宋 偉，王圣波，蘆 靜

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721000； 2.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)與信息學(xué)院，海南 ?？?570100；3.火箭軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710025)

ADC12鋁合金由于其熔體的流動性好，合金耐蝕性好、比強度高和易切削等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于在汽車、摩托車等機械制造行業(yè)[2]。但是，常規(guī)ADC12鋁合金鑄件枝晶發(fā)達、晶粒粗大、力學(xué)性能較差，這使其不能在汽車發(fā)動機缸體、缸蓋等關(guān)鍵零部件上發(fā)揮優(yōu)勢[3]。細小均勻的晶粒組織是保證鑄件獲得優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素之一[4]。目前細化晶粒手段主要有物理方法和化學(xué)方法兩類[5]：物理方法主要包括快速冷卻法、機械物理細化法和物理場細化法等，但需要配備相關(guān)特殊設(shè)備，操作難度大，細化效果不理想；化學(xué)方法是熔煉過程中將晶粒細化劑加入鋁熔體，促進異質(zhì)形核或抑制晶核生長來獲得細小均勻的組織[6]。目前采用化學(xué)方法將細化劑加入鋁熔體來細化鑄造組織是最簡易有效的方法[7]。鋁合金晶粒細化處理的研究主要集中在變形鋁合金上[8-12]，Al-Si系鑄造鋁合金的晶粒細化雖然也受到關(guān)注[13-15]，但關(guān)于ADC12鋁合金的細化效果的研究報道仍較少。為了進一步提升ADC12鋁合金鑄件的綜合性能，本課題采用Al-5Ti-1B的細化劑試驗研究ADC12鋁合金鑄態(tài)晶粒組織的細化效果，為ADC12鋁合金鑄件晶粒細化處理工藝在生產(chǎn)中應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗條件與方法

試驗用料：ADC12鋁合金錠(化學(xué)成分見表1)，Al-5Ti-1B細化劑。將ADC12鋁合金錠放在SG2-7.5-12型電阻爐中進行熔化，待熔體溫度升至740 ℃時，分別用鐵鉗將不同配料量的Al-5Ti-1B細化劑(加入質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)夾住壓入ADC12鋁合金熔體，保溫不同時間(2 min、5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、90 min、120 min)，利用高效除氣精煉熔劑除氣，扒渣后，在720 ℃時將熔體澆注于兩種模具中：①拉伸試樣的金屬型模具(模具型腔刷水玻璃涂料，在200 ℃下烘烤30 min)，澆注獲得標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，其尺寸見圖1。采用UTM5000型萬能電子材料試驗機，測定ADC12鋁合金的室溫力學(xué)性能指標(biāo)。②宏觀和微觀金相試樣的Φ50 mm×100 mm石墨鑄型，制取宏觀和微觀金相試樣，宏觀試樣腐蝕劑采用體積分數(shù)為60%HCl+30%HNO3+5%HF+5%H2O的為M5腐蝕劑。微觀金相試樣腐蝕劑采用體積分數(shù)為0.5%HF試劑，采用XJZ-6A光學(xué)顯微鏡、Hitachis-3000N/H型掃描電子顯微鏡觀察ADC12鋁合金的顯微組織。

表1 ADC12鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of ADC12 Al alloy(wt%)

圖1 ADC12鋁合金拉伸試樣Fig.1 The tensile specimen of ADC12 Al alloy

2 試驗結(jié)果

2.1 Al-5Ti-1B細化劑加入量對ADC12鋁合金細化效果的影響

圖2是ADC12鋁合金熔體溫度升至740 ℃時，將不同質(zhì)量分數(shù)Al-5Ti-1B加入合金熔體，保溫10 min之后，鑄態(tài)的顯微組織。圖3為對應(yīng)的宏觀晶粒組織。由圖2可知，未添加細化劑(圖2a)和Al-5Ti-1B細化劑的添加量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為0.1%時(圖2b)，初生α-Al枝晶發(fā)達且粗大、呈現(xiàn)典型的樹枝狀。當(dāng)加入量為0.2%時(圖2c)，α-Al枝晶明顯變的細小均勻。但是，當(dāng)繼續(xù)增加Al-5Ti-1B加入量，α-Al枝晶開始出現(xiàn)粗化傾向，如圖2d-f，甚至回復(fù)至未細化時的晶粒尺寸。由圖3也可以看出，當(dāng)Al-5Ti-1B加添加量為0.2%時，ADC12鋁合金的組織細小均勻，細化效果最佳，宏觀晶粒尺寸最小，加入量大于或小于0.2%時晶粒細化效果變差。

圖2 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12鋁合金鑄態(tài)顯微組織Fig.2 As-cast microstructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of addition of Al-5Ti-1B

圖3 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12鋁合金鑄態(tài)宏觀組織Fig.3 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of Al-5Ti-1B

圖4為ADC12鋁合金力學(xué)性能隨Al-5Ti-1B加入量的變化趨勢。從圖4可以看出，未添加Al-5Ti-1B細化劑時其抗拉強度為189 N/mm2，伸長率只有1.51%；當(dāng)合加入0.1%Al-5Ti-1B細化劑后，ADC12鋁合金抗拉強度和伸長率明顯升高；當(dāng)細化劑加入量增加到0.2%時，合金的常溫抗拉強度達到265 N/mm2，提高了40.2%，而伸長率達到2.55%，表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能；隨著Al-5Ti-1B加入量進一步增加，合金的力學(xué)性能逐漸變差。

圖4 Al-5Ti-1B加入量對ADC12鋁合金鑄態(tài)力學(xué)性能的影響Fig.4 Influence of different Al-5Ti-1B additions on as-cast mechanical properties of ADC12 Al alloys

