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镁科研:铸造镁合金晶粒细化研究进展

浏览:43 发表时间:2020-08-29 09:59:05

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综述概要

镁合金由于其高比强度、比刚度,具有良好的减重效果和对环境污染小,在汽车工业中的应用越来越多。减小铸造镁合金的晶粒尺寸可以有效的改善材料的硬度、强度、耐磨性、延展性和耐蚀性等。金属和合金在凝固过程中的晶粒细化方法主要有:①在凝固过程中增加冷却速度;②在熔体中加入合金元素,使溶质原子在固液前沿富集,造成成分过冷,从而限制晶粒的长大;③在熔体中加入作为晶粒细化剂的固体颗粒或原位生成颗粒,增加凝固过程中形核晶粒的数量;④在熔融金属凝固前或凝固过程中进行机械搅拌、超声空化或电磁力搅拌。

近日,来自英国布鲁内尔大学的Erdem Karakulak博士等人综述了镁及其合金晶粒细化的文献,简要总结了铸造金属晶粒细化理论,介绍了近年来工业生产镁合金铸件所采用的晶粒细化方法,并对其未来发展方向进行了讨论。

  1. 对于Mg-Al合金而言,加碳是一种有效的晶粒细化方法,在工业上已有成熟应用,但人们对其晶粒细化机理还不清楚。该方法仅在添加铝(通常铝含量大于2%)的镁合金中有效,且Be、Zr、Ti和稀土元素的存在对晶粒细化有不良影响。
  2. 在Mg-Al合金中添加SiC颗粒可以降低晶粒尺寸,但其机理尚不明确。一些研究者认为,当SiC加入熔体中时,形成了Al4C3,并起到形核剂的作用;另一些研究者则认为Al2MgC2形成起形核剂的作用;还有人认为Mg颗粒直接在SiC颗粒上形核。
  3. 对于不含铝的镁合金,添加Zr是有效的晶粒细化方法。然而,Mg-Zr晶粒细化剂的生产成本高,而且通常在熔体中会加入过量的Zr以保证细化效果,增加了工艺成本。Mg和Zr密度的差异导致Zr颗粒沉降在坩埚底部,需要搅拌熔体以达到有效的晶粒细化。另外还需关注的是,Zr晶粒细化剂的有效性取决于Zr的粒度分布。
  4. NbB2、 ZrB2、Mg24Y5 、TiB2 等颗粒在含铝镁合金里展现出良好的晶粒细化效果,但晶粒细化效果还有待进一步提高。边边模型可以为这种晶粒细化方法提供有用的信息。
  5. 除了添加晶粒细化剂,近年来也报道了适用于含铝和不含铝镁合金的超声波晶粒细化技术和高强熔体剪切晶粒细化技术。高强熔体剪切晶粒细化技术通过在熔体中产生大量的MgO作为形核剂而有效的细化晶粒。
  6. 综上所述,尽管研究工作已经进行了几十年,但仍然没有一种经济可靠的晶粒细化技术可用于工业生产。镁合金的晶粒细化剂研究还存在以下问题:1)含铝镁合金仍然缺乏有效的晶粒细化剂;2)不含铝镁合金的晶粒细化效果还需要进一步提高。因此,有必要进行更多的研究工作,如进一步了解铁、锰等杂质对含铝镁合金晶粒细化的影响,研究不同方法的晶粒细化效率与镁合金纯度的关系等,寻找镁合金微观组织细化的新方法,以扩大镁及其合金的应用。






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综述发表

该综述发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2019年第七卷第3期:

[1] E. Karakulak, A review: Past, present and future of grain refining of magnesium castings, Journal of Magnesium and Alloys 7(3) (2019) 355-369.






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中文摘要

镁是最轻的结构金属,在汽车、运输、航空和航天等领域有着重要应用。目前对于提升现有镁合金的性能、开发新合金体系已有一定研究。减小晶粒尺寸是提高金属材料各项性能的一个重要途径。本文对镁合金晶粒细化的相关文献进行了综述。文章主要由三个部分组成,包括:(1)过去使用、现已不使用的晶粒细化方法,(2)目前工业上使用的晶粒细化方法,(3)新开发的、将来可能在工业上使用的新方法。本文在介绍镁合金的晶粒细化方法之前,还对金属的晶粒细化进行了概述。






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Abstract

Magnesium is the lightest constructional metal, which makes it an important material for different applications like automotive, transportation, aviation and aerospace. There are several studies about developing properties of existing Mg alloys and introducing new alloy systems to industrial producers. An important way to improve properties of metallic materials is to decrease grain size that results almost in increasing all kind of properties of the material. This review paper aims to summarize the literature about grain refining of magnesium alloys. The text is consisting of three sections, which focused on the (1)grain refining methods used in the past, which are not used today, (2)grain refining methods currently being used in the industry and (3)novel and newly developed methods that may find usage in the industry in future. Before explaining grain refining methods of magnesium alloys a general summary about grain refinement of metals is also provided.


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