1、产品和生产工程的新挑战 镁合金 中 的钴和锌的微观结构和磁性 摘要 基于镁和钴的轻质合金的磁性能提供了一种用磁致弹性效应测量整个结构部件上的机械载荷的新颖方式。由于钴在镁基质中的溶解度可忽略，所以磁性性质主要源自富钴沉淀物。 在合金的初始加工方法期间，合金的微结构内的含钴相的尺寸和分布可以被影响。 特别是铸造工艺中的冷却速率对所产生的磁性质具有主要影响。在这项研究中，镁钴合金是通过几种具有显著不同的冷却速率的铸造方法生产的，即重力砂铸造、重力压铸和高压压铸。 比较制造的合金的微观和相结构之间的差异，证明了高压压铸材料 具有优质的磁性和机械性能。 关键词：镁 ;钴 ;磁性材料 ;负载敏感材料 ;
2、压铸 ;砂型铸造 ;涡流测量 1.前言 在机械工程中，应变传感器 通常用于确定在结构部件的使用期间发生的机械负载和应力。 然而，常规应变传感器受空间测量的限制，因为仅直接检测在测量位置处的局部应变。此外，应变仪通常应用于零件的表面，并且可能由于机械冲击而损坏。然而，如果结构零件具有材料固有的磁特性，其可以用作负载传感器本身。 由于材料晶格的可逆变形，外部机械力暂时改变了铁磁材料的首选磁化方向1。这种磁致弹性效应导致宏观尺度上磁性能的可检测变化 2。这种变化可以通过非破坏性零件测试方法在线监测，例如涡流信号的谐波分析，并且在文献中已经报道了磁弹性力和扭矩传感器的应用（例如 3,4）。然而，这些传
3、感器元件通常由类似金属玻璃的铁磁材料制成，其通常仅限于生产薄带或线以维持非晶结构。因此，还不能获得具有高比强度和可用于加工成各种结构零件的可用磁性的轻质材料。 磁性镁合金允许在线测量在机械负载下的磁性能的变化而影响的结构零件的应力。 测量系统的基本原理由作者在 5,8中发表。然而，普通镁合金是顺磁性的 ， 为了获得具有铁磁性的镁合金，在镁熔体中混入镁合金中不常 见的钴元素来。 磁性镁合金高熔点和在镁中的低溶解度是铸造生产的主要挑战。此外，关于钴含量在百分之几的范围内对镁钴合金的磁性能和机械性能的影响的信息在文献中是罕见的 5,6。此外，通常用于提高镁合金的机械强度的钴和非磁性合金元素，如锌的相
4、互作用 7，几乎是未知的。 由重力压铸（ GDC）制造的二元 Mg-Co 合金由作者早期研究 8。这些合金在涡流测量中清楚地显示出负载敏感性能，但是它们的机械强度差，具有约 30MPa的低屈服强度。特别地， 知道 安全关键部件在操作期间的条件是重要的，并且因此这些部件适合于由于机械 负载检测 的 磁性镁合金 的调整 。另一方面，安全关键结构需要相对高的机械强度。屈服强度和极限伸长率值对于在系统故障或事故的情况下的能量吸收是重要的。 由镁合金制成的安全关键部件在工业汽车应用中不是标准解决方案。使用镁代替钢的主要目的是减轻重量。例如，如果钢制支柱塔用镁制成的零件代替，则必须执行若干任务。 Raff
5、lenbeul 通过使用镁合金代替钢来研究车体的重量减少，并分析了机械和经济要求。他认为他发明的镁组件适合用作支柱塔。可能使用的镁合金是 AZ91 或 AM50，因为其先进的机械性能 9。 因此，目前 工作强调改 善磁性和机械性能以及通过高压模铸（ HP-DC）制造的 镁钴锌 合金的精细相结构。此外，铸造和凝固过程已经被模拟 来 获得关于冷却速率的信息，其限定了铸造几何形状中的薄壁区域的微观结构。测量磁滞曲线 是为了 比较材料的磁性能和用于重力砂型铸造（ GSC）和 HP-DC 方法的微观结构。 2.实验程序 在本研究中，使用金属铸造模拟工具 Magma 5（ MAGMASOFT）来确定铸件的
