镁合金凭借多种优越性能在汽车、航空航天及 3C 产品等工业中有着广阔的商业前景。近年来，随着 镁合金应用领域的不断扩展，市场对于镁合金板材的需 求日趋旺盛。宽幅镁合金板材主要通过开坯轧制法 生产，因此获得质量合格的大规格镁合金板坯是保证板 材质量的首要因素。半连续铸造是生产镁合金板坯的 主要方式，实际生产中主要通过调节工艺参数控制锭坯 质量。对于大规格镁合金板坯，其质量对工艺条件的变 化更加敏感，工艺条件不当时极易引起晶粒粗大、热裂、 冷裂、缩孔和疏松等缺陷。
近年来，国内外学者对镁合金的半连续铸造过程进 行了大量的研究，取得了一定成果。新的方法和技术不 断地应用于生产过程中。通过大量的研究，镁合 金半连续铸造锭坯的质量不断提高。但是研究所针对的 锭坯截面尺寸主要集中在 600 mm 以下的圆坯，对于更 大规格圆坯或板坯的研究尚处于起步阶段。本研究针对 这一情况，对截面尺寸为 300 mm×800 mm 的 AZ31 镁合金大规格板坯进行半连续铸造实验，探究了铸造速 度对板坯宏观偏析及宏观组织的影响规律。
1 实 验
      实验所用材料为 AZ31 镁合金，化学成分(质量分 数，%)为：Al 2.5~3.5；Zn 0.6~1.4；Mn 0.2~1.0；Mg 余量。合金在电阻炉内熔炼，熔炼温度为 700 ℃，经 除气、扒渣、精炼后降至 680 ℃，静置后进行半连续 铸造。实验中通过导流管将高温熔体导入分流槽中心，然后熔体经分流槽出口流入结晶器内。待稳定后在结 晶器上方安放保护罩，防止熔体氧化和保护气散失。

      本实验采用铝制内套结晶器，电磁线圈置于结晶 器水箱内部，并由电源系统提供频率为 15 Hz，强度 为 175A 的交流电。实验过程中保持其他条件不变， 仅改变铸造速度。

      板坯截面尺寸及形状如图 1 所示。图中黑色实线 为元素分布测量和宏观组织观察的位置及方向，位于 截面上厚度及宽度方向的中心。
沿板坯横截面的边部至心部取样，经水砂纸磨、 机械抛光、腐蚀后进行宏观组织观察。腐蚀剂由苦味 酸 3 g，乙醇 50 mL，蒸馏水 5 mL，冰乙酸 2 mL 组成。 通过体视显微镜拍摄宏观组织。采用化学分析的方法 测定元素 Al、Zn 和 Mn 在铸锭横截面上的分布情况。 由于铸态组织晶粒相对粗大，故采用截线法测量平均 晶粒尺寸。
2 实验结果
2.1 铸造速度对宏观偏析的影响

      不同铸造速度下元素在厚度方向和宽度方向的分 布规律如图 2 所示。从图 2 可以看出，铸造速度为 35 mm/min 时，距表面 30 mm 左右的范围内均出现严重 的反偏析。继续向板坯内部，元素分布变得均匀，在 接近中心处 Al 含量略有升高。宽向和厚向上的元素分 布规律大致相同，但宽向上元素的反偏析比厚向剧烈。 速度低于 35 mm/min 时，Al、Zn 元素在宽度方向上的 边部略出现正偏析现象，厚度方向上元素分布均匀。 铸造速度为 28 mm/min 时宽度方向上元素分布出现明 显的波动。

2.2 铸造速度对宏观组织的影响

      与铸造速度为 35 及 28 mm/min 时相比，速度为 30 mm/min 时并没有出现边部元素的剧烈偏析且整体 元素分布相对均匀。但在宽向的边部，Al 元素含量略 低。如图 3 所示，速度为 30 mm/min 时板坯表面产生 冷隔。

      不同铸造速度下板坯内部宏观组织变化规律如表 1、2 所示。可知，界面宏观组织可分为 3 个区域：表 面激冷区、柱状晶区和靠近中心的等轴晶区。铸造速 度不同，激冷区和柱状晶区的宽度发生变化，等轴晶 区内的组织有小幅的变化，但比边部组织变化小而均匀，且此区域内的宏观组织在不同铸造速度下的变化 规律也不同。不同铸造速度下获得的整体晶粒尺寸不 同，说明铸造速度对大规格板坯的晶粒尺寸有影响。

       不同铸造速度下板坯内部平均晶粒尺寸变化规律 如图 4a、4b 所示。由图可知，在所研究的范围内，铸 造速度对板坯晶粒尺寸有明显影响。位置不同，速度 对晶粒尺寸的影响规律也不同。根据不同铸造速度下 平均晶粒尺寸的变化规律，在宽度方向上，铸造速度 对晶粒尺寸的影响可分为 3 个区域，如图 4a 中 1、2 和 3 所示：1 边部区域，随铸造速度增大，晶粒尺寸 先减小后增大，铸造速度为 30 mm/min 时达到最小值； 2 距边部为 30~ 300 mm 的区域，随铸造速度增大， 晶粒尺寸先增大后减小，速度为 30 mm/min 时达到最 大值；3 中心区域，随铸造速度增大，晶粒尺寸先增 大后减小再增大，呈现波动形式。在厚度方向上，依 据相同的原则同样可划分为 3 个区域，如图 4b 中 1、 2 和 3 所示，分别为边部区域、距边部为 30~110 mm 的区域和中心区域。其在不同铸造速度下的变化规律 与宽度方向基本一致。