2.2 熔體中加入Al-5Ti-1B不同保溫時間對ADC12鋁合金細化效果的影響

圖5是ADC12鋁合金熔體添加0.2%的Al-5Ti-1B經(jīng)不同保溫時間后鑄態(tài)的宏觀晶粒組織形貌。從圖5可以看出，保溫時間為10 min晶粒細化效果最佳，為細小均勻的等軸晶。當(dāng)保溫時間小于10 min宏觀晶粒組織粗大且有明顯的柱狀晶區(qū)；隨著保溫時間延長(大于10 min)，細化效果逐漸衰退。

圖5 熔體中加入細化劑不同保溫時間的ADC12鋁合金鑄態(tài)宏觀組織Fig.5 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined with different holding time

3 分析與討論

TiB2粒子熔點很高(2 980 ℃)，在鋁熔體中溶解度小[16-17]，穩(wěn)定性高，而且與α-Al的晶格結(jié)構(gòu)相差較大，因此，TiB2粒子并不能成為鋁的有效形核中心，而是通過聚集在晶粒邊界的方式抑制了α-Al的長大，從而使α-Al得到細化[18-19]。根據(jù)相圖-粒子理論[20]，在熔煉ADC12鋁合金時，加入Al-5Ti-1B細化劑，細化劑中的TiAl3在熔體中熔解為細小的顆粒， TiB2粒子分布于鋁體中，隨著保溫時間增加，TiAl3不斷熔解為鋁合金熔體提供了過剩的Ti，過剩的Ti聚集在TiB2粒子團界面上形成了TiAl3沉淀層[21]，此層經(jīng)包晶反應(yīng)[22]L+TiAl3→α-Al，促使α-Al成核。Al-5Ti-1B在細化α-Al晶粒的同時，對CuAl2相和硅相有一定的細化作用(如圖2)。這主要是由于鋁-硅合金熔體中的晶粒生長過程中，α-Al相先于其他相先期析出，而共晶硅最后凝固，在α-Al枝晶的間隙中析出并長大[23]，所以先析出的α-Al枝晶的尺寸大小會直接影響最后凝固的共晶硅尺寸大小。因此，Al-5Ti-1B的加入不但可以細化α-Al相，而且還能改善共晶硅的形態(tài)，有效地降低了共晶硅的等效直徑，使其變得細小，合金的力學(xué)性能也得到了很大的提升。

圖6為細化處理前后ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口SEM圖。從圖6可看出，未經(jīng)細化處理的拉伸試樣斷口(圖6a)主要為解理+韌窩的混合型斷口，并伴有夾雜、氣孔等缺陷，為典型的脆性解理斷裂，其斷面上可見發(fā)亮的初晶硅顆粒。而經(jīng)細化處理后的試樣(圖6b)，其斷面上有大量細小的韌窩，撕裂楞數(shù)量多，密集分布，宏觀拉伸斷口呈銀灰色，表面顆粒細小均勻，為明顯的韌性斷裂。通過上述的合金拉伸斷口分析可以看出， Al-5Ti-1B細化劑對ADC12鋁合金的細化效果顯著。由Hall-petch關(guān)系式[24]：

圖6 ADC12鋁合金鑄態(tài)拉伸試樣斷口SEM形貌Fig.6 SEM fracture morphologies of as-cast tensile specimen of ADC12 Al alloy

(1)

式中：

σs—屈服強度；

σ0、K—常數(shù)；

D—晶粒直徑。

可知材料的晶粒直徑D越小，它的屈服強度就越高[25]。同時減小晶粒尺寸，還可以改善材料的塑韌性，這是因為減小晶粒尺寸，其內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變差較小，變形較小，應(yīng)力集中傾向較小。因此，晶粒尺寸大小與合金的力學(xué)性能有直接關(guān)系[26-27]。由上述分析可知，細化劑加入量的多少，直接影響ADC12鋁合金的晶粒尺寸的大小，最終會通過合金力學(xué)性能的優(yōu)劣表現(xiàn)出來?？傮w上，經(jīng)細化處理后的ADC12鋁合金其抗拉強度和伸長率都得到明顯提高，使其力學(xué)性能得到了充分發(fā)掘，當(dāng)Al-5Ti-1B加入量為0.2%時，合金的整體力學(xué)性能最好；隨著Al-5Ti-1B加入量減少或是繼續(xù)增加，細化效果就會變差，合金晶粒變得粗大，力學(xué)性能也逐漸降低。這是由于細化劑中可作為α-Al非均質(zhì)形核襯底的TiAl3、TiB2等化合物的集聚長大，失去形核核心作用并成為晶界雜質(zhì)相，反而使ADC12鋁合金的力學(xué)性能有所降低[28-29]。

4 結(jié) 論

1)Al-5Ti-1B細化劑的加入使ADC12鋁合金鑄態(tài)力學(xué)性能顯著提高，當(dāng)加入量為0.2%時，合金的力學(xué)性能最好，抗拉強度和伸長率分別比未細化合金的提高40.2%和87.5%；當(dāng)Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%時，合金的力學(xué)性能均逐漸降低，這與合金的晶粒尺寸變化相吻合。

2)向ADC12鋁合金熔體中加入不同量的Al-5Ti-1B，不同程度的細化了合金組織，當(dāng)加入量為0.2%時，細化效果最好，α-Al枝晶細小均勻；金屬間化合物TiB2和TiAl3均可作為α-Al的異質(zhì)核心，使異質(zhì)結(jié)晶核心數(shù)量增多，從而使合金晶粒細化；當(dāng)Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%時，晶粒變粗。