[发明专利]镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于镁合金熔体处理和铸造凝固领域，具体涉及一种镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置。该检测方法与装置用于判定镁合金熔铸现场熔体处理(包括变质、孕育处理，以及添加微量合金元素等)对凝固组织晶粒尺寸的影响，通过测量熔体凝固过程的热性能特征，实现对合金凝固后的晶粒尺寸和性能的预测。

背景技术

节能和环保已经成为了当今世界的两大核心问题。镁合金作为一种新型金属材料，以其密度小、比强度和比刚度高以及能回收等优点，在航空航天、汽车、3C(计算机、通信、消费类电子)等领域获得了广泛应用。以汽车工业为例：一方面，汽车尾气排放量约占全球大气污染的65％左右；另一方面，能源紧张、油价上涨等问题日益严重。汽车减重是解决这些问题的有效措施之一。据统计分析，汽车所用燃料的60％消耗于自重，汽车自重每减少10％，油耗也将减少8％～10％。镁合金还以其良好的导电导热性、电磁屏蔽性能及易于回收利用等优点，在3C类产品结构件中，替代塑料，获得广泛使用。由此，镁合金被誉为“二十一世纪的绿色工程材料”。

合金材料的初始凝固组织对产品的最终组织和性能有重要影响，而合金成分、冶炼工艺、铸造工艺等诸多因素都对凝固过程及凝固组织产生影响。镁合金铸造凝固的晶粒尺寸是表征凝固组织和材料性能的一个重要特征参数。镁合金晶粒越细小，其力学性能和塑性加工性能越好。此外，具有细小晶粒尺寸的镁合金铸件中的金属间化合物相更细小且分布更加均匀，从而缩短均匀化热处理时间，提高均匀化处理效率。因此，得到晶粒细小的镁合金铸态组织尤为重要。为了达到晶粒细化的效果，镁合金熔体处理方法通常有熔体的变质(或孕育)处理、晶粒细化处理，以及控制合金元素种类和含量等。目前，镁合金熔体处理主要有Mg-Zn系、Mg-RE系等不含Al系镁合金的Zr细化处理；AZ31、AZ91等Mg-Al系合金的过热处理和碳(菱镁矿、C₂Cl₆等)变质等。合金元素对晶粒细化的效果则主要由于溶质原子在凝固前沿的固液界面富集，从而抑制固相枝晶长大，达到晶粒细化的效果。已报道的对镁合金具有晶粒细化效果的合金元素除Zr之外，还有Ca、Si、Sr、Al和Zn等多种合金元素。

然而，镁合金熔体处理工艺操作的经验性强，熔体处理效果受人为因素影响大，有必要对熔体处理效果进行严格且方便的检验。另外，即使处理效果非常好，处理后的熔体有时并不能及时浇注，此后熔体的静置时间的长短对熔体处理效果的影响尚不确定。理论上，熔体处理后经过一定时间，处理效果将出现衰退现象。因此，在熔铸现场，浇注前有必要对即将浇注的熔体进行重新检验，以判定熔体处理的效果，并采取相应的措施。另外，合金溶质元素对晶粒尺寸影响并没有统一的规律，有些溶质元素能够细化晶粒，而另外一些元素会导致晶粒粗大。以往，对于熔体处理以及添加合金元素对晶粒细化的效果的检验，通常采用断口检验法。打断在现场浇注的试样，肉眼观察其断口特征来判断熔体质量，此法依赖操作人员的经验，可靠性不高，且不够定量。对铸态组织直接进行显微组织观察，来评定晶粒尺寸是另一种方法。由于镁合金的凝固组织一般枝晶非常发达，常常需要采用扫描电子显微镜附属的EBSD技术才能准确区分不同晶粒，获得晶粒尺寸。采用EBSD分析镁合金铸态组织和晶粒尺寸不仅周期长，价格昂贵，并且不能在冶炼现场评价熔体处理效果以及添加合金元素的效果，不能用于熔炼和铸造现场指导工艺。迄今还没有一种方法能够在镁合金的熔铸现场快速科学地表征溶质元素及熔体处理对凝固组织晶粒尺寸的影响。因此，发展能够迅速准确表征镁合金熔体质量及凝固晶粒尺寸的检测方法对镁合金铸件质量的提高有重要意义。首先，可以针对不同合金，遴选和优化熔体变质或处理方法。其次，对一种熔体处理或变质方法优化工艺因素，确定变质剂配比、用量、变质时间等。另外，发展炉前检验，现场指导生产，从而实现现场对镁合金熔体冶金质量的监测。