b ) 0 ) 分剐为全凝圈点在辊缝附近、辘缝上方、辊缝下方的凝围方式。 两橇间熔融金祸在凝固过程中的传热过狸已经成为研究热点。日本h i t a c h i 公司的k y a s u d a 等人粳据热传静的特点，将双辊块速凝鞭过程分为三个除段j ， 鲡匿1 4 所示。第一阶段，薅俸与辊西接触势基侠速凝固阶段，这一除毅与单辍侠 凝的情况相似，传热系数h 值比较大；第二阶段，辊面逐渐脱离凝固辩阶段，这一 阶段由于近辊面部分重熔，在辊褥与薄带之间积累了一些热量，相应媳h 值就比较 枣；第三殓爱，熔棼在毪稍力穆瘸下抉速冷帮狳段，这一狳段h 篷魄较大。 薄帮 图1 4 双辘快速凝固墨阶段示意圈 由于辊面的急冷，靠近双辊面的合金液首先形成凝网壳。牛津大学的d j m o n a g h a n 等人根据勰注式双辊法凝固壳的形成特点，将凝固区域分为四个部分 1 2 6 1 。第一令嚣蠛往予菠壤瓣遥，在辊表嚣形成凝蠢轰，程金属静蘧力律震下，凝 固壳紧贴辊面，且随辊面一起运动；第二个隈域内，凝固壳发生翘曲丽脱离辊面； 第三个隰域内，辊缝附近的薄带谯厚度方向上形成网状结构并且受到较大压载，使 褥薄豢穗对于辊霆囱矮滢动；第瓣令基域蠹薄带稳对壤嚣稳速运动，瀑壤瑟甥线方 向甩出。 6 硕士学位论文 1 2 2 双辊快速凝固组织特性 双辊快速凝固组织具有明显的对称性。从表面到薄带中心，微观组织依次为等 轴晶，胞状晶或柱状晶与树枝晶 2 1 1 。在双辊急冷过程中，金属液通过浇铸口以一定 速度注入两铸辊之间，铸辊的不断旋转以及在辊面处的凝固层随之向下移动，这两 者均使得辊间的金属液产生强制流动，这个强制对流和温度的反复变化，有可能使 正在生长的树枝状晶的根部颈缩而产生熔断，同时由于凝固壳向下移动而结合成薄 带时，凝固层受到轧制作用会产生一定量的糊状金属液，从而在熔池中产生了随着 金属液流动的小自由晶体，这些自由小晶体就有可能在两凝固壳之间成为等轴晶形 成的萌芽晶体，在合适的凝固条件下，长大而形成等轴晶区域。 k y a s u d a 等人对双辊快速凝固n i 基合金的组织和性能进行了研究【2 “，发现辊 面速度对条带的组织和性能无多大影响。通过对薄带不同部位微观形貌的观察，指 出在薄带开始凝固部分由初生枝晶组成，没有二次枝晶生成，在形状上类似于蜂窝 状结构。薄带后凝固部分中则明显存在二次枝晶。中间凝固部分的组织成白色，在 形状上介于蜂窝状与树枝状之间。通过对薄带边界和中心部分二次枝晶间距的比较 发现，随着薄带表面距离的增加，二次枝晶间距越来越小，这与传统的薄带连铸的 规律恰好相反。这与辊面和薄带之间的传热系数h 值发生变化以及薄带附近表面内 侧组织重熔有关。 英国牛津大学的d j m o n a g h a n 等人在实验用双辊铸造机上对铝合金在高速生 产条件下产生的缺陷进行模拟预测【2 6 1 。在高速情况下，表面可能出现表面跑钢 ( s u r f a c eb l e e d i n g ) 和热裂( h o tt e a r i n g ) 。表面跑钢是由于在双辊的压力作用下，富含 溶质的金属液能够通过枝晶网络结构而被压制到凝固壳表面产生的缺陷。熟裂的产 生主要与热传导的不均匀性有关。当两边较硬的材料对双辊的轧制力起支撑作用 时，凝固前沿物质将沿着辊面拉长，较软的材料则沿较硬材料形成连续介质而被水 平拉长。同时它还有较高的液相率，在两边较硬的材料拉长时产生的拉力以及本身 凝固收缩拉力的共同作用下而形成熟裂。 1 2 3 双辊快速凝固应用现状及发展 双辊快速凝固铸造技术发展相当快，双辊机又是其中研究得最多的一种铸机， 但它的工业化应用却并不顺利。主要问题是过程控制难度高和产品质量难以稳定， 这些问题在过去的十几年中得到了广泛的研究。核心问题已基本解决。大多数钢铁 公司所开发的产品目前已投入工业规模的生产。现将研究开发双辊快凝技术的几家 主要公司列于表1 1 中。 其中，韩国的浦项( p o h a n g ) 钢铁公司和英国的d a v y 公司在双辊研究方面已进 行了大量的合作。在设备的设计和研究上面已经取得了一系列的进展。