趙斌南，蔣軍洪

（1.昆山市超群金屬制品有限公司，江蘇昆山215321；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

0 前言

我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)正處于強(qiáng)勁發(fā)展的階段，并且已被列為國(guó)家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，預(yù)期未來(lái)我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)年增長(zhǎng)速度將保持在20%以上。新材料行業(yè)規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域就包括高端鋁材（如高端鋁排）的開發(fā)與應(yīng)用，高端鋁合金的研發(fā)已上升到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。

鋁合金在自然凝固過(guò)程中，晶粒組織非常粗大，會(huì)導(dǎo)致材料綜合性能降低。為改善其晶粒組織，一般的做法是在鑄造過(guò)程中進(jìn)行晶粒細(xì)化。在鑄造過(guò)程中添加晶粒細(xì)化劑是一種快捷方便、經(jīng)濟(jì)有效的方法[1]。

鋁鈦硼絲細(xì)化劑受多方面因素影響，如添加方式、添加量、原始組織、鈦硼比例等，其對(duì)鋁合金的細(xì)化效果差異比較大。其中鋁鈦硼絲的組織和鈦硼比例對(duì)鑄態(tài)晶粒的細(xì)化效果起決定性作用。本文主要研究在鑄棒生產(chǎn)過(guò)程中加入不同類別的進(jìn)口鋁鈦硼絲對(duì)鋁排產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1 鋁鈦硼絲質(zhì)量

取兩種不同進(jìn)口鋁鈦硼絲試樣，對(duì)其化學(xué)成分、顯微組織及晶粒細(xì)化能力進(jìn)行分析。

1.1 化學(xué)成分

兩種不同進(jìn)口鋁鈦硼絲化學(xué)成分如表1所示。

表1 進(jìn)口鋁鈦硼絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

從表1可以看到，兩種不同進(jìn)口鋁鈦硼絲均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（YS/T 447.1-2011）A級(jí)，AlTi5B0.2的Fe雜質(zhì)含量比AlTi5B1稍高，兩種鈦絲的Si和V含量相當(dāng)。

1.2 金相組織

兩種鋁鈦硼絲的金相組織如圖1和圖2所示。

通過(guò)對(duì)兩種鋁鈦硼絲金相顯微組織進(jìn)行分析，總結(jié)TiAl3、TiB2、Al2O3及鹽類附著物、硼化物的數(shù)量、大小等現(xiàn)象，其結(jié)果見表2。

圖1 AlTi5B0.2典型顯微組織

圖2 AlTi5B1典型顯微組織

表2 兩種不同進(jìn)口鋁鈦硼絲顯微組織分析

從表2可知，兩種鋁鈦硼絲的TiAl3的平均尺寸及單個(gè)最大尺寸大小相當(dāng)，TiB2都未發(fā)現(xiàn)有團(tuán)聚的現(xiàn)象，但是AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長(zhǎng)度總和都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)AlTi5B0.2。

1.3 晶粒細(xì)化能力

檢驗(yàn)方法：將鋁鈦硼絲樣品以0.2%的比例加入到Al99.70%的純鋁中，然后攪拌均勻，2min后，在710～720℃下澆鑄、取樣。樣塊中間橫截面為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)面，將樣品表面切削研磨拋光后，在顯微鏡下檢測(cè)晶粒的尺寸，加入兩種鋁鈦硼絲的金相組織見圖3和圖4。

圖3 加入AlTi5B0.2的金相圖片

圖4 加入AlTi5B1的金相圖片

從圖3和圖4金相圖片分析可知，加入AlTi5B0.2的合金的平均晶粒尺寸是126μm，而加入AlTi5B1的合金的平均晶粒尺寸是104μm，顯然AlTi5B1的晶粒細(xì)化能力比AlTi5B0.2強(qiáng)。