      铸造速度对柱状晶区宽度的影响如图 5 所示。随 着铸造速度的增加，AZ31 镁合金大规格板坯内部柱状 晶区的宽度明显减小。

3 讨论与分析
      当铸造速度为 35 mm/min 时（图 2a、2b），速度 相对较高，锭坯表面接触二冷水时温度高，冷却强度 大，枝晶形成后迅速收缩，高溶质浓度的液相沿着枝 晶间通道背流而造成元素剧烈的反偏析。中心附近 Al 含量升高是由于高温熔体从分流槽侧孔中流出时直接 到达铸锭半宽厚的 1/2 位置，此处连续受到高温熔体 的冲刷致温度较高，而熔体回流到分流槽下方时温度 已降低，此位置相对于铸锭半宽厚的 1/2 处是先凝固 的；板坯横截面中心部位虽无熔体的直接流入，但由 于高温熔体浇到分流槽中心，热量透过分流槽不锈钢 壁传到此处，使得此处温度较高，凝固较晚；因此心部铝元素含量有一定程度的降低。宽向的元素偏析比 厚向剧烈，是由于两处的冷却强度不同造成的。形状 因素使得冷却强度在宽向更大，在铸造板坯时，这是 一个普遍的现象，可通过调节冷却水流量和铸造速度 来控制。
      铸造速度降低到 30 mm/min 后（图 2a、2b），熔 体流动速度下降，而熔体在结晶器中的冷却强度相同， 造成低速铸造时，一部分熔体在接触结晶器内壁之前 即凝固而隆起。同时，不断从分流槽中流出的熔体先 越过已凝固部分，再接触结晶器内壁并凝固，故呈现 出边部后凝固而接近边部的位置先凝固，形成冷隔（图 3）。反映到元素分布上则呈现出接近边部的位置元素 含量高的现象。铸造速度为 28 mm/min 时，由于熔体 在结晶器内的停留时间继续延长，分流及冷却的不均 匀性凸显，水平截面上不同位置凝固的先后顺序发生 变化，导致元素分布不均匀。
      根据不同铸造速度条件下的元素分布图（图 2）， 可知在铸造速度降低的初期，元素的分布变得均匀。 铸造速度为 30 mm/min 时，元素分布已经较均匀，偏 析程度小。边部元素偏析的范围随速度的降低而变窄， 铸造速度为 35 mm/min 时，宽度大约为 30 mm，而铸 造速度为 30 mm/min 时，宽度大约为 20 mm，这一趋 势对于后续的加工是有利的。但当铸造速度继续下降 到 28 mm/min 时，元素在宽度方向和厚度方向上的分 布再次变得不均匀。适当降低铸造速度，熔体接受一 次冷却的时间延长，使得铸锭内温度梯度减小，凝固均匀，偏析程度减小；而过低的铸造速度反而会凸显 出一冷不同位置的冷却差别。根据以上分析，对于 300 mm×800 mm 的板坯来说，铸造速度应选 30 mm/min 左右。
       由图 4 可知，整体晶粒尺寸的变化趋势明显：随 着铸造速度的增加，晶粒尺寸先增大后减小。当铸造 速度为 30 mm/min 时，晶粒尺寸达到最大值；在铸造 速度为 35 mm/min 时，晶粒尺寸达到最小值，但是晶 粒尺寸明显不均。综上所述，32 mm/min 为本研究范围内合适的铸造速度。
柱状晶区宽度的变化源于铸造速度与温度梯度的 关系（图 5）。随着铸造速度的增加，一次冷却时间变 短，出结晶器时板坯表面温度高，二次冷却强度增加。 因此板坯近表层区域形成较大的过冷度，过冷形核机 制加强，均匀的等轴晶增加，柱状晶宽度减小。
4 结 论
1) 距离 AZ31 镁合金板坯表面 20~30 mm 范围内 存在一层明显的偏析区，板坯中心部位偏析小。适当降 低铸造速度(由 35 mm/min 减小到 30 mm/min)，宏观偏 析程度减轻；铸造速度过低（28 mm/min），元素分布 不均匀。
2) AZ31 镁合金板坯的宏观组织存在 3 个区域： 表面激冷区，粗大的柱状晶区和内部等轴晶区。随铸 造速度增加，铸锭整体晶粒尺寸先增大后减小，柱状 晶区宽度明显减小；铸造速度为 35 mm/min 时晶粒最 小，但晶粒不均匀程度增加。铸造速度为 32 mm/min 时晶粒较细且均匀，为合理的铸造速度。