Al-5Ti-1B細化劑添加量對含鈰鑄造鋁合金組織和拉伸性能的影響

王 波1,，劉讓賢1，余洪偉1，羅偉超1，趙文龍

(1.張家界航空工業職業技術學院航空制造工程系，張家界 427000；2.南昌航空大學信息工程學院，南昌 330063)

0 引 言

為了應對全球氣候變暖和能源危機，節能減排已成為汽車工業的一個重要發展方向，汽車輕量化已勢在必行。采用輕質高強材料是實現汽車輕量化的一種有效途徑，而鋁合金則是理想材料之一。目前，我國乘用車的平均用鋁量約為每輛115 kg，其中鑄造鋁合金用量占總用鋁量的77%以上，而Al-Si系鑄造鋁合金鑄件總量約占鑄造鋁合金總量的90%[1-2]。隨著汽車產品、通信設備輕量化要求的提高，鑄造鋁合金的強韌性要求也越來越高[3]。受限于鑄造鋁合金的成形工藝，鑄件的組織細化無法通過高速充型和大的冷卻速率來實現，因此通常采用變質、細化處理實現鑄件在較低冷卻速率下組織細化的目的，從而提高鑄件的強韌性[4]。

A356鋁合金是Al-Si系鑄造鋁合金中應用最為廣泛的一種鋁合金，不僅具有良好的鑄造成形性能，還具有中等的強度和良好的塑性變形能力，常用于結構較為復雜、綜合力學性能要求高的結構件，如汽車輪轂、發動機缸體等關鍵部件，適用的成形工藝包括重力鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造等[5-6]。目前，有關A356鋁合金的組織細化研究主要集中在共晶硅和α-Al基體相的細化變質劑及其工藝等方面。在共晶硅方面，鍶元素是最佳的共晶硅變質元素，即使鋁合金中鍶元素的質量分數低于0.004%，也可將狹長針片狀的共晶硅轉變為細小的纖維狀，且變質效果非常顯著[7-9]。但由于鍶元素的化學性質活潑，易發生燒損和吸氣，因此鋁合金鑄件中易形成氣孔、縮孔等鑄造缺陷，從而不利于鑄件性能的改善[10]。在α-Al基體相方面，通常參考變形鋁合金的細化原理，添加一定含量的Al-Ti-B細化劑，在鋁熔體中形成大量細小、高熔點的質點，充當基體相的形核核心，促進基體相的異質形核轉變，從而達到細化組織的目的[11]；但是Al-Ti-B細化劑對共晶硅無明顯細化作用，因此改善效果有限。

研究發現，稀土(RE)元素不僅能細化共晶硅和鋁基體組織，同時能改善富鐵相的形態[12-14]。稀土元素中變質效果最好的是銪元素，但其價格高，應用受限；其次是鑭、鈰、鐠元素，這些元素價格相對低廉，具有潛在的應用價值[15]。為了同時實現α-Al基體相和共晶硅組織的細化，常采用復合添加或復合變質劑的方法，如Sr+Al-Ti-B、Al-Ti-B-RE、Al-Sr-RE、Al-Ti-C-RE等[16-19]。但研究結果表明，鍶和Al-Ti-B復合添加時易形成SrB6，毒化鍶的變質效果，且仍無法解決鍶易吸氣和燒損的問題[20]，同時含鍶復合變質劑的制備也存在工藝難度大、不易控制等問題。Al-Ti-B與不含鍶的RE元素復合變質不僅能解決變質劑之間的毒化作用，同時也可避免出現RE元素吸氣的問題，具有良好的應用前景。陳亞軍等[21]研究發現，Al-5Ti-4RE(富鈰)-1B對工業純鋁的細化能力和細化長效性均比Al-5Ti-1B的強，這是由于形成的Ti2Al20RE相與鋁的晶格常數更匹配，且溶解溫度更高。WANG等[22]研究發現，Al-5Ti-1B-3.0RE(富鈰)細化劑能有效改善Al-7.0Si-0.55Mg合金的力學性能。研究表明，單獨添加質量分數0.1%的鈰元素對A356鋁合金中α-Al基體相的細化效果最佳[23]。但關于鈰和Al-Ti-B復合變質方面的研究報道比較少。因此，作者在添加質量分數0.1%鈰的基礎上，對比研究Al-5Ti-1B細化劑含量對A356鑄造鋁合金組織及拉伸性能的影響，為實際工業生產提供相關技術支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括工業純鋁、純鎂、Al-20Si中間合金、商用精煉劑(主要含KCl、MgF2、MgCl2等)、Al-20Ce合金與Al-5Ti-1B細化劑。按照A356鋁合金的化學成分，將總質量為2 kg的工業純鋁與Al-20Si中間合金放入石墨坩堝內，升溫至400 ℃預熱，保溫1 h后繼續升溫至760 ℃；待原料完全熔化后降溫至720 ℃，隨后用鈦合金罩將經250℃預熱的純鎂塊壓入熔體中，5 min后加入10 g商用精煉劑，并用鈦合金工具攪拌熔體，以達到除氣除雜的目的；精煉后加入經250 ℃預熱的Al-20Ce合金與Al-5Ti-1B細化劑，其中Al-20Ce合金的質量分數為0.5%，即添加鈰元素質量分數為0.1%，Al-5Ti-1B細化劑的質量分數分別為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，并緩慢攪拌均勻，保溫1 h后扒渣；將熔體澆注至楔形金屬型模具中，空冷后獲得鋁合金鑄錠。

