CN101424651B

CN101424651B - 一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法

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Publication number: CN101424651B
Application number: CN2008102291519A
Authority: CN
Inventors: 乐启炽; 张志强; 崔建忠
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: CN101424651A

Abstract

一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法，属于材料科学领域，该方法包括以下步骤：(1)获取镁合金铸锭图像；(2)采用计算机对夹杂物面积进行图像分析处理；(3)采用金属电导率测试仪对净化处理后的镁合金电导率进行测量；(4)通过测量具有不同夹杂面积分数的镁合金材料的电导率，建立起各种镁合金材料的夹杂物含量与电导率之间的关系，根据不同镁合金材料的电导率于夹杂面积分数之间的关系，直接机算出测量部位的夹杂物面积分数。本发明的方法可以用商用便携式金属电导率测试仪测量镁合金电导率的方法来表征快速评估和表征镁合金铸造材料的净化程度。

Description

一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，特别涉及一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法。

背景技术

低密度、高比强、高比刚等诸多优点使得镁合金在航空航天工业、军工领域、交通领域、3C领域得到越来越广泛的应用，但镁合金应用中存在的主要问题包括耐蚀性差、塑性变形性能差和强度不高等，这些问题的克服与解决都直接或间接与镁合金熔体的纯净度不高有关。镁合金熔体在熔炼与铸造过程中易氧化和易燃烧，其所产生的大量非金属化合物难以与镁合金熔体良好分离。镁合金中的夹杂物不仅降低镁合金的铸造、塑性变形和热处理性能，还严重影响镁合金的机械性能、耐蚀性能、疲劳性能等服役性能，净化问题成为提高材料应用领域的十分重要的因素。因此，人们努力通过各种技术方法降低镁合金材料的夹杂程度。研究和控制镁合金材料的净化程度的关键问题是其客观和精确的评价方法。然而，如何衡量和评价镁合金材料的净化水平不仅是研究领域遇到的难题，也是镁合金生产企业的难题。

目前，用于检测液态金属夹杂物的主要方法有：(1)超声波检测法：原理是基于夹杂物耗散声脉冲能量的份额。超声波信号经发射器发射到液态金属中，在遇到夹杂物时，由于夹杂物吸收部分能量后，使信号接收器接收的返回信号能量降低。根据示波器上所显示的信号强度可以计算夹杂物的数量及大小。超声波的频率限制了所能测定的夹杂物的最小尺寸，其可检测到的夹杂物尺寸一般不小于20μm；(2)电感应区域法：原理是通过记录非导电夹杂物造成的电路断路产生的电压脉冲增加值来确定夹杂物数量与尺寸分布。该法特点是快捷，且可测量小至20μm的夹杂物。但该法不能测量具有导电能力的夹杂物，另外由于镁合金的高活性，测量中用到的电绝缘试样管难以选择；(3)真空过滤取样法：原理是靠真空通过过滤片抽取一定体积的熔融金属液和分离的夹杂物试样，称取过滤金属液质量，并对夹杂物作定量分析，最后算出单位质量金属液中所含夹杂物体积分数。该法的缺点液态金属容易从试样容器中回流到过滤器帽中，使检测结果失真。

以上方法主要是针对液态金属的检测方法，不仅设备复杂昂贵，检测成本高，而且对于镁合金来说，由于难以克服液态金属表面的快速氧化问题而在实际中难以得到应用。实际上，最终影响材料性能的是固态材料中的夹杂情况，而液体金属在凝固过程中其夹杂物形态和数量都可能发生新的变化，因此，固态金属材料中的夹杂物情况的测量对于材料性能的评价是更直接和更有意义的。目前对于固体金属材料的夹杂物检测主要通过抛光或者同时进行适当蚀刻，通过金相显微镜观察，并采用图像分析软件进行图像分析来获得各类夹杂物的面积分数(或者体积分数)，再根据各类夹杂物的影响程度进行加权统计分析，来评价材料的夹杂程度。这个过程相当繁杂，而且检测结果严重依赖于操作者的手法，结果的重现性差。此外，目前在镁合金中较成熟的固态金属材料检测方法是光亮度检测法。该法是专门用于检测镁合金中氧化物数量的技术。原理是利用夹杂物(主要是MgO)与基体金属对光的反射作用不同，反射光亮度与氧化夹杂物之间呈对应关系，根据反射光亮度可估算氧化物夹杂的数量。该法特点是可以准确测定镁合金中氧化物夹杂物的分布、数量，有利于实现测量过程的自动化。已经在DOW得到应用。但该法严重依赖于试样表面的光洁度，且也存在设备复杂昂贵、检测成本高等问题。另一种针对固态金属材料的方法是断口测试法。它是一种统计方法，最先由日本轻金属公司发明，现已成功用于对液态金属净化程度的检测。金属液浇入上平面有4个三角形槽的模中后，立刻敲断，检测断口上有无夹杂物，有夹杂物的断裂面作为1个事件，K＝有夹杂物的事件数/被检测的试样数。K值越小，金属液中夹杂物越少。对于镁合金铸造来说，铸造过程中熔体的夹杂程度会发生变化，另外检测过程也是十分繁琐，因此目前在镁合金中并没有得到应用。

