晶粒細化對Al3.2Si0.8Mg合金組織性能的影響

牛艷萍+楊勇+唐維學+王彩華+管盡瓊

摘要： 采用Al5Ti1B合金細化劑對Al3.2Si0.8Mg合金進行晶粒細化，采用金相顯微鏡、激光導熱儀和拉伸試驗機等研究晶粒細化對Al3.2Si0.8Mg合金微觀組織、鑄造流動性、力學性能與導熱系數的影響.結果表明：隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的αAl晶粒逐漸細化，鑄造流動性、抗拉強度和伸長率逐漸升高，但導熱系數略有下降.當Al5Ti1B合金細化劑的質量分數增加到0.5%時，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被細化至平均直徑約為90.9 μm，鑄造流動性試樣長度為867 mm，抗拉強度為234 MPa，伸長率為10.1%，導熱系數為182.7 W·m-1·K-1.

關鍵詞： AlSiMg合金； 晶粒細化； 鑄造流動性； 導熱系數

中圖分類號： TG 146.2 文獻標志碼： A

Effects of Grain Refinement on Microstructures

and Properties of Al-3.2Si-0.8Mg Alloy

NIU Yanping， YANG Yong， TANG Weixue， WANG Caihua， GUAN Jinqiong

（Guangdong Center of Industrial Analysis and Testing， Guangzhou 510651， China）

Abstract：The Al-3.2Si-0.8Mg alloy was refined through adding Al-5Ti-1B alloy refiner.The effects of grain refinement on casting fluidity，thermal conductivity and mechanical properties of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were studied by metallurgical microscope，flash thermal conductivity meter and tensile testing machine，respectively.The results show that with the increasing amount of Al-5Ti-1B alloy refiner，the α-Al grains of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were more refined.In addition，the casting fluidity，tensile strength and elongation of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were improved，and the thermal conductivity was reduced.When the amount of Al-5Ti-1B alloy refiner was 0.5%，the grains size was able to be refined to 90.9 μm for Al-3.2Si-0.8Mg alloy with casting fluidity of length 867 mm，tensile strength of 234 MPa，elongation of 10.1%，and thermal conductivity of 182.7 W·m-1·K-1.

Keywords：Al-Si-Mg alloy； grain refinement； casting fluidity； thermal conductivity

鋁合金具有密度小、比強度高、塑性好、耐腐蝕等優點，被廣泛用于制造對散熱功能有一定要求的零部件，如電子產品的外殼、LED散熱片、無線通訊基站散熱基板等[1-2].這類零部件的傳統生產方法是采用AlMgSi系變形鋁合金為材料，先鑄造成錠坯，經擠壓或軋制成板坯后，再機械加工成零部件.但這種方法的生產效率較低，生產成本較高，難以滿足大批量的生產要求[3].鑄造是鋁合金零部件最常用的生產方法，如壓鑄、擠壓鑄造，具有生產效率高、成本低、可成形結構復雜的薄壁零件等特點[4].AlSi系合金，如A356、ADC12鋁合金等具有優良的鑄造流動性和機械加工性能，占現有鑄造鋁合金總產量的85%以上，但其導熱性能較差，難以滿足零部件對散熱性能的要求[5].AlMgSi系變形鋁合金，如6063、6061鋁合金等具有較好的強度、塑性和導熱性能，但其鑄造流動性較差，熱裂傾向大，用于鑄造生產時，容易產生疏松和收縮裂紋等缺陷，無法滿足鑄造生產的要求[6].本課題組在前期工作中開發了具有較好鑄造流動性和導熱性的Al3.2Si0.8Mg合金[7].對鋁合金進行晶粒細化，獲得細小均勻的晶粒組織，是進一步提高合金鑄造流動性和力學性能的重要方法[8].因此，本文研究晶粒細化對Al3.2Si0.8Mg合金顯微組織、鑄造流動性、力學性能和導熱性能的影響.

