，，

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

0 引 言

5356鋁合金是以鎂為主要合金元素的變形鋁合金，具有密度小、焊接性能和耐腐蝕性能優(yōu)異、與大多數(shù)鋁合金兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，作為焊絲廣泛應(yīng)用于大型機(jī)車廂體、化工容器、交通運(yùn)輸行業(yè)中鋁合金材料的焊接[1-3]。我國生產(chǎn)的5356鋁合金焊絲在拉拔過程中容易出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，這主要是由于鋁合金焊絲中氧化雜質(zhì)含量高、晶粒細(xì)化效果差、枝晶偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致其塑性和韌性下降[4-6]。目前，我國所用的高端鋁合金焊絲絕大部分依賴進(jìn)口，生產(chǎn)技術(shù)被發(fā)達(dá)國家壟斷，因此為了掌握自主技術(shù)，我國研究者不斷進(jìn)行新型焊絲的研發(fā)[7-9]。有研究發(fā)現(xiàn)，在5356鋁合金熔煉過程中添加一些細(xì)化劑，能夠改善枝晶偏析、細(xì)化晶粒，并提高鋁合金的強(qiáng)度、塑性和韌性[10]。目前，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的晶粒細(xì)化劑主要包括Al-Ti-B、Al-Ti-B-Re、Al-Ti-C和Al-Ti-C-B。由于Al-Ti-B細(xì)化劑中的鈦元素會(huì)與鋁合金中的鋯、鉻、錳等元素發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其細(xì)化作用減弱甚至失效，而A1-Ti-C細(xì)化劑中的異質(zhì)形核核心TiC比Al-Ti-B的TiB2具有更小的聚集傾向，不會(huì)與鋯、鉻、錳等元素發(fā)生反應(yīng)，在相同含量及相同處理?xiàng)l件下，Al-Ti-C比A1-Ti-B的細(xì)化效果更好。因此，作者將Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑加入到5356鋁合金熔體中，研究了該細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和細(xì)化保溫時(shí)間對5356鋁合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原材料包括高純鋁錠(純度99.99%)、AlMg20中間合金、AlMn20中間合金、AlCr2中間合金、AlTi10中間合金、精煉劑C2Cl6、覆蓋劑(組成為KCl，MgCl2，CaCl2，CaF2)、耐火涂料(主要組成為ZnO，Na2SiO3)和Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑，均為市售。

按照表1中5356鋁合金的化學(xué)成分進(jìn)行配料，在SG2-12-13坩堝井式電阻爐中熔煉，溫度為700～750 ℃。經(jīng)除氣、扒渣后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.5%的Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑，分別保溫5，10，15，20，25 min，然后澆入到φ18 mm×130 mm的模具中。待鋁合金鑄錠冷卻后，采用電火花切割機(jī)加工成φ18 mm×10 mm的試樣。

表1 5356鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 5356 aluminumalloy (mass) %

1.2 試驗(yàn)方法

采用Phenom ProX型掃描電鏡(SEM)及X-Max型能譜儀(EDS)對Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑的微觀形貌和化學(xué)成分進(jìn)行觀察和分析。

采用Keller試劑(HF、HCl、HNO3、H2O的體積比為1∶1.5∶2.5∶95)對試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為30～60 s，在BH200MR型光學(xué)顯微鏡和Phenom ProX型掃描電鏡上觀察顯微組織。

按照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》，利用MIAPS-M軟件計(jì)算出顯微組織中晶粒的平均截距，評(píng)定試樣的晶粒度。

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》，在W-100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm·min-1，拉伸試樣的形狀與尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在AMSLER RKP450型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，缺口沖擊試樣的形狀與尺寸如圖2所示。

圖2 沖擊試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and size of impact specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 細(xì)化劑的SEM形貌

由圖3可以看出：細(xì)化劑中主要包括大量均勻分布的不規(guī)則的白色塊狀相，同時(shí)還存在一些彌散分布的極為細(xì)小的白色顆粒相；白色塊狀相為鋁和鈦元素形成的相，鋁鈦原子比為3∶1，可以判斷其為Al3Ti；細(xì)小的白色顆粒相為鈦和碳元素形成的相，鈦碳原子比為1∶1，可以判斷其為TiC。彌散分布的TiC是影響晶粒細(xì)化的關(guān)鍵因素[11]。

2.2 對顯微組織的影響

2.2.1 細(xì)化劑添加量的影響

由圖4可知:當(dāng)未添加細(xì)化劑時(shí)，5356鋁合金組織中有大量的粗大樹枝晶，當(dāng)添加細(xì)化劑后，晶粒得到不同程度的細(xì)化；隨著細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，晶粒尺寸先減小后增大，當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，晶粒尺寸最小。由圖5可以看出：當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到0.3%時(shí)，鋁合金組織中晶粒的平均截距逐漸減小，由28.2 μm減小到12.8 μm；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，晶粒的平均截距最小，晶粒尺寸最小，細(xì)化劑的細(xì)化效果最佳；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%時(shí)，晶粒的平均截距逐漸增大，晶粒尺寸增大，細(xì)化劑的細(xì)化效果減弱；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，晶粒的平均截距為21 μm，晶粒粗大，細(xì)化劑的細(xì)化效果明顯降低，但晶粒尺寸仍小于未添加細(xì)化劑的。

