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镁合金的晶粒细化工艺
摘要：系统介绍了镁合金的特点、应用以及分类；晶粒细化有哪些方法；适合镁合金的晶粒细化有哪些。
关键词：镁合金 晶粒 细化

一、镁合金简介
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），比强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性。
镁合金特点：1.重量轻——镁合金比重在所有结构用合金中属于轻者，它的比重为铝合金的68%，锌合金的27%，钢铁的23%，它除了做3C产品的外壳，内部结构件外，还是汽车、飞机等零件的优秀材料;2.比强度、比刚度高——镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍;3.耐振动性好——在相同载荷下，减震性是铝的100倍，钛合金的300~500倍;4.电磁屏蔽性佳——3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰;5.散热性好——一般金属的热传导性是塑料的数百倍，镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，比热则与水接近，是常用合金中最高者;
镁合金的分类：工业镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。

二、镁合金分类
1．铸造镁合金：可分为普通铸造镁合金和压力铸造镁合金。
.普通铸造镁合金：①Mg- Al- Zn、②Mg- Zn –Zr③Mg- Zn-Al, Mg- Zn-Al-Ca(ZAX)④Mg- RE→Mg-RE-Mn
.压力铸造镁合金：（1）① Mg- Al- Zn（AZ91）② Mg- Al –Mn(AM50,AM60)等
2．变形镁合金：①锻造 ②挤压 ③轧制
两者没有严格的区分，铸造镁合金AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作为变形镁合金。

三、晶粒细化的方法
晶粒细化的方法：（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。
（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。这种方法在工业生产中得到了广泛的应用。如铸铁中加入硅、钙等。
（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。

四、镁合金的晶粒细化方法
1. 过热法
过热法是将合金液过热到合适的温度范围内并保温较短时间后，快速冷却至浇注温度进行浇注的工艺。合金液过热温度的范围取决于合金的成分，一般为高于液相线150 ~ 260C。在过热温度下搅拌可进一步提高过热处理的晶粒细化效果。由于过热处理增大了镁合金液的氧化损失和吸气量，含铁量的增大降低了合金的抗蚀性能，并且增加了能量和坩埚的消耗，因而生产上已很少采用
由于过热法可通过简单的过热处理获得，人们对不同合金元素和杂质元素（主要为Fe、Mn）的作用进行了大量的研究。研究发现Al、Fe、Mn 在过热法中起重要的作用。为了获得良好过热处理效果，Al 含量应超过1%，随着铝含量的增加，合金的晶粒细化程度提高且对过热处理的响应更为迅速；Fe、Mn 含量应大于其临界最小值，但过量的Mn 反而起相反作用［6］。最近的研究发现，对于亚共晶Mg-Al 合金来说，随着铝含量的提高合金的晶粒尺寸连续减小，但铝含量较高时（大于5%）晶粒尺寸变化不大。对纯Mg-Al合金来说晶粒细化不需过热处理，加入Fe、Mn 后反而引起晶粒粗化。Zn 对过热法效果的影响几乎可以忽略，而即使含量很低时，Ti、Zr、Be 可抑制过热处理的晶粒细化作用。

2. 氯化铁法
氯化铁法是在750C左右的合金液中加入无水氯化铁（FeCl3）以细化晶粒的工艺。该法可获得与过热法相当的晶粒细化效果，其操作温度较低，并且熔体在浇注温度下至少可保持一小时而不降低晶粒细化效果。Elfinal 法只对含Mn 的合金有效且合金的含铝量大于3%，基于此人们认为其晶粒细化效果与Fe-Mn-Al 化合物作为结晶核心有关［6］。Zr、Be 元素降低了该工艺的效果，导致晶粒粗化。由于加入Fe 降低了合金的耐蚀性能，Elfinal 法未引起工业上的注意。

3.加碳变质法
加碳变质法是在熔体中加入含碳化合物以细化晶粒的工艺，该法因操作温度低、细化效果衰退小已成为Mg-Al 类镁合金最主要的晶粒细化技术［4 ~ 6，8］。加碳变质法要求合金的铝含量至少为0.5%，Zr、Be、Ti 和某些稀土元素对晶粒细化起遏止作用。可作为晶粒细化剂的含碳化合物很多，如二氧化碳、乙炔、天然气、碳酸钙、碳酸镁、固体石蜡、粒状石墨、灯黑、六氯乙烷、六氯苯等，但氯化物（六氯乙烷、六氯苯）在晶粒细化的同时兼有除气的效果，因而在工业上获得了广泛的应用。加碳变质处理过程中搅拌将进一步增强其晶粒细化效果。由于采用氯化物的变质处理过程中产生氯代烃类等有毒气体且其处理温度要求较高，因而，近年来对无氯化物晶粒细化剂方面做了很多的工作。研究表明，石蜡- 氟石- 碳混合物、以氩气为载体脉冲喷入的纯石墨粉以及Al4 C3、AlN、SiC、TiC 颗粒均具有良好的晶粒细化效果。

4．加Sr、Ca、Ti 的晶粒细化
Sr 可作为Mg-Al 合金有效的晶粒细化剂。Sr 可显著降低纯镁和低铝含量的Mg-Al 合金的晶粒尺寸，对Mg-9Al 的晶粒细化效果不明显。然而，Gruzleski 和Aliravei 的研究表明，AZ91 合金经C2 Cl6处理后，加入0.005 ~ 0.03wt%的Sr对降低晶粒尺寸和缩松具有明显的效果；Nussbaum 等人的研究也表明了Sr 对AZ91E 的细化作用，同时发现增加Sr 的加入量时合金中析出针状的Al4 Sr 和Mg2 Sr 的析出物，在较高的Sr 含量下（大于3%）合金中产生相对粗大且高度稳定的含Al 和Mg 的析出相。Ca 能明显降低纯镁的晶粒大小，同时对AZ91、AS21 和AS41 镁合金的基体和第二相具有显著的细化效果。Ti 是提高镁合金的耐蚀性能的有益元素，最近的研究表明，Ti 的加入细化了AZ91 镁合金的晶粒，同时基本上消除了沿晶界分布的粗大Mg17 Al12相，Mg17 Al12相形态趋向粒状化，Al-Ti-C 中间合金晶粒细化效果明显比Al-Ti 中间合金好。

五、结束语
本文综述了4种镁合金晶粒细化的方法:过热法、氯化铁法、加碳变质法、加Sr、Ca、Ti 的晶粒细化,通过工艺参数的优化,可将镁合金的晶粒细化至纳米级。

参考文献：
【1】2004,22(1) 刘子利、沈以赴、李子全、王蕾 铸造镁合金的晶粒细化技术。
【2】宋孚群、张青来、徐永超等 变形镁合金晶粒细化及热处理后的组织和性能。
【3】宋维锡 金属学 冶金工业出版社 1989年5月第二版。
【4】胡赓祥、蔡珣、戎咏华 材料科学基础 上海交大出版社2010年5月第三版。
【5】石德珂 材料科学基础 机械工业出版社2010年1月第二版。
【6】汪凌云、黄光胜、范永革 变形AZ31镁合金的晶粒细化 2003年6月。
【7】张世军、黎文献、余琨 镁合金的晶粒细化工艺 2001(07)。
【8】李清华 几种变质剂对镁合金组织和性能的影响 2002。