6、浇注，凝固和冷却条件。目的是确定所得到的性能和取决于铸造工艺的局部冷却速率之间的关系。图 1 显示了由 HP-DC 和 GSC 处理的步进板几何结构的线框模型。微 结构研究和滞后测量的 绝对 区域由图 1b）和 1d）中的黑色矩形标记。磁滞曲线使用通过线放电加工（ EDM 线 ）制备的尺寸为 5mm5mm2mm 的矩形试样来确定。使用由 Princeton Applied Research 制造的振动样品磁强计（ VSM）进行磁滞测量。 图 1:a) b) HP-DC阶梯板铸造几何形状 , c) d) GSC,黑色矩形标记绝对区域 研究的三元磁性镁合金由含钴和锌的纯镁（ 99.95， Magn
7、esium Elektron）合金组成。合金元素的标称浓度为 4 wt.%钴（ 99.9）和 1 wt.%的锌（ 99.8）。为了制备磁性镁合金，使用了挤压的 镁钴 粉末棒的合金化工艺，以便于 促进铁磁粉末 在 镁 熔体中 的分配 。棒由 60 wt.%的纯镁和 40 wt.%的纯钴粉末的混合物组成。制造过程的细节在先前的出版物 8,10中给出。在随后的铸造实验中，镁熔体用挤出的 镁 -钴 棒接种。 磁性镁合金通过压铸法具有保护气体气氛（ N 2 + 0.3 SF 6）的电阻加热的 Nabertherm K4 / 10 炉和使用氮化硼涂覆的非合金钢坩埚制造。将基础材料熔融并保持在 730的温度
8、。在机械搅拌过程开始 时 （ 45 分钟， 300 转 /分钟），将挤出的 镁 -钴 粉末棒引入熔体中。 对于 在 GDC 条件下材料 的表征 ，将熔体流动到具有预热到 350的水平进料器的涂有氮化硼的钢模具（几何形状： 22mm 长度 250mm）中。随后，从 GDC 棒加工出具有 6mm 标称直径的标称直径的螺纹圆柱形拉伸试样。 通过重力砂铸造制造的台阶板几何结构如图 1c）所示。砂模由金红石砂制成。粘合剂由 3 wt.的 Carbophen（ HttenesAlbertus）和二氧化碳气体组成。为了在铸造过程中使熔体的氧化最小化，用保护气体填充固化的砂模的空腔。与铸造工艺相比，砂铸造工艺
9、中 的冷却速率非常低。低冷却速率通常导致缓慢的凝固过程，并因此导致具有大晶粒尺寸的微结构。相比之下，压铸工艺中的快速固化速率导致实质上更小的晶粒尺寸，其预期会影响机械性能和磁性能。 HP-DC 试验在 Frech DAK 350-40型冷室压铸机上进行。这里，使用两种不同的压铸工具 ; （ i）用于生产拉伸试样（ 6mm ）的特殊工具和（ ii）用于微结构研究的阶梯板几何形状（参见图 2 和图 3）。在准备这些实验中，将 镁钴锌 合金分成与铸造工具的注射重量相匹配的较小部分。还将由 Magnesium Elektron 提供的标准 AZ91D 合金作为参考条件。模具的温度总是设定为 160。
10、GDC 和 HP-DC 拉伸试样用于在标准拉伸试验中测定机械强度值。使用从 200至 1400N 的逐步增加的负载对镁钴锌合金的其它样品进行循环负载试验，以便测试是否可以在施加于试样的应力与其磁性之间建立相关性。在这些实验中，通过涡流信号的谐波分析来测量磁特性，如 8中所述。为了评估磁致弹性行为，三次谐波是最合适的。 镁钴锌 铸件的截面是通过使用直到 P2500 粒度的 SiC 砂纸研磨而进行金相制备的。然后，使用金刚石膏将样品抛光至 1m ，并用乙醇冲洗。使用 Zeiss LEO 1455VP 扫描电子显微镜（ SEM）的组成对比模式（背散射电子成像 ; BSE）研究 镁钴锌 合金的微观结构
11、。 11 3.结果与讨论 不同的模具几何结构与本研究中使用的技术铸造工艺，即重力砂铸造（ GSC），重力压铸（ GDC）和高压压铸（ HP-DC），使得磁性镁合金具有显着不同的冷却条件。如下所示，冷却速率是镁钴锌合金的微观结构以及机械和磁性性质的关键参数。 通过 GSC 和 HP-DC 处理的镁钴锌合金的微观结构 如在相关研究 8中所报道的，元素钴通常以共晶结构析出。这从图 2中所示的 SEM 图像也是显而易见的。 在 BSE 模式中，具有高密度的材料显示为亮的，而轻的材料为灰色。 图 2: 在 GSC 阶梯板铸造的不同部分的微观结构的比较 (SEM 图像， BSE 模式 )11 图 3: 在