采用SPECTRO-MAX型直讀光譜儀測試試驗合金的化學成分，測試結果如表1所示，可知均符合GB/T 1173—2013對A356鋁合金成分的要求。采用電火花線切割機在鑄錠底部中間位置截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數0.5%的HF水溶液腐蝕后，在Leica DMIRM 型光學顯微鏡(OM)和JEOLJXA-8100型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察顯微組織和微觀形貌，并采用SEM附帶的OXFORD 7412型能譜儀(EDS)對微區成分進行分析。采用Image J軟件測量α-Al相的二次枝晶間距以及共晶硅的等效直徑與長寬比。測量二次枝晶間距時采用截距法，同一試樣測5個視野，放大倍數為50倍；而測量共晶硅的等效直徑與長寬比時，同一試樣測20個視野，放大倍數為500倍。按照GB/T 16865—2013，在試驗合金鑄錠上距底部10 mm處截取厚度為3 mm的拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010，采用DNS200型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1；拉伸試驗結束后，在拉伸斷口附近截取試樣，試樣截面經鑲嵌、打磨、拋光后，采用Leica DMIRM型光學顯微鏡觀察裂紋形貌并分析裂紋萌生位置和擴展路徑。

表1 添加不同質量分數Al-5Ti-1B細化劑制備得到試驗合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of test alloy prepared by adding different mass fractions of Al-5Ti-1B refiner (mass) %

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：未添加Al-5Ti-1B細化劑(質量分數0)時，試驗合金組織基本由較發達的初生α-Al樹枝晶組成，不同樹枝晶的二次枝晶間距存在明顯差異，組織均勻性較差；添加Al-5Ti-1B細化劑后，組織仍由初生α-Al樹枝晶組成，但樹枝晶尺寸明顯減小，并出現少量的菊花狀晶粒(如圖中圓圈所示)；Al-5Ti-1B細化劑質量分數增大至0.2%時，菊花狀枝晶數量增多，枝晶間隙中的共晶硅分布更均勻，組織均勻性提高；當細化劑質量分數為0.3%～0.4%時，組織中又出現粗大的樹枝晶，二次枝晶間距明顯增大，同時菊花狀枝晶數量減少。由此可知，適量Al-5Ti-1B細化劑有利于促進α-Al樹枝晶的細化，這與Al-5Ti-1B中含有TiB2、Al3Ti等粒子可作為α-Al樹枝晶的形核質點有關。

圖1 添加不同質量分數Al-5Ti-1B細化劑制備得到試驗合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of test alloys prepared by adding different mass fractions of Al-5Ti-1B refiner

圖2 試驗合金中α-Al樹枝晶的二次枝晶間距隨Al-5Ti-1B細化劑質量分數的變化曲線Fig.2 Curve of secondary dendrite spacing of α-Al dendrites in test alloy vs Al-5Ti-1B refiner mass fraction

由圖2可知，隨著細化劑添加量的增加，試驗合金中α-Al樹枝晶的平均二次枝晶間距呈先減小后增大的趨勢；當Al-5Ti-1B細化劑的質量分數為0.2%時，平均二次枝晶間距最小，為37.3 μm，較未添加細化劑時的降低了9.0%；當Al-5Ti-1B細化劑的質量分數為0.4%時，平均二次枝晶間距達到42.7 μm，略高于未添加細化劑時的。

2.2 第二相形貌及微區成分

由圖3可知，試驗合金中的第二相主要由共晶硅、富鐵相和稀土相組成。當細化劑質量分數不高于0.1%時，共晶硅主要呈狹長的纖維狀分布在α-Al相的二次枝晶間隙處；富鐵相和稀土相呈狹長的針狀或漢字狀，也主要分布在二次枝晶間隙處，與共晶硅形成共晶組織，說明富鐵相和稀土相的形成時期與共晶硅的相同。當細化劑質量分數不低于0.2%時，部分共晶硅變為粗短的棒狀或漢字狀，富鐵相及稀土相主要呈短棒狀、板條狀或漢字狀，與共晶硅一起分布在枝晶間隙中。但是，當細化劑質量分數增大至0.3%時，部分共晶硅的寬度變窄，長寬比增大，共晶硅變得更狹長、更尖銳。