法国于齐哈 7 双辊快速凝固制备a z 9 1 镁合金薄片及其躐织性能研究 尔萨疆洛尔集溺焱蠢，安装在予蠢缡公司伊簸炙尔赣镄厂静工照试验瘸双辍连铸橇 在l 小时2 0 分钟内将6 0 t 钢水喜接浇铸成3 5 0 0 m 长的薄钢带。日本的新翻铁与三 菱重工业公司歼教的双辊连铸设备甑括两个小冷辊筒，两块边侧密封堰板和一台带 钢卷曲机，使用1 0 t 钢包1 。6 t 的中间罐；日本川崎钢铁公司从8 0 年代初以来，一 袁在研究孀双辍逐铸工艺生产厚度小予l m m 静薄带，弗且已藤双辊连铸椒浇铸出 蓐度秀0 。2 8 m m 。宽麦为2 5 0 5 0 0 m m 豹n i c r - f c 会焱薄繁，这秘薄豢缀避含逶豹 后处理后将用于制作堆焊箍圈；澳大利亚b h p 公司岛日本石川岛播磨公司合资建 的双辊直接浇铸试骚设备与1 9 9 6 年2 月底首次真接浇铸带钢成功，并柱年多之 后成功达到小规模的工业生产水平f 27 1 。 囊1 1 研究弹擞戏耀抉凝技术的熏擞公司 。， 炉容辊宽辊径铸速簿度 公司国家接术 一 一 。 f e 戤f 翌婴2些望!i 型翌i 默f 坐堡! 英国钢铁 英国双辊3 0 0 04 0 0 c s m ( 伊尔瓦)意犬利双辊1 5 0 0 07 5 0 蜀立造船公司秘本双辊1 0 0 0 0 1 0 5 0 凝嚣铁公司瓣零双辊1 0 0 0 01 3 0 0 浦项钢铁公霹韩国双辊1 0 0 0 3 6 0 贝西默工程加拿大双辊2 0 02 0 0 萨西洛尔公司法国双辊9 0 0 0 8 6 5 b h p 钢铁公司 澳失利韭双辊5 0 0 01 9 0 0 我蓍在这方甏瓣磷突秘秀发凌较浚，上海镪铁臻究瑟疑1 9 8 5 年嚣始磷究双辊 式薄带连铸，并飘成功地浇铸出合格舶1 5 3 m m 厚、2 5 0 m m 宽，近3 t 爨的冷轧不 锈钢铸带，冷轧产鼎能达到国家标准要求2 7 1 。但总体面畜，此项技术在拽豳尚处于 起步阶段，与国外先进水平相比，滋存在较大差距。我们应借鉴国外一贱公司的成 功经验，加抉研究静步伐，使我国躺双辊快凝技术能尽快取褥突破。 1 3 快速凝阐镁合金 1 3 1 镁合金快速凝固方法 镁合金豹挟逡凝固方法缀多，大羧势为雾诧法、摸冷法耪气翔急冷法三类，可 叛翻各鑫粉寒、戆片、薄荣、绎缭秘薄膜获产螽。壤魏气体雾诬法是镁念余跑较零 用的雾化方法，w 以制备镁合金粉宋；模冷法可以制铸出纤维状、带状和箔片状产 品；气相急冷法则将金属蒸汽沉积谯低温基体上，冷却速度比模冷法更商，可以获 得薄膜材料。喷射沉积技术是2 0 世纪9 0 年代最新发展起来的快速凝固方法，可以 8 击埔占击巧： 撕川硝晰w 2 删螂渤郴 篇= 一 ) o o 0 ) ) o瑚愀娜伽 一 硕士学位论文 用于制备高性能镁合金材料，但目前仍处于实验室阶段。 2 0 世纪5 0 年代初，人们开始采用气体雾化法生产镁合金粉末。美国d o w 公司 的b u s k 和l e o n t i s 在气体雾化方面开展了大量的工作，并且采用气体雾化法制各了 粒度为1 0 0 - - 4 0 0 l - l m 的镁合金粉末，粉末冷却速度达1 0 3 k s 。但是，由于雾化用惰 性气体中容易混入水、氧等反应性气体，它们与镁熔体发生反应，导致粉末形状不 规则且尺寸不均匀，并且含有大量高度可燃性、粘附性的细粉末。此外，回收雾化 用的惰性气体时必须经过过滤、净化等流程，操作复杂，不便于大规模生产且不安 全。 2 0 世纪8 0 年代美国联合信号公司( a l l i e ds i g n a l ) 为了解决气体雾化时产生的 可燃性、粘附性粉末以及粉末冷却速度较低的问题，发明了平流铸造方法( p l a n a r f l o wc a s t i n gp r o c e s s ) 。这种方法能够生产宽2 0 1 0 0 m m 、厚2 0 3 0 1 t m 的薄带。1 9 8 4 年和1 9 8 6 年n e a lm o 和m e s c h t e r 分别采用双辊快速凝固法制备出了m g - l i 合金 1 2 9 1 ，其性能较普通铸造m g l i 合金提高了5 0 - 一6 0 。 2 0 世纪8 0 年代发展起来的喷射沉积技术可以用于制各高性能镁合金。