A356鋁合金晶粒細(xì)化的研究

覃 銘,楊途才（百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 百色 533000）

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A356鋁合金晶粒細(xì)化的研究

覃 銘,楊途才
（百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 百色 533000）

摘 要：介紹了A356鋁合金幾種常見晶粒細(xì)化的方法，包括物理晶粒細(xì)化法和化學(xué)晶粒細(xì)化法，分析了細(xì)化機(jī)理，著重介紹幾種晶粒細(xì)化劑和變質(zhì)劑對鋁合金組織和性能的影響。細(xì)化晶粒組織是提高鋁合金材料力學(xué)性能的有效途徑之一，對開發(fā)優(yōu)質(zhì)鋁合金材料有重要的意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金；晶粒細(xì)化；細(xì)化機(jī)理

1 前言

A356為常用的鑄造鋁-硅-鎂系合金，因其具有流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小等特點(diǎn)，經(jīng)過晶粒細(xì)化和熱處理后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率等各方面的性能得到相應(yīng)的改善，被廣泛于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)等部門，尤其是應(yīng)用在汽車零配件中［1］。鋁合金的機(jī)械性能與其顯微組織中的晶粒大小和共晶硅形態(tài)緊密相關(guān)［2］。鋁合金的晶粒尺寸和形態(tài)特征決定著鋁合金的性能，細(xì)小、均勻的晶粒組織，可以有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)改善合金的機(jī)械加工性能，是獲得良好的綜合性能的保證。在鑄造A356鋁合金的過程中，由于鑄造溫度高，α-Al基體晶粒顯得粗大，硅的形態(tài)呈粗大的片狀結(jié)構(gòu)，容易生成粗大的針片狀或板狀共晶硅，鋁合金基體容易被割裂，成分偏析且各相之間分布極不均勻，造成局部區(qū)域的應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋源，使鑄造合金的力學(xué)性能和加工性能惡化［3］。沒有添加任何晶粒細(xì)化處理和變質(zhì)劑的A356鋁合金，基體組織晶粒比較粗大，整體力學(xué)性能較差。因此，對鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化，是獲得優(yōu)良的鋁合金材料的重要保證。

2 鋁合金晶粒細(xì)化的主要方法

2.1 鋁合金晶粒細(xì)化的本質(zhì)

晶粒細(xì)化的本質(zhì)是抑制鋁合金晶粒組織的長大過程。在鑄造過程中，細(xì)化晶粒方法有很多，大致可以分為兩大類：通過物理方法細(xì)化、通過化學(xué)方法細(xì)化。其中物理晶粒細(xì)化法是借助電磁攪拌或者快速凝固等技術(shù)來增加合金本身晶核的數(shù)量或抑制晶體長大；化學(xué)晶粒細(xì)化法是在鋁合金熔煉過程中，往鋁液中加入各種中間合金細(xì)化劑，在溶體中生成大量異質(zhì)形核核心，可使鋁合金具有細(xì)小等軸晶粒，各方向的力學(xué)性能差異小，可以改善其力學(xué)性能和加工性能，達(dá)到細(xì)化鋁合金晶粒的作用，這種方法所需的生產(chǎn)設(shè)備和工藝比較簡單，是工業(yè)上最為常用的細(xì)化方法［4］。常用的細(xì)化劑和變質(zhì)劑是鋁鈦硼中間合金、稀土和鋁鍶中間合金。鍶具有良好的變質(zhì)效果，通過改變凝固結(jié)晶過程中的共晶硅相的微觀結(jié)構(gòu)以及形貌和尺寸，使其由粗大的針片狀組織轉(zhuǎn)變成圓整、均勻、細(xì)小的纖維狀或?qū)悠瑺罱M織，但針孔率增加，降低合金的整體力學(xué)性能。加入稀土元素凈化鋁液的同時(shí)，還可大大減小縮孔現(xiàn)象［5］。

2.2 機(jī)械振動對鋁合金微觀組織的影響

機(jī)械振動細(xì)化鋁合金晶粒屬于物理細(xì)化的一種方法。曾禮［6］通過研究機(jī)械振動對A356鋁合金充型及凝固的影響。研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)振動的A356鋁合金α -Al相是正常的枝晶生長模式，初生α -Al相粗大，枝晶發(fā)達(dá)。隨著振動頻率增加或振幅增大，或者增加振動方向角度，初生α -Al晶粒逐漸變得細(xì)小，二次枝晶臂破碎，分布均勻，因而力學(xué)性能有所提高。但是繼續(xù)增加頻率或振幅，強(qiáng)度和延伸率又降低，特別是頻率為50Hz，振幅0.9mm的垂直振動，晶粒最細(xì)小均勻，綜合力學(xué)性能最好。隨著振動頻率和振幅的增加，晶粒有長大的趨勢，其強(qiáng)度和延伸率卻降低，而且低于未施加任何振動時(shí)的強(qiáng)度。如圖1所示，為A356鋁合金在不同振動頻率下的金相組織。