电导率是物质传送电流的能力。金属材料电导率与其氧化夹杂的多少有关，试样夹杂多，电导率低，即电导率与夹杂程度有一一对应关系，因此，测量样品的电导率也是表征其纯净度的一种可行方法，目前关于此类方法的研究尚未见报道。

发明内容

针对目前镁合金材料夹杂程度评价与表征存在的一些问题，本发明提供一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法。该方法可以采用商用便携式电导率测试仪来快速评价其净化程度。

采用超声净化方法处理镁合金熔体，通过改变超声处理条件，改变熔体中夹杂物的分布，并，将完全凝固的镁合金从坩埚中取出，并从纵轴面观察与检测夹杂程度。

夹杂程度的检测方法为：

将完全凝固的镁合金从坩埚中取出，并从纵轴面观察与检测夹杂程度。

夹杂物观察步骤为：纵轴面经标准金相制备，经混合酸蚀刻10～20s，清水洗净；然后在光洗剂中浸泡5～10s，清水洗净；然后滴上酒精，用吹风机吹干；吹干后进行宏观照相；照片经图像处理后，将铸锭沿轴向等距离分为多层，用图像处理软件对夹杂物面积进行分析处理。用夹杂物的相对面积分数R_i来表征夹杂物的分布及其变化规律，其定义为：

R_{i} = \frac{A_{i}}{A} \times 100 %

式中，R_i—铸锭纵截面第i层的夹杂物面积相对于其总夹杂面积的分数；A_i—第i层的夹杂物面积；A—夹杂物总面积。

以上直接测量夹杂物面积分数的方法是对材料夹杂程度的一种直接表征，但过程较复杂，时间周期长。

电导率是表征金属材料导电能力强弱的一个重要物理量，通过研究表明，镁合金中的非金属夹杂物对材料的导电能力有很大的影响。本发明为了实现用测量电导率的方法实现对镁合金材料夹杂程度的表征，通过大量测量具有不同夹杂面积分数的镁合金材料的电导率，建立起各种镁合金材料的夹杂物含量与电导率之间的关系，进而可以采用便携式电导率测量仪测量镁合金材料的电导率以快速表征材料的夹杂程度和夹杂物分布情况，进而能够判断对应镁合金材料凝固前的熔体净化程度。

夹杂物观察步骤为：纵轴面经标准金相制备，经混合酸蚀刻10～20s，清水洗净；然后在光洗剂中浸泡5～10s，清水洗净；然后滴上酒精，用吹风机吹干；吹干后进行宏观照相获取镁合金铸锭图像；图像经处理后，将镁合金铸锭沿轴向等距离分为多层，用计算机图像处理软件对夹杂物面积进行分析处理。用夹杂物面积分数F_i表征夹杂程度，其定义为：

F_{i} = \frac{S_{i}}{S_{L}} \times 100 %

式中，F_i—夹杂物面积分数；S_i—视野中的夹杂物面积；S_L—视野总面积。

本发明的超声凝聚净化镁合金中非金属杂物的方法具体步骤如下：

将镁合金铸坯置于经过预热的坩埚中，在保护气氛下和搅拌条件下加热，搅拌速度为30～60rpm，加热到高出液相线50～120℃，使镁合金铸坯成为镁合金熔体；采用超声波发生器对镁合金熔体施加超声波，超声波频率为18～22kHz，超声波强度为0.1～6.0W/cm²，时间为10～80s；其中施加超声波的方法为：将经过预热的超声波杆插入镁合金熔体中，超声波杆的预热温度与镁合金熔体的温度相同。施加超声波结束后移出超声波杆，将镁合金熔体冷却至室温；本发明中采用的冷却方法为：镁合金熔体在超声净化温度下静置保温10～80s，然后用水冷却至室温，使镁合金熔体凝固。

