楊 路, 孫 巍, 張德偉, 張書(shū)豪, 徐 鑫, 祝 哮

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

晶粒大小對(duì)鋁合金材料的性能起著較大影響，一般情況下，合金的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度和韌性越高。這就要求鋁合金材料從鑄造組織開(kāi)始，就有較為細(xì)小的晶粒，如此方可為后續(xù)加工提供良好的組織結(jié)構(gòu)。而鑄造組織中細(xì)小的晶粒具有降低組織疏松、提高補(bǔ)縮能力、提高組織均勻性、降低裂紋傾向等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而鋁合金熔鑄過(guò)程中的晶粒細(xì)化顯得尤為重要。

鋁合金鑄錠通常有3種晶粒形態(tài)，分別是柱狀晶、等軸晶和細(xì)晶組織，柱狀晶嚴(yán)重影響材料的強(qiáng)度和韌性；細(xì)小的等軸晶會(huì)降低熱裂紋傾向，但粗大的等軸晶也會(huì)降低材料的力學(xué)性能，因此必須采取各種措施來(lái)對(duì)鋁合金鑄造組織進(jìn)行晶粒細(xì)化。晶粒細(xì)化的方法有很多種，本文主要針對(duì)外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)法中的添加變質(zhì)劑法來(lái)論述，采用應(yīng)用最為廣泛的Al-Ti-B絲為試驗(yàn)材料，分析變質(zhì)劑的保溫時(shí)間對(duì)6008合金組織性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用6008鋁合金進(jìn)行鑄造分析，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。實(shí)際控制中，比標(biāo)準(zhǔn)要求更加嚴(yán)格的控制了雜質(zhì)元素含量，減小了主要元素的范圍，以便不同變質(zhì)工藝的相互比較。表2為試驗(yàn)的主要熔鑄工藝參數(shù)。

為了排除其他因素的影響，本試驗(yàn)采用相同的熔鑄工藝和設(shè)備，經(jīng)過(guò)熔體凈化后添加Al-Ti-B絲變質(zhì)劑，經(jīng)過(guò)在線除氣、除渣后鑄造，通過(guò)不同的變質(zhì)劑保溫時(shí)間來(lái)分析該工藝參數(shù)對(duì)6008合金鑄造組織的影響。其中變質(zhì)劑保溫60min為在熔煉爐內(nèi)添加Al-Ti-B絲熔化后保溫60min開(kāi)始鑄造，在線添加的添加位置為爐口后、除氣箱前。圖1為Al-Ti-B絲變質(zhì)劑的高倍圖片。

表1 6008合金化學(xué)成分(wt.%)

(a)100倍；(b) 200倍；(c) 500倍圖1 不同放大倍數(shù)的Al-Ti-B絲組織形貌Fig.1 Morphology of Al-Ti-B modifiers at different magnifications

外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)法的本質(zhì)就是增加形核點(diǎn)，大量的形核點(diǎn)會(huì)生長(zhǎng)成大量的小晶體，在此后的生長(zhǎng)中晶體之間會(huì)相互碰撞作用，抑制自身的長(zhǎng)大速度，從而形成細(xì)小的等軸晶[1]。而本試驗(yàn)中的Al-Ti-B變質(zhì)劑正是應(yīng)用該理論，如圖1中的亮灰色塊狀質(zhì)點(diǎn)即為Al3Ti，這些質(zhì)點(diǎn)通過(guò)包晶反應(yīng)使熔體形核；圖1中細(xì)小的黑色顆粒即為T(mén)iB2，熔點(diǎn)高且因不溶于鋁熔體，分布均勻，也是有效的形核質(zhì)點(diǎn)。此外，TiB2使Ti產(chǎn)生了濃度梯度，使TiB2包裹沉淀，促進(jìn)了α-Al的形核。

細(xì)化晶粒處理中，變質(zhì)劑保溫時(shí)間是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，保溫時(shí)間太短，形核質(zhì)點(diǎn)無(wú)法均勻分布；保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，變質(zhì)顆粒會(huì)聚集或分解，反而會(huì)降低晶粒細(xì)化的效果。本實(shí)驗(yàn)就是通過(guò)不同的變質(zhì)劑保溫時(shí)間來(lái)分析該參數(shù)對(duì)鑄態(tài)組織的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同工藝條件下的6008合金鑄態(tài)組織(200倍)圖片。圖3為不同工藝條件下陽(yáng)極覆膜組織形貌，從(a)到(f)的組織晶粒度分別為：00級(jí)、0級(jí)、0級(jí)、2級(jí)、2.5級(jí)、2級(jí)。

