镁合金铸造模具中的夹杂物


镁 合金被认为可能替代铝合金在航空航天和汽车上的应用来降低车重。镁合金比铝合金要轻约35%。然而,在北美只有汽车总重量的0.3%是镁合金,而8.3%是铝合金。从总重量来说,每辆轿车只有11.02磅(5千克)的镁合金,但有264.5-308.6磅(120 – 140千克)的铝合金。

镁合金的高反应活性阻碍了其在航空航天和汽车上的广泛应用,该高活性增加了铸造过程中夹杂物的形成。夹杂物降低了镁合金的耐蚀性,增加了孔隙度,不利于表面质量,并降低力学性能,特别是极限抗拉强度和伸长率。在镁合金里主要有两类夹杂物:金属间化合物和非金属间化合物。金属间化合物夹杂物几乎总是富含铁的,而非金属间化合物夹杂物包括硫化物、氰化物、硫酸盐、氯化物、氮化物、氧化物,其中氧化物是最为主要的。

由于夹杂物有许多来源,在镁合金中避免夹杂物是困难的。夹杂物可能与空气反应形成,镁与氧气反应生成氧化镁,与卷进去的熔渣反应(如氯化镁、氯化钙)和熔渣与氧反应形成氧化镁。即使使用六氟化硫(SF6)等保护气氛,反应产物氧化镁和氟化镁会残留在熔液中。此外,熔化、浇包移动和浇注过程中的产生紊流也是镁铸件中夹杂物的来源。

很多夹杂物评估技术都可用于镁及其合金,包括简单的观测方法,如金相和断口检测,高度复杂的在线方法,如液态金属纯净度分析。因为没有行业标准研究镁合金中的夹杂物,各铸造厂使用的技术不尽相同,使得难以进行对比。

本文旨在描述夹杂物对ZE41A和AZ91D镁合金及其对组织和力学性能的影响。更好地理解和记录金属处理过程可以减少废品、提高铸件质量、降低相关的成本,这都将提高铸造厂的竞争力。通过这项研究是为了增加镁合金在航空航天和汽车工业的使用量、汽车减重、减少燃料消耗和排放的有害气体。

在很多铸造厂内,该两种合金的工序是相同的,都采用金属型铸造拉伸试样和断裂试棒,采用它们的机械性能、晶粒大小、微观组织和夹杂物含量来表征它们。微观组织、夹杂物和晶粒大小使用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜观察。机械性能使用了单轴拉伸试验进行测试。

ZE41A和AZ91D合金铸件的平均屈服强度、极限抗拉强度、延伸率在生产的开始和结束之间降低了。晶粒尺寸的检查结果、组织和夹杂物的分析表明,性能损失主要是由氧化物的积累造成的。例如,铸件抗拉强度下降了5 – 10% 和延伸率下降了20 – 30%,屈服应力也略有变化。

对于该两种合金,都观察到了晶粒尺寸从开始到结束出现了增大,但机械性能的降低主要是由于在AZ91D中的粒状Mg-Al-O夹杂物和在ZE41A合金中出现的薄膜状Mg-O夹杂物对拉伸试样的断口和断裂试棒的影响。AZ91D合金铸件夹杂物很少,但是它们比在ZE41A铸件中的夹杂物更大。本研究认识到在工业生产中夹杂物的水平变化很大,启示要建立镁合金熔体清洁处理的工业标准。这将是提高质量和加强镁合金在航空航天和汽车工业中应用的主要手段。

具有代表性地从铸造开始到结束过程中ZE41A晶粒组织的显微照片如图1所示。试样取自拉伸铸件。一开始浇注时,铸件的平均晶粒尺寸是22±1µm,到最后浇注时晶粒尺寸增加到38±7µm。对C铸造厂,在浇注开始时,铸件的平均晶粒尺寸是27±2µm,结束时晶粒尺寸增加到32±3µm。图1中的晶粒尺寸为球形,特别是在开始的时候。结束时小晶粒粗化,晶粒组织开始偏离球形。

在保温过程中,这样的粗化和偏离球形晶粒组织是由于锆的损耗,这可能是锆与铁坩埚发生反应或锆颗粒的沉降。然而,这种粗化可能不会显著地降低它的机械性能。

AZ91D铸件的晶粒组织来自于B铸造厂,生产使用拉伸金属型如图2所示,A、B和D铸造厂都有相似的微观组织和晶粒尺寸变化。在开始浇注时,铸件的平均晶粒尺寸在A、B和D铸造厂分别为77±4,49±8和63±9µm。在浇注结束时, A、B和D铸造厂的平均晶粒尺寸分别增加到112±12,58±15和78±20µm。晶粒尺寸的变化可部分归因于每个铸造厂的浇注温度范围。

晶粒组织的粗化可以归因于在保温过程中起晶粒细化的Mn-Al颗粒向细化能力低的Mn-Al-Fe转变,这在高纯度Mg-Al合金中可以观察到。AZ91D的晶粒尺寸的增加比ZE41A合金更为显著。此外,从所有铸造厂的AZ91D铸件看出,其晶粒组织较细,既包含小的球形颗粒又包含较大的不规则颗粒。这些现象都可能是由于在AZ91D中弱而少的Mn-Al精炼颗粒添加较少,这是相对ZE41A合金中添加的过剩锆而言的。