圖1 不同振動頻率下的微觀組織

2.3 細(xì)化劑對鋁合金微觀組織的影響

往A356鋁合金中添加中間合金細(xì)化劑，是目前企業(yè)較為常用的方法。陳鴻玲、傅高升等［7］通過往A356鋁合金中加入Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金，對澆注出的鋁合金試樣進(jìn)行金相分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金對A356鋁合金α-Al基體具有良好的細(xì)化效果，往A356鋁合金添加Al-5Ti-1B-0.5RE后α-Al基體形狀圓整、細(xì)小，均勻分布。Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金不僅是細(xì)化作用，而且還起到變質(zhì)效果，鋁液中AlTiRE不穩(wěn)定，容易分解，沒有起到形核的作用。同時(shí)，分解釋放出的稀土元素，使表面能降低，使TiB2相不能聚集在一起，形核粒子的數(shù)量大大增加［8］。稀土元素釋放后，易吸附在晶界上，抑制TiAl3粒子的生長，阻止樹枝狀TiAl3相的出現(xiàn)，也增加了形核可能性，起到異質(zhì)形核的作用，既增強(qiáng)了細(xì)化效果，又抑制TiB2粒子不容易聚集在一起，細(xì)化劑的有效時(shí)間增加，使得Al-5Ti-1B-RE中間合金比較穩(wěn)定的細(xì)化作用［9］。除此之外，加入稀土的另外作用就是變質(zhì)作用，在一定程度上也增強(qiáng)了A356鋁合金的質(zhì)量。如圖2所示，為經(jīng)加入Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金前后的A356合金的微觀組織晶粒大小的對比。

圖2 經(jīng)中間合金處理前后的A356合金的微觀組織形貌

通過復(fù)合稀土的添加對A356鋁合金的精煉及變質(zhì)也會產(chǎn)生影響［10］。未添加稀土的A356鋁合金，晶粒粗大，各相分布不均勻，出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。復(fù)合添加稀土La和Ce對A356鋁合金具有較好的變質(zhì)作用，均能有效改善鑄件的微觀組織形貌，使微觀組織分布均勻，氣孔和含渣量減少，縮短了共晶硅的長度，共晶硅的形態(tài)從樹枝狀或針狀向圓整的短棒狀或者顆粒狀發(fā)生轉(zhuǎn)變［11］。鋁合金的晶粒組織得到明顯地細(xì)化，并且復(fù)合添加稀土比單一添加的晶粒細(xì)化效果明顯，復(fù)合添加稀土La和Ce復(fù)合變質(zhì)過程中，兩者間的變質(zhì)作用是相互促進(jìn)的。特別是稀土的添加量為0.1La0.5Ce，對A356鋁合金組織的細(xì)化效果最為明顯。如圖3為稀土處理前后的A356合金的微觀組織形貌。

圖3 稀土處理前后的A356合金的微觀組織形貌

此外，AlTiB的加入量對亞共晶鋁硅合金微觀組織也產(chǎn)生影響［12］。未添加AlTiB的A356鋁合金α-Al晶粒形狀不規(guī)則，α-Al基體嚴(yán)重被割裂。AlTiB對鋁合金有明顯的細(xì)化效果。加入AlTiB中間合金細(xì)化處理后，形核粒子數(shù)量增加，大大增加有效異質(zhì)形核核心，達(dá)到細(xì)化α-Al基體組織的作用，α-Al相變得更為細(xì)小，并且大小形狀趨于一致、分布較為均勻，共晶硅的長度變短，排列均勻，變?yōu)槎贪魻罨蚱瑺畈⒊蕪浬⒎植脊病356鋁合金添加AlTiB前后微觀組織的對比如圖4所示。

圖4 添加AlTiB前后A356鋁合金微觀組織

3 總結(jié)

在細(xì)化鋁合金晶粒過程中，晶粒細(xì)化的方法對鋁合金晶粒細(xì)化效果較明顯，所需設(shè)備簡單，操作簡便，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，而且已經(jīng)普遍使用在工業(yè)中。

（1）機(jī)械振動能使鋁合金初生α -Al晶粒變得細(xì)小，二次枝晶臂破碎，各相分布均勻，但僅能夠使鋁合金的晶粒得到細(xì)化，沒能達(dá)到作用，達(dá)不到理想的性能要求。

（2）Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金是常用的有效細(xì)化、變質(zhì)劑，添加后，α-Al基體晶粒大小均勻，形狀圓整，均勻分布。稀土元素的釋放，抑制TiAl3粒子的生長，阻止樹枝狀TiAl3相的出現(xiàn)，也增加了形核可能性，起到異質(zhì)形核的作用，既增強(qiáng)了細(xì)化效果，又抑制TiB2粒子不容易聚集在一起，使得Al-5Ti-1B-RE中間合金比較穩(wěn)定的細(xì)化作用。

（3）復(fù)合稀土比單一添加的晶粒細(xì)化效果明顯，不僅對鋁合金晶粒細(xì)化，而且還具有較好的變質(zhì)作用，改變α-Al基體晶粒大小的同時(shí)，還可以改變共晶硅的形態(tài)，使共晶硅達(dá)到圓整、均勻的效果。

（4）AlTiB的加入，使鋁液中形核粒子數(shù)量增加，大大增加有效異質(zhì)形核核心，起主要的細(xì)化作用，對A356鋁合金具有良好的晶粒細(xì)化作用，特別是與鍶同時(shí)加入，對A356鋁合金起到細(xì)化晶粒和變質(zhì)的效果。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.042

項(xiàng)目基金：2014廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻14122005-12）；2014廣西高校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD2014134）。