圖3 Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑的SEM形貌及能譜分析結(jié)果Fig.3 SEM morphology and energy spectra analysis results of Al-5Ti-0.2C refiner: (a) SEM morphology at low magnification; (b) SEM morphology at high magnification; (c) energy spectrum analysis results of position 1 and (d) energy spectrum analysis results of position 2

圖4 細(xì)化保溫15 min后添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的顯微組織Fig.4 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.2.2 細(xì)化保溫時(shí)間的影響

由圖6～圖7可以看出：隨著細(xì)化保溫時(shí)間的延長，鋁合金組織中晶粒的平均截距先減小后增大，晶粒尺寸先減小后增大；當(dāng)保溫5～15 min時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒尺寸變小，其平均截距迅速減?。划?dāng)保溫15 min時(shí)，晶粒的平均截距最小，為12.6 μm，晶粒最細(xì)小，細(xì)化劑的細(xì)化效果最明顯；當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間超過15 min后，隨著細(xì)化保溫時(shí)間的延長，晶粒的平均截距增大，晶粒變得粗大，細(xì)化劑的細(xì)化效果變差。

圖5 細(xì)化保溫15 min后添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金晶粒的平均截距Fig.5 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.3 對力學(xué)性能的影響

2.3.1 細(xì)化劑添加量的影響

由表5可以看出：鋁合金力學(xué)性能的變化趨勢基本符合晶粒尺寸的變化趨勢，與未添加細(xì)化劑的鋁合金相比，添加細(xì)化劑鋁合金的抗拉強(qiáng)度均得到了提高;當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均最大，分別為213.67 MPa和9.75%，比未添加細(xì)化劑鋁合金的分別提高了50.6%和112%；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%后，抗拉強(qiáng)度和伸長率均呈下降趨勢；添加細(xì)化劑后，鋁合金的沖擊吸收功有所提高，最大值為25.0 J，這說明鋁合金的韌性得到了提高。

圖6 細(xì)化保溫不同時(shí)間后添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的顯微組織Fig.6 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

表5細(xì)化保溫15min后添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的力學(xué)性能

Tab.5Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloycontainingdifferentmassfractionsofAl-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfor15min

細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%伸長率/%抗拉強(qiáng)度/MPa沖擊吸收功/J04．60141．9116．00．14．32176．4810．00．26．18141．8519．80．39．75213．6725．00．56．44190．7918．0

圖7 細(xì)化保溫不同時(shí)間后添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金晶粒的平均截距Fig.7 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy with 0.3wt%Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

由圖8可以看出：添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)化劑鋁合金的拉伸斷口形貌中均有亮白色的韌窩，且存在明顯的撕裂棱，為典型的韌性斷口，這說明鋁合金的塑性較好；未添加細(xì)化劑鋁合金中韌窩的大小不均勻，某些區(qū)域還出現(xiàn)了暗色的脆性斷裂特征,如圖8(a)中圓圈所示；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，韌窩的平均尺寸減小，斷口中出現(xiàn)了一些較深的韌窩，并且多處韌窩中存在較多細(xì)小顆粒,如圖8(b)中圓圈所示，這些顆粒的存在可能是導(dǎo)致鋁合金塑性難以較大提高的原因；當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，同樣能觀察到細(xì)小顆粒的存在,如圖8(c)中圓圈所示，但其數(shù)量明顯減少，并且韌窩更加細(xì)?。辉诓煌X合金試樣中均存在氣孔等熔鑄缺陷，這是造成鋁合金力學(xué)性能變差的原因。

當(dāng)細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，鋁合金的晶粒尺寸最小，此時(shí)其抗拉強(qiáng)度、伸長率、沖擊吸收功均最大，這符合細(xì)晶強(qiáng)化理論，即：晶粒細(xì)小造成相同體積內(nèi)晶界數(shù)量的增加，導(dǎo)致位錯(cuò)滑移所需的能量增大，因此抗拉強(qiáng)度提高；當(dāng)施加外力后，細(xì)小晶粒內(nèi)各部分的變形量均勻，減少了應(yīng)力集中，因此斷面收縮率和伸長率增大。

圖8 細(xì)化保溫15 min后添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.8 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

圖10 細(xì)化保溫不同時(shí)間后添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.10 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy with 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

2.3.2 細(xì)化保溫時(shí)間的影響

由表6可以看出：當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間為5 min時(shí)，鋁合金的伸長率、抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收功均較小，這是由熔鑄過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重缺陷所致；當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間為15 min時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收功最大，分別為213.67 MPa和25 J；當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間為20 min時(shí)，鋁合金的伸長率最大，為12.58%。