断口形貌学
夹杂物是已知的应力源,在断裂表面可以看到夹杂物说明它们在裂纹扩展中的作用。图3显示了一个初期浇注试棒中的夹杂物,该夹杂物引发了裂纹。使用EDX分析夹杂物表明其富含镁、锌和氧。夹杂物可能是Mg-O-基,还有来自于基体中的锌。夹杂物中没有铁元素说明其不是鉄基金属间化合物。图3a中的夹杂物在和镁基体接触的地方也有褶皱或裂纹缺陷。类似的结果与C铸造厂的试样一致,如图3b所示。Mg-O-基夹杂物(箭头表示)与镁基体间存在较差界面。在断裂表面Mg-O夹杂物主要成薄膜状。这些Mg-O薄膜在生产过程中不断积累,在取样、浇注和保温过程中被卷入熔融金属。这种缺陷表明,观察到的Mg-O夹杂物和镁基体为弱连接,使其在拉伸加载中成为可能的失效源。

相应的断裂表面的SEM图像呈现韧窝状特征,证实了表面上没有夹杂物。这些韧窝通常表明材料良好的延展性。B铸造厂试样的断裂表面和A铸造厂的相似,都没有夹杂物,其微观组织不包含任何明显的解理面。D铸造厂开始浇注的试样也无夹杂物。

夹杂物的评估
A和B铸造厂的一些断裂棒中看起来没有夹杂物,而最大的夹杂物区低于2%。如果准备拉伸样品,B铸造厂可能会产生非常类似于A铸造厂的铸件力学性。另一方面,C铸造厂的铸件包含最高中等大小的金属夹杂物区,最大夹杂物面积约为9%。这可以归因于这样一个事实:C铸造厂是唯一使用100%再生金属冶炼的,并且浇注温度最高,这加剧了氧化。这说明使用100%回收金属时采用清洁措施如使用过滤或氩气泡是必要的。所有的铸造厂都生产一些完全没有夹杂物的铸件。

在A和B铸造厂中,AZ91D合金中的金属间夹杂物比ZE41A合金高出了2-4倍。A和B铸造厂的AZ91D铸件中夹杂物的最大区域分别是10和25%,而在ZE41A铸件中它们分布只有1和1.5%。A和B铸造厂的夹杂物检测显示AZ91D合金倾向于较小数量的夹杂物,但比ZE41A合金夹杂物尺寸大。

也进行了类似拉伸试样断口的夹杂物分析。它们表现出类似的趋势,C铸造厂的ZE41A中夹杂物最大和B铸造厂AZ91D的夹杂物最大。B铸造厂没有提供任何ZE41A拉伸试样。有趣的是,拉伸试样中观察到的夹杂物区比裂纹试棒要小得多。因此,拉伸试样断口也可以用作代表意味着夹杂物的相对数量,但可能低估了它们的最大尺寸。AZ91D合金中的Mg-Al-O夹杂物颗粒也导致了测量出的夹杂物区域偏大,因为它们呈现为等轴形状,其覆盖的表面积比ZE41A合金中层片状的 Mg-O夹杂物覆盖的表面积大。

机械性能
ZE41A合金对生产中许多薄膜氧化夹杂物的积累非常敏感,然而AZ91D合金会形成大颗粒状夹杂物。两个合金夹杂物的积累的这种差异可能导致许多不同,包括合金氧化倾向、熔体密度和粘度,这会影响夹杂物在熔化和合金添加时如何团聚。
ZE41A合金试样中薄膜状的夹杂物分布更均匀,而AZ91D合金是颗粒状夹杂物团聚在试样表面。不可能根据夹杂物的类型薄膜状还是颗粒状来确定机械性能的降低,因为两种合金 (AZ91D或ZE41A) 类别不同。作者认为大颗粒类型的Mg-Al-O夹杂物更有害,因为它们多面特征,表面积更大和团聚在断裂表面。将来可能的研究要包括对镁合金熔体中的各种尺寸形状的夹杂物的研究,并测量显微组织和力学性能的变化。

结论
研究了多个铸造厂的ZE41A和AZ91D镁合金铸件夹杂物的类型。主要结果如下:

所有铸造厂从开始生产到结束过程中两种合金的机械性能都呈下降趋势,这主要取决于夹杂物数量和尺寸的增加。

在所有铸造厂中这两种合金从生产开始到结束的过程中晶粒尺寸逐渐增加,尤其是AZ91D合金。对于ZE41A,起晶粒细化的锆随保持时间逐渐损失是主要原因。而起晶粒细化的锰铝颗粒在保温中转变为细化效果差的组成是导致AZ91D晶粒增大的原因。

拉伸试样的断口可以用来确定的夹杂物的相对数量,但低估了它们潜在的最大尺寸。与拉伸试样相比,断裂试棒能更好地反应夹杂物的尺寸范围,这是因为断裂试棒尺寸大,取样位置多。

ZE41A合金的断裂表面含有薄膜状锰氧基夹杂物,与基体的结合较差,可能是裂纹源。AZ91D合金断口表面包含大量颗粒状锰铝氧尖晶石夹杂物以及一些较小的铁基金属间化合物夹杂物。而ZE41A合金容易受到许多小型夹杂物的影响,AZ91D合金中大型夹杂物更多一些。

ZE41A合金中的薄膜状夹杂物往往不会结块,所以相对于AZ91D合金中观察到的团聚呈多面的颗粒状夹杂物来说没有害处。

本文是发表在期刊International Journal of Metalcasting中的文章概要(Elsayed, A., Vandersluis, E., Lun Sin, S. et al. Inter Metalcast (2016))。要了解论文更多信息,请联系美国铸造协会技术部门800-537-4237。