12、 HP-DC步进板铸造 (SEM 图像， BSE 模式 )不同部分中的微结构的比较 11 图 2 显示了 GSC 样品的微观结构。一般来说，台阶板几何形状的窄端具有较小的晶粒，其被富钴沉淀物包围（图 2b）。 GSC 工艺导致针状的富钴沉淀和在晶界处的大共晶结构。此外，晶粒尺寸随着冷却速率的增加而减小。 在图 3中示出了 HP-DC 试样的微结构。与图 2 所示的 GSC 方 法不同，晶界区域中的富钴沉淀现在是细粒状的，并且结构是球形的而不是针状的。表 1 中给出的冷却速率影响晶粒尺寸，如在 GSC 方法中。所列值是使用 Magma5 通过放置在图 1 中的标记区域的热电偶计算的。冷却速率描述
13、了在液相线和固相线之间的固化过程中的温度下降。 表 1.两个铸造过程中冷却速率的铸造模拟结果。 铸造过程 位置 冷却速率 C/s GSC 窄端 26 宽端 2 HP-DC 窄端 1296 宽端 29 与文献相比，关于 镁钴 合金的微结构和性质的比较是困难的，因为钴不 常用作镁中的合金元素。然而，在较早的出版物中也报道了富钴共晶沉淀结构的形成。在文献 6中注意到，由于团聚的趋势，完全共晶的微观结构只能通过快速冷却来实现。这在本研究中得到证实（参见图 3b）。 GDC 和 HP-DC 样品的磁性 图 4：在镁钴锌合金的循环负载试验中测量的三次谐波的幅度 ; （ a）重力压铸条件，（ b）高压压铸条
14、件 11 通过循环加载实验研究了不同铸造工艺的镁钴锌合金的载荷传感器能力。结果总结在图 4中。通过涡流传感器测量的所有测试样品的磁性能足以区分在加载和卸载条件之间的三次谐波的值。此外，在施加 的机械负载和测量的振幅值之间存在明显的相关性。在图 4a）和 4b）中从左到右的测试序列之后，每个值是在标准化到最高测量值的相同力下的三次连续测量的平均结果。虽然 200N 的力导致比初始状态略大的振幅，但在该实验中最高的负载（ 1,400N）导致三次谐波显着增加。在 GDC 样品（图 4a）的情况下，在未加载条件下的振幅逐渐增加，直到在施加最大载荷之后它们达到恒定值。 即使在局部塑性变形开始之后，负载敏
15、感性仍然贯穿整个测量。与 GDC 条件相比， HP-DC 标本通常表现出来第三谐波的高得多的幅度（图 4b），即这种材料的磁性质在中 更加明显 。基本上，较高的幅度是有利的，因为实际信号可以更容易地区分背景噪声。此外， HP-DC 合金在测量的振幅和拉伸试样上的实际负载之间显示出几乎理想的线性相关性。除了较大的绝对值之外，在 1400N 和 50N 的负载下的幅度之间的差异似乎实际上与冷却条件无关。 除了分析作为冷却条件的函数的合金的感官性质之外，铁磁性质已经通过用振动样品磁强计（ VSM）测量的磁滞曲线来表征。有关详细信息，请参见 13。 图 5： GSC（ a）和 HP-DC（ b）样品的
16、滞后（ M（ H）曲线 图 5 显示了 VSM 测量的结果。试样的标称 铁磁性含量为 4wt.。因此，与块材料的文献值相比，测量的磁特性非常低。 通常，通过 GSC 方法制备的样品显示比 HP-DC 样品更大的饱和磁化强度。此外，两个台阶板几何形状的宽端表现出比窄端更大的饱和磁化和剩磁磁化值（参见表 2），并且随着样本的冷却速率的降低，饱和磁化强度增加。 表 2.两种铸造工艺中试样的磁特性 铸造过程 位置 强制场强 kA/m 剩磁磁化 kA/m 饱和磁化 kA/m Hc (M = 0) Mr (H = 0) GSC 窄端 0.292 0.220 0.730 宽端 20.292 0.391 1.