本发明中的保护气氛条件为：通入CO₂/SF₆混合气体，流量为5～10ml/min，混合气体的体积比为CO₂∶SF₆＝100∶1。

本发明中坩埚的预热温度为150～300℃。

本发明中镁合金铸坯的制备方法为：

在铁坩埚中熔化金属镁及其他合金元素，在高出镁合金液相线温度50～100℃条件下和在保护气氛下进行机械搅拌，搅拌速度为30～60rpm，搅拌时间为10～15min，搅拌结束后在半连续铸造机上铸造成镁合金铸坯；将铸坯轴向的顶端和尾端各去除200mm，剩余的中间部分作为净化处理的镁合金铸坯，这样可保证原始态材料具有基本相同的净化程度。

本发明的夹杂程度检查的具体步骤为：

采用金属电导率测试仪对净化处理后的镁合金电导率进行测量，具体方法是：将镁合金铸造材料抛光后，对不同部位进行电导率测量，利用不同镁合金材料的电导率于夹杂面积分数之间的关系，可以直接计算出测量部位的夹杂物面积分数。

其中净化处理的镁合金为GW103K(Mg-(9.5～10.5)Gd-(2.5～3.5)Y-(0.45～0.6)Zr，wt.％)镁合金，AZ80+0.2Y(Mg-(7.8～9.2)Al-(0.2～0.8)Zn-(0.12～0.5)Mn-0.2Y，wt.％)镁合金和AZ31(Mg-(2.5～3.5)Al-(0.6～1.4)Zn-0.2Mn，wt.％)镁合金。

采用金属电导率测试仪对分别测量各层电导率，采用分析软件对夹杂物面积进行分析处理；结果表明：GW103K镁合金的电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝185.7-42.87σ+2.48σ²；AZ80+0.2Y镁合金电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝2601-260σ+6.5σ²；AZ31镁合金电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝369-51.65σ+1.8σ²。

本发明的主要技术特征在于：可以用商用便携式金属电导率测试仪测量镁合金电导率的方法来表征快速评估和表征镁合金铸造材料的净化程度。

附图说明

图1为本发明实施例的镁合金纵轴面分层图。

图2为本发明实施例1中超声处理强度对镁合金铸锭夹杂物相对面积分数的影响图。

图3为本发明实施例1中超声处理镁合金铸锭中不同夹杂程度的电导率变化图。

图4为本发明实施例3中超声处理强度对镁合金铸锭夹杂物相对面积分数的影响图。

图5为本发明实施例3中超声处理镁合金铸锭中不同夹杂程度的电导率变化图。

图6为本发明实施例2中超声处理强度对镁合金铸锭夹杂物相对面积分数的影响图。

图7为本发明实施例2中超声处理镁合金铸锭中不同夹杂程度的电导率变化图。

图8为本发明实施例1中镁合金铸锭电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间关系图。

图9为本发明实施例2中镁合金铸锭电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间关系图。

图10为本发明实施例3中镁合金铸锭电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间关系图。

图11为本发明采用的图像处理流程。

图12为本发明将铸锭轴向分为三层时的图像处理照片，(a)为处理前，(b)为处理后。

具体实施方式

本发明中采用SIGMASCOPE SMP 10便携式涡流金属电导率测试仪对电导率进行测量，该设备的测量范围是0.5～108％IACS，测量误差≤0.1％，所测电导率单位为IACS％。