第2期牛艷萍，等：晶粒細化對Al3.2Si0.8Mg合金組織性能的影響

有 色 金 屬 材 料 與 工 程2017年 第38卷

1 試驗材料和方法

試驗材料為Al3.2Si0.8Mg合金，采用工業純鋁（99.7%，本文中表示含量的%均為質量分數）、工業純鎂（99.8%）、速溶硅配制熔煉，熔煉設備為100 kg鋁合金熔煉爐，經SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，其化學成分為：3.21%Si，0.79%Mg，0.14%Fe，0.02%Mn，0.03%Cu，0.02%Cr，余量為Al.細化劑為國內某廠的Al5Ti1B合金桿，其化學成分為：5.12%Ti，1.09%B，0.11%Fe，0.08%Si，0.01%V，余量為Al.

在7.5 kW井式坩堝電阻爐內于760 ℃加熱熔化Al3.2Si0.8Mg合金，精煉除氣除雜后，將鋁合金液降溫至720 ℃，然后分別加入0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%的Al5Ti1B合金細化劑進行晶粒細化處理，攪拌并靜置30 min后，取鋁合金液澆注到預熱溫度為200 ℃的螺旋式流動性試驗模具內，凝固冷卻后測量試樣的長度.將鋁合金液澆注到預熱溫度為200 ℃的不銹鋼模具內，鑄造成直徑為100 mm，高250 mm的鋁合金鑄錠.

在鋁合金鑄錠橫截面1/2半徑處取樣，試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在LEICADMI3000M金相顯微鏡下進行組織觀察.沿鋁合金鑄錠高度方向的相同位置取樣，并加工成直徑6 mm、標距30 mm的標準拉伸試樣，在DNS200電子拉伸機上進行室溫拉伸，拉伸速率為2 mm/min，測試鋁合金的抗拉強度和伸長率.在LGD2000型激光導熱儀上測試鋁合金的室溫導熱系數.

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為鑄態Al3.2Si0.8Mg合金組織的金相照片，圖2為鑄態Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒平均直徑與Al5Ti1B合金細化劑添加量之間的變化曲線.

由圖1和圖2可見，鑄態Al3.2Si0.8Mg合金的微觀組織由αAl和（Al+Si）共晶相組成.未添加Al5Ti1B合金細化劑時，鑄態Al3.2Si0.8Mg合金的組織為發達的αAl枝晶，枝晶臂相互搭接，晶粒粗大，平均晶粒直徑約為210.3 μm，如圖1（a）所示.隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，αAl枝晶開始逐漸細化，晶粒尺寸逐漸減小，

趨于更加均勻，晶間的（Al+Si）共晶相分布也更加均勻.當Al5Ti1B合金細化劑添加量增加到0.5%時，與未添加Al5Ti1B合金細化劑相比，此時的Al3.2Si0.8Mg合金組織中的αAl相被明顯細化，平均尺寸約為90.9 μm，如圖1（f）所示.

Al5Ti1B合金細化劑是由TiAl3相、TiB2粒

子和Al基體組成，向Al3.2Si0.8Mg合金熔體中添加Al5Ti1B合金細化劑后，TiAl3相逐漸熔解釋放出Ti原子，高熔點TiB2粒子直接保留在整個熔體中.當Al3.2Si0.8Mg合金冷卻凝固結晶時，Ti原子在TiB2粒子表面偏聚形成TiAl3相，TiAl3相再與Al3.2Si0.8Mg合金熔體發生包晶反應生成αAl晶核[9].Al5Ti1B合金細化劑添加量越多，Al熔體中Ti原子濃度越高，TiB2粒子的數量也越多，提供的異質形核質點越多，晶粒細化效果越顯著，因而鑄態Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒越細小.

2.2 鑄造流動性

圖3為Al3.2Si0.8Mg合金鑄造流動性試樣的形貌圖.

長度與Al5Ti1B合金細化劑添加量之間的

關系曲線.由圖3和圖4可見，未添加Al5Ti1B

合金細化劑時，鋁合金熔體的流動性較差，鑄造流動

性試樣長度為782 mm.隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被逐漸細化，鋁合金熔體的流動性不斷改善，鑄造流動性試樣的長度逐漸增長.當Al5Ti1B合金細化劑添加量為0.5%時，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被明顯細化，鑄造流動性試樣長度達到867 mm，與未添加Al5Ti1B合金細化劑相比，此時Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動性提高了10.9%.上述結果表明，添加Al5Ti1B合金細化劑對Al3.2Si0.8Mg合金進行晶粒細化處理，可以提高鋁合金的鑄造流動性.