17、230 HP-DC 窄端 20.193 0.144 0.438 宽端 20.292 0.176 0.836 HP-DC Mg-Co-Zn 合金的机械性能 在标准拉伸试验中测定机械强度和延展性。为了分类实验镁钴锌合金的机械性能，用相同的 HP-DC参数制备由 AZ91 制成的拉伸试样。另外，将高强度镁合金（例如 AM50， ZK60 和 WE43）的文献值与表 1中的测量值进行比较。结果表明，与在先前工作 8中研究的二元 镁钴 合金相比，通过添加 锌 明显改善屈服强度。根据 Hall-Petch 关系，通过可以通过例如 HP-DC 产生的精细微结构实现强度和延展性的进一步增加。这里，发现 镁钴锌
18、 合金的屈服强度比在 GDC 条件下高84。 与商业合金 AZ91 相比， HP-DC 磁 性镁合金显示较低但仍然可接受的屈服强度。与诸如 AM50， ZK61 或 WE43 的高强度合金相比，磁性镁合金显示出低屈服强度，特别是低伸长率。有趣的是，实验合金的拉伸强度几乎与 AZ91 相同，断裂伸长率甚至更好（表 3）。应该注意，在本研究中测试的 AZ91 样品的极限拉伸强度和极限伸长率显着低于合金制造商发布的标准值 12。这可归因于铸造实验期间的具体冷却条件，其与具有不同铸造几何形状的其它 HP-DC 实验不同。 表 3：实验镁钴锌合金和参考合金 AZ91 的机械性能（平均值）（ YS：屈服强
19、度 ; UTS：极限拉伸强度 ; UE：极限伸长率） 11 合金 镁钴锌 AZ91 AM50 14 ZK61 15 WE43 15 条件 GDC HP-DC HP-DC HP-DC T6 T6 YS/MPa 70.3 129.6 152.8 110-140 180 165 UTS/MPa 135.7 187.1 187.2 180-220 310 250 UE/ % 3.5 5.9 1.5 5-9 10 2 结论和展望 在本研究中，通过涡流测量分析铸造条件对镁钴基合金的磁性能的影响。特别地，应用不同的冷却条件，通过使用与重力压铸（ GDC）和高压压铸（ HP-DC）结合的不同铸造几何形状（圆柱
20、形试验棒直径 22mm，拉伸试样直径 6mm）。此外，通过重力砂型铸造（ GSC）和高压模铸（ HP-DC）制造了台阶板 形铸造几何形状，以研究不同冷却条件对镁合金的磁性能的影响。结果可概括如下： 合金中富钴磁相的结构和分布基本上取决于冷却条件。 在 GDC 和 HP-DC条件下，可以为镁钴锌合金建立施加的试验负载和涡流信号的三次谐波的测量幅度之间的关系。 由 HP-DC 产生的试样中测得的涡流信号的三次谐波的幅度较大，即它们的磁性能更明显。 测量的滞后曲线显示出不同的剩磁和饱和磁化强度，这取决于所使用的冷却条件。尽管试样中仅有 4wt.的铁磁材料含量低，但是可以清楚地检测铁磁性在机械应力增加
21、时的变化。 HP-DC Mg-Co-Zn 合金的测量屈服强度略低于 HP-DC AZ91 的屈服强度，但极限抗拉强度几乎相同。磁性镁合金的断裂伸长率高于 AZ91。与高强度合金相比，机械性能低 。 磁性镁合金已经用于生产方程式学生赛 车的轮悬架中的负载敏感轻量部件5,8。例如轮架和推杆的负载敏感的镁部件装备有并且可以成功地使用涡流传感器，以便测试驱动期间施加的负载。将进行进一步的研究以建立在驱动期间测量的涡流信号和负载之间量化相关性。尽然最初的系列部件是通过砂型铸造制造，但这项研究表明，通过使用 HP-DC 部件可以获得更好的负载敏感性能和机械强度 。然而，随着晶粒尺寸的增加，观察到更高的磁性
22、剩余，这应该考虑组件固有的数据存储应用。 参考文献 1 R.C. OHandley, “Modern Magnetic Materials. Principles and Applications”, New York, Wiley -VCH, 2000, 218-221. 2 A. Biekowski, J. Kulikowski, “The magneto -elastic Villari effect in ferrites”, J. Magn . Magn. Mater. 19 (1980), 120-122. 3 A. Biekowski, R. Szewczyk, J. Salac
