不同铸造冷却速度下AZ91镁合金凝固组织与力学性能变化的研究

康洪岩

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江 哈尔滨 150066）

由于AZ91镁合金在我国社会多个生产领域有着广泛的应用，引起了社会关于AZ91镁合金铸造工艺的讨论热，从而发现了当采用不同方法时，AZ91镁合金的凝固组织以及力学性能存在着差异，究其原因在于铸造冷却速度的不同。而目前对于这一规律并未进行系统的总结，相关研究实证成果也较少，因此，此次研究具有重要的现实意义。

1 不同铸造冷却速度下AAZZ9911镁合金凝固组织变化情况

本次研究以AZ91镁合金为对象，使用坩埚电阻炉进行熔炼，为了避免出现氧化燃烧情况，熔炼时将覆盖剂均匀的撒在了熔体表面。当熔体加热温度上升到750℃后，转至精炼，保温20min，并对熔体进行充分搅拌，等待温度下降，在700℃时将拥有不同冷却速度的铸型浇入，得到试棒。而待温度达到600℃时，浇注砂型、金属型、随炉冷却金属型、水冷金属型四种铸型，并获得试棒。待试棒冷却后，选择距离其底部位置25mm处进行取样，通过抛光等多项处理后获得金相样品。冷却过程中，从四种铸型方法来看，砂型耗时最高、水冷金属型耗时最少，具体来讲砂型的平均冷却速度为1.2（℃·s-1）、金属型为10.6（℃·s-1）、随炉冷却金属型为6.4（℃·s-1）、水冷金属型为16.5（℃·s-1）。

为了对四种铸造冷却速度下镁合金的凝固组织变化情况进行对比，使用显微镜对试样组织情况进行观察，发现AZ91镁合金的大部分微观组织为灰白色基体α-Mg以及拥有不同形貌的第二相。其中砂型铸造试样的微观组织有着晶界分明、间距宽大、尺寸较大的晶粒，伴有分散性点状析出相；随着冷却速度的变化，枝状晶的间距呈缩小状态，晶粒的尺寸也有所变化，这是最慢的铸造冷却速度，也正是由于冷却时间长，导致晶粒有了更充分的时间发展，所以导致晶粒普遍偏大，可以更充分的析出溶质元素。而冷却速度提升后，AZ91镁合金凝固组织中析出了更多的A1原子，晶粒析出的溶质元素形成了一层富集层，从而刺激α-Mg晶核的生长，导致其越来越多，生长速度也越来越快，如果为树状将会有二次或三次枝晶臂出现。[1]这种情况随着冷却速度的增快愈发明显，从而使AZ91镁合金凝固组织得到了更好的细化。

同时，观察中对不同铸造冷却速度下晶粒的微观尺寸数据进行了统计，发现随着冷却速度的提升，晶粒微观尺寸越来越小，例如砂型镁合金的平均晶粒尺寸为166.2/μm，而水冷金属型镁合金的平均晶粒尺寸为42.5/μm，这种情况的出现主要是因为冷却速度的提升导致晶粒形核能量以及尺寸发生了变化，晶粒也得到了细化，析出的溶质元素不再具有充足的能力进行扩散以及晶粒细化。

2 不同铸造冷却速度下AAZZ9911镁合金力学性能变化情况

此次研究选择了四种不同铸造方法，有4种不同冷却速度，每种铸造方法获得的试样经过5次拉伸，统计了其抗拉强度、拉伸性能的力学性能参数，从而可以确定不同铸造冷却速度对AZ91镁合金的力学性能有着直接的影响。抗拉强度以及伸长率与冷却速度为正相关关系，当冷却速度上升后，AZ91镁合金的抗拉强度以及伸长率也处于增长状态，如砂型铸造方法下获得试样的抗拉强度为150MPa，而水冷金属型铸造方法下获得试样的抗拉强度为170MPa；砂型铸造方法下获得试样的伸长率为140%，而水冷金属型铸造方法下获得试样的伸长率为160%。从而可以得出结论：冷却速度的增加可以实现力学性能的双重强化。

在上述分析中，发现冷却速度的增加使晶粒尺寸逐步缩小，这样能够使AZ91镁合金的凝固组织更加紧密，从而提升了AZ91镁合金的强度以及抗变形能力；而随着冷却速度的提升，AZ91镁合金的第二相也受到了强化，这就导致AZ91镁合金的韧性以及塑性等力学参数都得到了优化。

3 结论

综上所述，文章对不同铸造冷却速度下AZ91镁合金凝固组织以及力学性能变化情况进行了总结，可以看出，凝固组织与力学性能的变化与铸造冷却速度有直接关系：凝固组织中的晶粒会随着冷却速度的提升出现尺寸变小的情况；而随着冷却速度的提升，AZ91镁合金的力学性能有了优化，能够获得更高质量的镁合金。