Al3.2Si0.8Mg合金鑄造凝固結晶過程中，首先形成αAl枝晶，最后晶間低熔點共晶液相發生凝固[10-11].未添加Al5Ti1B合金細化劑時，凝固過程中首先形成粗大的αAl枝晶骨架，枝晶臂相互搭接后阻礙晶間低熔點共晶液相的流動補縮，因此鋁合金的鑄造流動性較差[12].添加Al5Ti1B合金細化劑對Al3.2Si0.8Mg合金進行細化處理后，初生αAl枝晶退化，晶粒尺寸減小，為晶間低熔點共晶液相提供了更多、更順暢的流動補縮通道，因而Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動性有所提高.

2.3 力學性能

圖5為Al3.2Si0.8Mg合金的拉伸力學性能與Al5Ti1B合金細化劑添加量之間的變化曲線.由圖5可見，未添加Al5Ti1B合金細化劑進行晶粒細化處理時，由于Al3.2Si0.8Mg合金的鑄態組織為粗大的枝晶，拉伸力學性能較差，抗拉強度和伸長率分別為221 MPa和9.2%.當添加Al5Ti1B合金細化劑后，由于Al3.2Si0.8Mg合金的鑄態晶粒組織被細化，合金的拉伸力學性能得到明顯提高，并且隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強度和伸長率逐漸升高.當Al5Ti1B合金細化劑添加量增加到0.5%時，Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強度和伸長率分別提高到234 MPa和10.1%.與未添加Al5Ti1B合金細化劑相比，此時的Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強度和伸長率分別提高了5.9%和9.8%.

2.4 導熱系數

鋁合金導熱的物理過程本質上依賴于電子的運動，由一定的溫度梯度作為驅動力，電子在定向運動的過程中通過不斷碰撞將所攜帶的能量進行傳遞[13].電子在兩次碰撞中運動的平均距離稱為平均自由程，鋁合金中電子的平均自由程受晶體結構完整程度的限制.溫度梯度一定時，平均自由程越長則材料的導熱能力越強[14].鋁合金中缺陷和晶間第二相數量越多，元素固溶度越高，引起鋁基體晶格畸變越嚴重，破壞了鋁基體中原子的有序程度和原有周期性電場的分布，產生缺陷和應力場，對電子的散射增強，平均自由程減小，導致鋁合金導熱性能下降[15].

圖6為Al3.2Si0.8Mg合金導熱系數與Al5Ti1B合金細化劑添加量之間的關系曲線.由圖6可見，隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的導熱系數逐漸下降. 未添加Al5Ti1B合金細化劑時，Al3.2Si0.8Mg合金的導熱系數為188.2 W·m-1·K-1.添加Al5Ti1B合金細化劑后，Al3.2Si0.8Mg合金微觀組織得到明顯細化，晶粒平均直徑減小.晶界是一種面缺陷，對自由電子的運動有阻礙作用，導致能量傳輸效率降低，從而引起鋁合金的導熱系數下降.當Al5Ti1B合金細化劑添加量增至0.5%時，Al3.2Si0.8Mg合金的導熱系數為182.7 W·m-1·K-1，與未添加Al5Ti1B合金細化劑相比，導熱系數下降2.9%.

3 結 論

（1） 隨著Al5Ti1B合金細化劑添加量的增加，Al3.2Si

0.8Mg合金的晶粒逐漸細化，合金鑄造流動性、抗拉強度和伸長率逐漸提高，但導熱系數略有下降.

（2） 當Al5Ti1B合金細化劑添加量增至0.5%時，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被細化至平均直徑約為90.9 μm，鑄造流動性試樣長度為867 mm，抗拉強度為234 MPa，伸長率為10.1%，導熱系數為182.7 W·m-1·K-1.

（3） 與未添加Al5Ti1B合金細化劑相比，添加0.5%的Al5Ti1B細化劑的Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動性、抗拉強度和伸長率分別提高了10.9%，5.9%和9.8%，但導熱系數下降了2.9%.

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