2 試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)材料選擇6063合金，鑄棒規(guī)格為φ308mm。按照鑄棒正常生產(chǎn)工藝，如相同廢料添加比例、精煉次數(shù)，使用相同的除氣箱和過(guò)濾箱，對(duì)兩種不同進(jìn)口鋁鈦硼絲的鋁排產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)（考慮AlTi5B0.2的晶粒細(xì)化能力相對(duì)較弱，試驗(yàn)中適當(dāng)加大其用量）。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 兩種不同鋁鈦硼絲對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，使用AlTi5B1的鋁排產(chǎn)品質(zhì)量（鋁排產(chǎn)品黑線檢出率）明顯差于AlTi5B0.2。

3 分析與討論

鋁合金的晶粒細(xì)化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)晶粒細(xì)化機(jī)理的觀點(diǎn)非常多，主要有：包晶反應(yīng)理論、相圖理論、原子結(jié)構(gòu)理論、碳化物/硼化物粒子理論等，這些理論從不同角度解釋晶粒細(xì)化現(xiàn)象，眾說(shuō)紛紜。但有一點(diǎn)結(jié)論是肯定的：即鈦化合物是可以細(xì)化晶粒的，而硼元素的加入能顯著增加其晶粒細(xì)化效果，質(zhì)點(diǎn)TiAl3、TiB2是α-Al基體的結(jié)晶中心[2]。

TiAl3粒子有片狀、花瓣?duì)詈蛪K狀等，其中由于塊狀是三維尺寸生長(zhǎng)成緊密形的等軸晶體，有三個(gè)晶面面向熔體，成核機(jī)會(huì)大幅增加，所以TiAl3塊狀粒子的細(xì)化效果是最好的。片狀TiAl3以二維枝晶方式長(zhǎng)大，溶解速度慢、細(xì)化效果較差，而花瓣?duì)頣iAl3的熔解和細(xì)化特性基本介于片狀和塊狀之間。TiAl3粒子越細(xì)小，分布越均勻，細(xì)化效果越好[3]。

TiB2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，熔煉溫度下不與鋁熔體發(fā)生反應(yīng)。由于TiB2對(duì)鋁熔體具有良好的潤(rùn)濕性，鋁原子在其界面上堆積，鋁鈦硼絲加入后，TiAl3的熔解提供了過(guò)剩的鈦，由于鈦的化學(xué)活性非常高，在TiB2界面上偏析形成TiAl3沉淀薄層，此層經(jīng)過(guò)包晶反應(yīng)使α-Al成核。TiB2越均勻細(xì)小，細(xì)化效果越好。但TiB2自身團(tuán)聚，尺寸過(guò)大的話，就不能成為結(jié)晶核心，失去細(xì)化效果，同時(shí)也容易造成后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

AlTi5B1的TiB2粒子數(shù)量是AlTi5B0.2的五倍，因此，其細(xì)化能力比較強(qiáng)，從而AlTi5B0.2的使用量相比AlTi5B1，需要增加。但正是由于AlTi5B1鈦絲的TiB2含量多，TiB2與Al2O3的親和力非常強(qiáng)，在鋁鈦硼絲生產(chǎn)過(guò)程中容易由于TiB2粒子的濃度過(guò)大而導(dǎo)致產(chǎn)生TiB2團(tuán)聚及TiB2粒子和氧化鋁的附著物。從上述檢測(cè)分析報(bào)告也可以看出，AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長(zhǎng)度總和都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)AlTi5B0.2。這些附著物隨著鈦絲的添加進(jìn)入到鋁熔體中，導(dǎo)致后續(xù)鋁排產(chǎn)品的黑線增加。

4 結(jié)論

（1）兩種進(jìn)口鈦絲化學(xué)成分、顯微組織和晶粒細(xì)化效果都符合我國(guó)有色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長(zhǎng)度總和都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)AlTi5B0.2。

（2） AlTi5B0.2中TiB2粒子數(shù)量不足，在使用時(shí)，每噸鋁比AlTi5B1增加0.4kg。

（3）對(duì)于高端產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如鋁排產(chǎn)品，鋁鈦硼絲優(yōu)選AlTi5B0.2。