由圖10可以看出:當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間為5 min時(shí)，斷口中韌窩數(shù)量較少，同時(shí)存在較多完整裸露的晶粒(如圖中圓圈所示)，未產(chǎn)生斷裂；當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間為15，20 min時(shí)，斷口中韌窩數(shù)量較多且分布均勻，但保溫20 min斷口中的韌窩更深。

表6細(xì)化保溫不同時(shí)間后添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑5356鋁合金的力學(xué)性能

Tab.6Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloywith0.3wt%Al-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfordifferenttimes

細(xì)化保溫時(shí)間/min伸長率/%抗拉強(qiáng)度/MPa沖擊吸收功/J52．00128．158．0104．67176．3514．0159．75213．6725．02012．58175．6718．8256．09176．4918．0

2.4 細(xì)化機(jī)理

通過Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑顯微組織的分析可知，細(xì)化劑中存在大量的Al3Ti和TiC、TiC表面曲率大，導(dǎo)致其形核能力差，但當(dāng)許多TiC粒子聚集在一起形成TiC粒子團(tuán)后，有利形核，能夠直接成為熔煉鋁合金熔體中的異質(zhì)形核核心，又與鋁具有相同的面心立方結(jié)構(gòu)，從而使晶粒得到細(xì)化[12]。當(dāng)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%時(shí)，5356鋁合金出現(xiàn)細(xì)化效果減弱的現(xiàn)象，這是因?yàn)殡m然鋁合金熔體中TiC數(shù)量較多，但仍存在一些未被激活的粒子，需要生長抑制和成分過冷才會(huì)使其在某些位置形核[13]。當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間超過15 min后，5356鋁合金出現(xiàn)細(xì)化效果減弱的現(xiàn)象，這是因?yàn)椋涸阡X合金熔體中鈦原子容易在TiC顆粒處偏聚，形成富鈦微區(qū)，在該微區(qū)中鈦原子和鋁合金熔體發(fā)生包晶反應(yīng)而形成較多的晶核，并成為形核點(diǎn)；當(dāng)細(xì)化保溫時(shí)間過長時(shí)，鋁合金富鈦微區(qū)中鈦原子發(fā)生重熔，并均勻分散到鋁熔體中[13]。另外，其他合金元素，如錳、鉻等元素也會(huì)對晶粒細(xì)化產(chǎn)生一定的影響[14]。

3 結(jié) 論

(1) Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑能顯著細(xì)化5356鋁合金晶粒，隨著細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和細(xì)化保溫時(shí)間的延長，鋁合金晶粒尺寸先減小后增大。

(2) 添加細(xì)化劑后，鋁合金的力學(xué)性能得到提高，當(dāng)Al-5Ti-0.2C細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、細(xì)化保溫20 min時(shí)，鋁合金的伸長率最大，為12.58%，此時(shí)5356鋁合金的綜合力學(xué)性能最好。

[1] 李念奎,凌杲,聶波,等.鋁合金材料及其熱處理技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012:122.

[2] 焦好軍,胡明臣,周煉剛，等.新一代運(yùn)載火箭2219鋁合金配用焊絲研制[J].宇航材料工藝,2007，37(6):61-64.

[3] 衛(wèi)晏華,尹志民.鐵路列車車輛用大型鋁合金型材焊絲的選用與生產(chǎn)[J].有色金屬加工,2005,34(4):21-24.

[4] 張露菁,鄧鍵.日本鋁及鋁合金焊絲的現(xiàn)狀與分析[J].國外焊接,2001(12):35-37.

[5] 唐明君,吉澤升,呂新宇.5XXX系鋁合金的研究進(jìn)展[J].輕合金加工技術(shù),2004，32(7):1-7.

[6] 陳東高,劉紅偉,譚兵.中厚度7A05鋁合金MIG 焊接工藝研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2009,32(6):54-57.

[7] 紀(jì)艷卿.焊絲用5356鋁合金制備工藝的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[8] 鋁合金焊料課題組. 航天用高強(qiáng)度鋁合金焊絲研究報(bào)告[J]. 有色金屬與稀土應(yīng)用，1999(2):1-7.

[9] 黃敏,劉銘,張坤，等.鋁及鋁合金焊絲的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].有色金屬加工,2008,37(2):9-12.

[10] 劉相法,邊秀房.鋁合金組織細(xì)化用中間合金[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2012.

[11] 張森,韓延峰,王俊,等.Al-Ti-C中間合金研究進(jìn)展[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2012,41(13):49-53.

[12] CIBULA A. The grain refinement of aluminum alloy castings by additions of titanium and boron[J]. J Inst Metals,1951,80(1):1-16.

[13] 程桃祖.Al-Ti-C中間合金的制備及細(xì)化性能研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2007.

[14] 孫雪迎.Al-Ti-B、Al-Ti-C中間合金細(xì)化鋁及鋁合金機(jī)制研究[D].北京:清華大學(xué),2011.