l a v e m i a 和g r a n t 等最早开展了镁合金喷射成型和挤压技术的研究。他们研究了具有不同 m n 、c a 和r e 含量的喷射沉积m g a l x 合金的力学性能，高温下其强度和延展 性有极大的改善。 采用喷射沉积进行雾化沉积时，由于需要对镁合金粉末进行钝化处理，所以在 雾化介质a r 气中必须参有一定含量的氧气( 1 v o l ) 。由于过喷粉末一般很细小， 沉积后进行设备清扫和后续处理时有可能发生危险，因此必须注意安全。而雾化法 获得的粉末中存在大量的细小粉末颗粒( 2 0 0 目以下) ，这些颗粒容易悬浮在空气 中，任何热源都可能一起爆炸，从而处理起来非常困难。 因此采用双辊法或平流铸造法制备快速凝固薄带并通过一系列的高速机械粉 碎工序将薄带进一步破碎成3 5 - - 6 0 目( 粉末粒度为2 5 0 5 0 0 p , m ) 的粉末是生产镁合 金粉末的重要方法。由于这种粉末的冷却速度不取决于粉末粒度大小，因此粉末破 碎后不需要太细小，避免了微细粉末所造成的危险。 由于快速凝固的材料受冷却速度的限制，只能生产一维尺寸很小的带材、二维 尺寸很小的丝材以及三维尺寸很小的粉体。材料的尺寸因素限制了快速凝固材料的 应用范围，特别是在制备结构件方面。近年来，为了开拓新型的快速凝固材料又发 展了一门新兴的快速凝固粉末冶金技术( r s p m 技术) 。所谓r s p m 技术就是关 于通过快速凝固方法制备非晶、准晶和微晶粉末，通过粉末冶金在一直保持其亚稳 结构的前提下制备大块非晶、准晶粉末冶金材料，在保持亚稳晶态的条件下制备大 块微晶粉末金属材料的技术。粉末冶金技术中的一些通用的粉末固结成型方法如热 等静压( h i p ) 、冷等静压( c i p ) 、热压( h p ) 、真空热压( v h p ) 、热挤压等 可以用于快速凝固镁合金粉末或经过破碎加工所得粉末的成型。为了获得成型性能 9 簌壤嫒速凝霞澍罄a z 9 1 镁台金薄片发其组缓谯戆矮究 良好的合金矮锭以备后续塑性加工成型使用，要求坯锭具有高密度、粉末颗粒间结 合懿努、无疑演、无袈绞靛鹣等特性。藤结残鍪静主要工薏参数畜：鬻结或鼙疆力 和加压时间、粉末的加热温度以及保温时间等，这些参数要根据具体含金粉末状况 如粉寒颗粒的形状、救度分布，表露状态、粉末的硬度和塑性等条件来调整。疆翦， r s p m 技术j e 在迅速发展并在秘备新鹫粉末冶金幸才辩中起精非鬻重餮的作用。 l 。3 2 快速凝固镁会金的组织性熊 ( 1 ) 圃溶度扩展 固溶度扩展是快速凝固镁食金的一个重要特蔹。快速凝固镁会金中的固溶发扩 展院祝械合众仡合金的要高褥多，并虽会金元素农镁中的圈溶度随冷却速度静提高 而增大。m g a 1 系合窳经快速凝固处理腐，a l 在m g 中的最大固溶胰为9 1 a t ， 嚣掇槭会金他处理螽饺惫4 5 a t 榭2 羽。快遮凝露m g - c a ，m g 。l i 窝m g - z n 台金串魄存 在明显的固游度扩展现象。稀土元素、y 、c a 、s r 和大部分过渡金属元素固溶划镁 中w 以大幅发降低轴比( c a ) ，扩展n m g 的固溶度区间。c a 值减少，可以激发 薪豹滑移系，歇甭箍离镁台金豹整往变形能力。袄速凝固m g 。8 3 a t y 合金静c a 值为1 6 0 8 8 ，明显低于纯镁的理想值1 6 3 3 和室温值1 6 2 3 6 ，表现出极其优异的延 性。b a 盈涛予找一m g 中后c a 馕最著增加，不裂予改善镁会愈的塑性。l i 改善镁合 金激性交形熊力的俸用最显著，当镁锂台金中锂禽麓达到8 时，其c a 值为1 6 1 8 ， 塑性明显提高。 ( 2 ) 形竣瑟垂鸯藏稳褪 形成新的亚稳相艇快速凝固镁合金的又一重要特征。m g s n 和m g s i 等合盘中 形成新的丽心立方相；m g y - 熏褥土含金中可以形成3 0 0 以下稳定搽在的亚稳相： m g - x ( x = c a 、f e 、c o 、n i 、c u 、z r 、o a 、s b 、a u 或b i ) 二元合金中形成非黼褶； m g w n i 和m