本发明中采用的图像处理软件为北京中科科仪计算技术有限责任公司开发的SISC IASV6.0分析软件。

本发明实施例中采用的超声波发生器为自行研制的磁致式超声波发生器，频率范围为20±2kHz，功率范围0～2000W。

本发明实施例中采用的坩埚为铁坩埚。

本发明实施例中半连续铸造设备为丝杆半连续铸造机，并使用全金属内套结晶器系统进行铸造。

实施例1

在电阻加热炉的铁坩埚中熔化金属镁及其他合金元素，在高出液相线50～100℃条件下，通入CO₂/SF₆气体，流量为5～10ml/min，气体成分按体积比为CO₂∶SF₆＝100∶1，进行机械搅拌，搅拌速度为30～60rpm，搅拌时间为10～15min，搅拌结束后采用半连续铸造设备进行半连续铸造，获得镁合金铸坯；将铸坯轴向的顶端和尾端各去除200mm的部分，剩余的中间部分作为净化处理的镁合金铸坯，该镁合金为GW103K(Mg-10Gd-3Y-0.6Zr)镁合金。

将镁合金铸坯置于经过预热的带盖坩埚中，预热温度为200℃；通入CO₂/SF₆气体并加热搅拌，CO₂/SF₆气体流量为5～10ml/min，CO₂/SF₆气体成分按体积比为CO₂∶SF₆＝100∶1，搅拌速度为30～60rpm，加热到680℃，使镁合金铸坯成为镁合金熔体。净化处理装置如图1所示，坩埚尺寸如图2所示。

采用超声波发生器的超声波杆预热到680℃，插入镁合金熔体中，然后对镁合金施加超声波，超声波频率为20kHz，超声波声强分别为0.64W/cm²(总功率25W)、2.57W/cm²(总功率100W)和7.2W/cm²(总功率280W)，时间为50s；施加超声波结束后移出超声波杆，静置镁合金熔体80s，然后用水冷却至室温，使镁合金熔体凝固。

凝固的镁合金纵轴面经标准金相制备，经混合酸(1000ml水中含50ml硝酸，1ml硫酸，1ml盐酸，5g柠檬酸)蚀刻10～20s，清水洗净；然后在光洗剂(200ml水中含1g硝酸钠，20g酪酐)中浸泡5～10s，清水洗净；然后滴上酒精，用吹风机吹干；吹干后进行宏观照相；照片经图像处理后，将铸锭沿轴向等距离分为四层，用图像处理软件对夹杂物面积进行分析处理。分层方式如图3所示，处理前后的效果如图4所示。

处理结果如图5所示，超声处理前，夹杂物弥散在熔体中，经0.64W/cm²和2.57W/cm²强度超声处理后，顶层、第二层和第三层的夹杂物明显降低，其中0.64W/cm²时，顶层、第二层和第三层的夹杂物总和由原来占夹杂物总量的75％降低为30％左右，底层则由原来的25％增加到70％左右。

采用SIGMASCOPE SMP10便携式涡流金属电导率测试仪对分别测量各层电导率，采用SISCIAS V6.0分析软件对夹杂物面积进行分析处理；结果表明：GW103K(Mg-(9.5～10.5)Gd-(2.5～3.5)Y-(0.45～0.6)Zr，wt.％)镁合金不同夹杂程度的夹杂面积分数测量数值与相应的电导率之间的关系如图4。经过拟合表明，电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间满足公式：

F_i＝185.7-42.87σ+2.48σ²

实施例2

镁合金铸坯的制备方法同实施例1，该镁合金为AZ80+0.2Y镁合金。

将镁合金铸坯置于经过预热的带盖坩埚中，预热温度为300℃；通入CO₂/SF₆气体并加热搅拌，CO₂/SF₆气体流量为5～10ml/min，CO₂/SF₆气体成分按体积比为CO₂∶SF₆＝100∶1，搅拌速度为30～60rpm，加热到650℃，使镁合金铸坯成为镁合金熔体。

采用超声波发生器的超声波杆预热到650℃，插入镁合金熔体中，然后对镁合金施加超声波，超声波频率为22kHz，超声波声强分别为0.9W/cm²(总功率35W)、2.06W/cm²(总功率80W)、4.37W/cm²(总功率170W)和5.66W/cm²(总功率220W)，时间为60s；施加超声波结束后移出超声波杆，静置镁合金熔体60s，然后用水冷却至室温，使镁合金熔体凝固。