(a)工藝1邊部；(b) 工藝1心部；(c) 工藝1中部；(d) 工藝2邊部；(e) 工藝2心部；(f) 工藝2中部；圖2 不同細(xì)化工藝的6008合金鑄錠不同位置組織形貌Fig.2 Different morphology of 6008 alloy ingots with different grain refinement processes

(a)工藝1邊部；(b) 工藝1心部；(c) 工藝1中部；(d) 工藝2邊部；(e) 工藝2心部；(f) 工藝2中部；圖3 不同細(xì)化工藝的6008合金鑄錠不同位置陽(yáng)極覆膜組織形貌Fig.3 Amorphous coating morphology at different positions of 6008 alloy ingots with different refinements

由圖2可以看出，兩種工藝條件下無(wú)論是邊部、中部還是心部，沿晶處都保留著粗大、連續(xù)的鑄態(tài)金屬間共晶相，工藝2的枝晶網(wǎng)格相對(duì)密集。由圖3可得，工藝1和工藝2的鑄態(tài)組織從邊部到心部晶粒度分別在0級(jí)和2級(jí)左右，晶粒度都較為均勻，但工藝2條件下，鑄態(tài)晶粒明顯要比工藝1細(xì)小，即工藝2(在線添加Al-Ti-B絲)的細(xì)化效果更好。

因?yàn)楸驹囼?yàn)的6008合金中并未添加Zr、Cr等元素，所以排除細(xì)化劑“中毒”的可能。工藝1比工藝2變質(zhì)劑保溫時(shí)間上升了60min，過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間使變質(zhì)劑失效，失效后的變質(zhì)劑對(duì)鑄態(tài)組織細(xì)化起的作用很小，所以工藝1的鑄態(tài)組織晶粒度更加粗大。工藝1變質(zhì)劑失效有以下幾個(gè)原因，Al3Ti和TiB2的密度比鋁熔體大，長(zhǎng)期保溫靜置會(huì)使這兩種形核核心沉淀到鋁熔體底部，形核核心的減少產(chǎn)生了變質(zhì)劑的失效現(xiàn)象；Al3Ti和TiB2在較高的溫度下聚集長(zhǎng)大，同樣會(huì)使形核核心減少、變質(zhì)劑失效；熔體中Al3Ti的含量大于包晶反應(yīng)所需的Al3Ti量，因無(wú)法和TiB2形成包晶反應(yīng)，Al3Ti在高溫下陸續(xù)熔解，引起了晶粒細(xì)化作用的失效。為避免以上失效情況，在試驗(yàn)其他條件相同的情況下，需多攪動(dòng)熔體使熔體組分均勻并確立合理的保溫時(shí)間。而在實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)多的在熔煉爐內(nèi)攪動(dòng)熔體會(huì)不可避免的增加雜質(zhì)Fe的引入，工業(yè)化生產(chǎn)較難實(shí)現(xiàn)。在工藝2條件下在線添加Al-Ti-B后，熔體經(jīng)過(guò)流槽流動(dòng)、除氣箱攪動(dòng)、過(guò)濾箱攪動(dòng)，Al3Ti和TiB2已分布均勻，所以會(huì)起到良好的晶粒細(xì)化效果。

3 結(jié)論

(1)Al-Ti-B變質(zhì)劑中起晶粒細(xì)化作用的顆粒為Al3Ti和TiB2，Al3Ti和TiB2通過(guò)包晶反應(yīng)形成的顆粒是α-Al的形核核心;

(2)在其他工藝條件相同的情況下，在線添加Al-Ti-B變質(zhì)劑與保溫60min后相比，6008鋁合金鑄造組織枝晶網(wǎng)格更密集，晶粒更細(xì)小，晶粒細(xì)化效果更好;

(3)Al-Ti-B變質(zhì)劑在熔體中保溫60min后，伴隨著Al3Ti和TiB2聚集、沉淀和Al3Ti的熔解，變質(zhì)劑產(chǎn)生失效，對(duì)晶粒細(xì)化起到的作用很小。