[发明专利]一种用于细化镁及镁合金晶粒的熔体内生氧化夹杂的孕育方法

说明书

本发明属于镁及镁合金的晶粒细化领域，公开了一种用于细化镁及镁合金晶粒的熔体内生氧化夹杂的孕育方法。方法为(1)熔化镁或镁合金：将镁或镁合金进行熔化；(2)内生氧化夹杂：将带有气孔的搅拌装置置于熔体中持续搅拌，在搅拌的过程中，将含氧气的混合气通过气孔通入熔体内部，熔体内生氧化夹杂；(3)保温孕育/浇注：内生氧化夹杂后，将熔体进行保温，浇注成型。本发明的方法实现原位内生无污染氧化物夹杂，调控氧化夹杂的颗粒状态，提供有效的异质形核基底，显著细化镁及镁合金晶粒，提高了镁及镁合金的力学性能。本发明的方法简单，易于实现，成本低廉。

技术领域

本发明属于镁及镁合金的晶粒细化领域，具体涉及一种用于细化镁及镁合金晶粒的熔体内生氧化夹杂孕育方法。

背景技术

随着航天航空、汽车及3C电子产品等产业轻量化的需求逐渐增加，镁合金作为目前最轻的金属结构材料，已经被成功应用于军用和商用器件。镁合金具有质量轻、高比强度、高比刚度、高阻尼特性、高电磁屏蔽性能以及优异铸造成形性能等特点。因此，镁合金作为结构材料也必将越来越受重视。然而，镁合金也存在绝对强度相对较低以及室温成形性能较差的缺点。对于金属材料，材料的强度和塑性变形能力与晶粒尺寸往往呈负相关。根据Hall-Petch关系，细化晶粒可以有效地提高金属材料的屈服强度和抗拉强度。另一方面，细化晶粒可以弱化晶粒内部与晶界的应变相差，使得各晶粒形变更加均匀，而因应力集中引起开裂的几率较低，塑性增加。特别对于镁合金而言，其室温下可开动滑移系较少(只有3个)，导致其Hall-Petch系数(k)较大，约为因此，通过晶粒细化可以更显著地提高其强度。对于无Al镁合金，如Mg-Zn、Mg-RE等，添加Zr是最为有效的晶粒细化方法。而针对目前商用最为广泛的Mg-Al系镁合金，晶粒细化方法主要包含碳质孕育、过热法以及添加含有异质形核颗粒的中间合金等方式。其中，已有研究表明添加Al-Ti-B/C、AlN和ZnO、Al₄C₃等中间合金或颗粒，可以有效细化Mg-Al系镁合金晶粒以及提高力学性能。

对于金属材料，在其铸锭生产过程中往往需要控制和减少粗大氧化物夹杂以避免其对于力学性能的恶化，如MgO、Al₂O₃等。然而，在钢铁熔炼过程生产中发现，适当地调控氧化物的存在形式，可以诱发晶内铁素体形核并达到细化晶粒的效果。譬如，往钢铁中添加Ti元素脱氧形成弥散分布的TiO或Ti₂O₃，促使MnS在其表面析出并在周围形成贫Mn区，最终诱发铁素体形核。另外，添加微量Mg元素可生成弥散分布的MgO或MgO·Al₂O₃颗粒，并作为铁素体异质形核核心使得晶粒发生细化。另外，当铝合金熔体中存在MgO、MgAl₂O₄等氧化物夹杂时，若能调控其形态和尺寸处于较佳状态，对铝合金晶粒细化也有一定的促进作用。综上所述，若金属材料氧化夹杂较为粗大时，会造成材料力学性能的降低。反之，如调控氧化夹杂(如MgO)的尺寸及分布状态，或促使其转化为有利的颗粒(如可异质形核或增强相)，不仅可以降低氧化夹杂对材料性能的恶化，反而能变害为利，一方面可能促进晶粒细化，另一方面还可以作为第二相起到弥散强化作用，实现夹杂的有益化利用。