23、h, “Industrial pplication of Magnetoelastic Force and Torque Sensors” Acta Phys. Pol. A (118) (2010), 1008-1009. 4 N.B. Ekreem, A.G. Olabi, T. Prescott, A. Rafferty, M.S.J. Hashmi, “An overview of magnetostriction, its use and methods to measure these properties”, J. Mater. Process. Tech. (191) (200
24、7) 96 -101. 5 C. Klose, “Development of Magnetic Magnesium Alloys with Load -Sensitive Properties”, Hannover, Germany: PZH -Verlag, 2013, IV. 6 A.A. Nayeb-Hashemi, J.B. Clark, “The Co -Mg (Cobalt-Magnesium) system”, Bulletin of Alloy Phase Diagrams 8 (4) (1984), 352 -355. 7 Z. Yang, J.P. Li, J.X. Zh
25、ang, G.W. Lorimer, J. Robson, Review on Research and Development of Magnesium Alloys”, Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 21 (5) (2008), 313-328. 8 C. Klose, C. Demminger, G. Mroz, W. Reimche, F.-W. Bach, H.J. Maier, K. Kerber, “Influence of Cobalt on the Properties of Load -Sensitive Magnes
26、ium Alloys”, Sensors 13 (1) ( 2013), 106-118. 9 L. Rafflenbeul, “Untersuchung von Magnesium -Gussknoten in der Groserienkarosserie”, Hannover, Germany: PZH -Verlag 2010, I. 10 C. Klose, G. Mroz, G.L. Angrisani, K. Kerber, W. Reimche, F.-W. Bach, “Casting Process and Comparison of the Properties of A
27、dapted Load- Sensitive Magnesium Alloys”, Production Engineering Research Demminger, C.; Maier, H. J. (2015): Microstructure and Properties of Cobalt- and Zinc-Containing Magnetic Magnesium Alloys Processed by High-Pressure Die Casting, In: Manuel, M. V. et al. (Hg.): Magnesium Technology 2015. Proc
28、eedings of a symposium sponsored by Magnesium Committee of the Light Metals Division of The Minerals, Metals p. 451-454 12 Magnesium Elektron Datasheet 440, “Magnesium Casting lloys”, Magnesium Elektron, Manchester, UK (2006). 13 B.D. Cullity, C.D. Graham, Introduction to magnetic materials. 2 nd ed. Hoboken, N.J. Wiley; 2009. 14 C. Kammer, “Magnesium Taschenbuch”, Dsseldorf, Aluminium -Zentrale e.V., 2000. 15 H. E. Friedrich, B. L. Mordike, “Magnesium T echnology Metallurgy, Design Data, Applications”, Heidelberg, Springer, 2006.