净化结果分析同实施例1，处理结果如图13所示，超声处理前，夹杂物在第三层和底层较多，顶层和第二层较少，经0.9W/cm²～5.66W/cm²强度超声处理后，顶层和第二层的夹杂量变化不大，第三层的夹杂量显著减少，底层夹杂物含量显著增加，达到90％以上，且在此超声强度范围内变化不大。

采用SIGMASCOPE SMP10便携式涡流金属电导率测试仪对分别测量各层电导率，采用SISCIAS V6.0分析软件对夹杂物面积进行分析处理；结果表明：AZ80+0.2Y镁合金不同夹杂程度的夹杂面积分数测量数值与相应的电导率之间的关系如图5。经过拟合表明，电导率σ与夹杂面积分数F_i之间满足公式：

F_i＝369-51.65σ+1.8σ²

实施例3

镁合金铸坯的制备方法同实施例1，该镁合金为AZ31镁合金。

将镁合金铸坯置于经过预热的带盖坩埚中，预热温度为150℃；通入CO₂/SF₆气体并加热搅拌，CO₂/SF₆气体流量为5～10ml/min，CO₂/SF₆气体成分按体积比为CO₂∶SF₆＝100∶1，搅拌速度为30～60rpm，加热到700℃，使镁合金铸坯成为镁合金熔体。

采用超声波发生器的超声波杆预热到700℃，插入镁合金熔体中，然后对镁合金施加超声波，超声波频率为18kHz，超声波声强分别为0.9W/cm²(总功率35W)、2.44W/cm²(总功率95W)和3.47W/cm²(总功率135W)，时间为30s；施加超声波结束后移出超声波杆，静置镁合金熔体30s，然后用水冷却至室温，使镁合金熔体凝固。

净化结果分析同实施例1，处理结果如图10所示，超声处理前，夹杂物在顶层和底层较多(与低黏度AZ31易沉降和液面易氧化有关)，中间两层较少，经0.9W/cm²～3.47W/cm²强度超声处理后，第二层和第三层的夹杂量变化不大，顶层的夹杂量显著减少，底层夹杂物含量显著增加，达到85％以上，且在此超声强度范围内变化不大。

采用SIGMASCOPE SMP10便携式涡流金属电导率测试仪对分别测量各层电导率，采用SISCIAS V6.0分析软件对夹杂物面积进行分析处理；结果表明：AZ31镁合金不同夹杂程度的夹杂面积分数测量数值与相应的电导率之间的关系如图6。经过拟合表明，电导率σ(％IACS)与夹杂面积分数F_i之间满足公式：

F_i＝2601-260σ+6.5σ²

由实施例可见，可以采用便携式电导率仪通过测量物件的电导率估计出该合金的夹杂程度，该方法能够用于工业标准牌号合金夹杂程度的快速检测。

Claims

1.一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获取镁合金铸锭图像；(2)采用计算机对夹杂物面积进行图像分析处理，用夹杂物面积分数F_i表征夹杂程度，其定义为

式中，F_i为夹杂物面积分数；S_i为视野中的夹杂物面积；S_L为视野总面积；(3)采用金属电导率测试仪对净化处理后的镁合金电导率进行测量；(4)通过测量具有不同夹杂面积分数的镁合金材料的电导率，建立起各种镁合金材料的夹杂物含量与电导率之间的关系，根据不同镁合金材料的电导率于夹杂面积分数之间的关系，直接计算出测量部位的夹杂物面积分数；其中GW103K镁合金的电导率σ与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝185.7-42.87σ+2.48σ²；AZ80+0.2Y镁合金电导率σ与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝2601-260σ+6.5σ²；AZ31镁合金电导率σ与夹杂面积分数F_i之间满足公式F_i＝369-51.65σ+1.8σ²；所述的镁合金的电导率σ单位为％IACS。

2.根据权利要求1所述的一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法，其特征在于测量镁合金电导率的具体方法是：将镁合金铸造材料抛光后，对不同部位进行电导率测量，利用不同镁合金材料的电导率于夹杂面积分数之间的关系，直接计算出测量部位的夹杂物面积分数。

3.根据权利要求1所述的一种电导率快速表征镁合金铸造材料净化程度的检测方法，其特征在于采用金属电导率测量仪测量镁合金材料的电导率以表征材料的夹杂程度和夹杂物分布情况，进而能够判断对应镁合金材料凝固前的熔体净化程度。