Al-Ti-B變質劑保溫時間對6008鋁合金鑄造組織影響

楊 路, 孫 巍, 張德偉, 張書豪, 徐 鑫, 祝 哮

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

晶粒大小對鋁合金材料的性能起著較大影響，一般情況下，合金的晶粒越細小，材料的強度和韌性越高。這就要求鋁合金材料從鑄造組織開始，就有較為細小的晶粒，如此方可為后續加工提供良好的組織結構。而鑄造組織中細小的晶粒具有降低組織疏松、提高補縮能力、提高組織均勻性、降低裂紋傾向等諸多優點，因而鋁合金熔鑄過程中的晶粒細化顯得尤為重要。

鋁合金鑄錠通常有3種晶粒形態，分別是柱狀晶、等軸晶和細晶組織，柱狀晶嚴重影響材料的強度和韌性；細小的等軸晶會降低熱裂紋傾向，但粗大的等軸晶也會降低材料的力學性能，因此必須采取各種措施來對鋁合金鑄造組織進行晶粒細化。晶粒細化的方法有很多種，本文主要針對外來形核質點法中的添加變質劑法來論述，采用應用最為廣泛的Al-Ti-B絲為試驗材料，分析變質劑的保溫時間對6008合金組織性能的影響。

1 試驗方案

本實驗采用6008鋁合金進行鑄造分析，其化學成分見表1。實際控制中，比標準要求更加嚴格的控制了雜質元素含量，減小了主要元素的范圍，以便不同變質工藝的相互比較。表2為試驗的主要熔鑄工藝參數。

為了排除其他因素的影響，本試驗采用相同的熔鑄工藝和設備，經過熔體凈化后添加Al-Ti-B絲變質劑，經過在線除氣、除渣后鑄造，通過不同的變質劑保溫時間來分析該工藝參數對6008合金鑄造組織的影響。其中變質劑保溫60min為在熔煉爐內添加Al-Ti-B絲熔化后保溫60min開始鑄造，在線添加的添加位置為爐口后、除氣箱前。圖1為Al-Ti-B絲變質劑的高倍圖片。

表1 6008合金化學成分(wt.%)

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

外來形核質點法的本質就是增加形核點，大量的形核點會生長成大量的小晶體，在此后的生長中晶體之間會相互碰撞作用，抑制自身的長大速度，從而形成細小的等軸晶[1]。而本試驗中的Al-Ti-B變質劑正是應用該理論，如圖1中的亮灰色塊狀質點即為Al3Ti，這些質點通過包晶反應使熔體形核；圖1中細小的黑色顆粒即為TiB2，熔點高且因不溶于鋁熔體，分布均勻，也是有效的形核質點。此外，TiB2使Ti產生了濃度梯度，使TiB2包裹沉淀，促進了α-Al的形核。

細化晶粒處理中，變質劑保溫時間是一個重要的工藝參數，保溫時間太短，形核質點無法均勻分布；保溫時間過長，變質顆粒會聚集或分解，反而會降低晶粒細化的效果。本實驗就是通過不同的變質劑保溫時間來分析該參數對鑄態組織的影響。

2 試驗結果及分析

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

(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 不同細化工藝的6008合金鑄錠不同位置陽極覆膜組織形貌Fig.3 Amorphous coating morphology at different positions of 6008 alloy ingots with different refinements

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

因為本試驗的6008合金中并未添加Zr、Cr等元素，所以排除細化劑“中毒”的可能。工藝1比工藝2變質劑保溫時間上升了60min，過長的保溫時間使變質劑失效，失效后的變質劑對鑄態組織細化起的作用很小，所以工藝1的鑄態組織晶粒度更加粗大。工藝1變質劑失效有以下幾個原因，Al3Ti和TiB2的密度比鋁熔體大，長期保溫靜置會使這兩種形核核心沉淀到鋁熔體底部，形核核心的減少產生了變質劑的失效現象；Al3Ti和TiB2在較高的溫度下聚集長大，同樣會使形核核心減少、變質劑失效；熔體中Al3Ti的含量大于包晶反應所需的Al3Ti量，因無法和TiB2形成包晶反應，Al3Ti在高溫下陸續熔解，引起了晶粒細化作用的失效。為避免以上失效情況，在試驗其他條件相同的情況下，需多攪動熔體使熔體組分均勻并確立合理的保溫時間。而在實際生產中，過多的在熔煉爐內攪動熔體會不可避免的增加雜質Fe的引入，工業化生產較難實現。在工藝2條件下在線添加Al-Ti-B后，熔體經過流槽流動、除氣箱攪動、過濾箱攪動，Al3Ti和TiB2已分布均勻，所以會起到良好的晶粒細化效果。

3 結論

(1)Al-Ti-B變質劑中起晶粒細化作用的顆粒為Al3Ti和TiB2，Al3Ti和TiB2通過包晶反應形成的顆粒是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變質劑與保溫60min后相比，6008鋁合金鑄造組織枝晶網格更密集，晶粒更細小，晶粒細化效果更好;

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