圖4中亮白色相為稀土相，灰白色相為富鐵相。由圖4和表2可知：未添加細化劑時，試驗合金中稀土相和富鐵相呈粒狀、板條狀；粒狀稀土相(A點)的主要成分為鋁、硅、鈰，應為Al5Si3Ce相，板條狀稀土相(D點)含有一定量的鐵、鎂元素，鈰含量降低，應為Al15Si6FeCe1.5Mg1.5相；粒狀富鐵相為Al13Si6Mg3Fe，板條狀富鐵相為Al12Si5Fe2Mg。當加入細化劑后，試驗合金中稀土相呈漢字狀，其(E點)化學成分包括鋁、硅、鈰以及少量的鐵和鎂元素，鐵和鎂的含量低于未添加細化劑時板條狀稀土相的；大部分富鐵相已由板條狀轉變成漢字狀，但仍有部分呈板條狀，長寬比顯著增大，其(F點)成分與未添加細化劑時的基本一致。

圖3 添加不同質量分數Al-5Ti-1B細化劑制備得到試驗合金的第二相形貌Fig.3 Second phase morphology of the test alloy prepared by adding different mass fractions of Al-5Ti-1B refiner

圖4 添加不同質量分數Al-5Ti-1B細化劑制備得到試驗合金中稀土相和富鐵相的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the rare earth phase and iron-rich phase in the test alloy prepared by adding different mass fractions of Al-5Ti-1B alloy

表2 圖4中不同位置的EDS分析結果(質量分數)Table 2 EDS analysis results of different positions shown in Fig.4 (mass) %

2.3 共晶硅尺寸

由圖5可知，加入細化劑后，共晶硅的平均等效直徑均有所降低，且隨著細化劑添加量的增加呈現先降低后增大的趨勢，當細化劑質量分數為0.3%時，

平均等效直徑最小，為5.18 μm。共晶硅的等效直徑主要集中在2～10 μm，隨著細化劑的加入，10 μm以上的大尺寸共晶硅占比均有所降低；當細化劑質量分數為0.4%時，大尺寸共晶硅占比約為0.048，僅為未添加細化劑時的61.1%，說明大尺寸共晶硅的數量和占比均較未添加細化劑時的大幅降低。

由圖6可知：添加細化劑后，試驗合金中共晶硅的長寬比基本均降低，除了細化劑質量分數為0.3%時的，在該條件下共晶硅的長寬比高于未添加細化劑時的，為3.99。共晶硅的長寬比主要分布在16，超過6的超細長共晶硅較少。隨著細化劑的加入，多數情況下超細長共晶硅占比有所降低，但當細化劑質量分數為0.3%時，長寬比為67的共晶硅占比突然增大至0.092，這也導致了超細長共晶硅的占比達到0.175，較未添加細化劑時的提高36.6%。在大多數情況下，細化劑的加入有利于降低共晶硅的等效直徑和長寬比，對共晶硅的細化和鈍化具有一定的作用。綜上可知，添加質量分數0.2%的細化劑的綜合變質效果最佳，而繼續增加細化劑質量分數至0.3%時，共晶硅形態變得更加尖銳和狹長，這與圖3中共晶硅的形態基本吻合。

圖5 試驗合金中共晶硅的平均等效直徑隨Al-5Ti-1B細化劑質量分數的變化曲線及不同質量分數細化劑下等效直徑的分布Fig.5 Curve of average equivalent diameter of eutectic silicon in the test alloy vs mass fraction of Al-5Ti-1B refiner (a) and distribution of equivalent diameter with different mass fractions of refiner (b-f)

2.4 拉伸性能

由圖7可知：當未添加細化劑時，試驗合金的抗拉強度和斷后伸長率分別為145 MPa和4.2%；加入細化劑后，抗拉強度和斷后伸長率均有不同程度的提高，且隨著細化劑含量的增加，抗拉強度和伸長率均呈先增大后降低的趨勢；當細化劑質量分數為0.1%～0.3%時，抗拉強度趨于穩定，約為175 MPa，而斷后伸長率在細化劑質量分數為0.2%時達到最大，為7.0%，分別較未添加細化劑時的提高了20.7%和66.7%。

圖6 試驗合金中共晶硅的平均長寬比隨Al-5Ti-1B細化劑質量分數的變化曲線及不同質量分數細化劑下長寬比的分布Fig.6 Curve of average aspect ratio of eutectic silicon in the test alloy vs mass fraction of Al-5Ti-1B refiner (a) and distribution of aspect ratio under different mass fractions of refiners (b-f)

圖7 試驗合金的抗拉強度和斷后伸長率隨Al-5Ti-1B細化劑質量分數的變化曲線Fig.7 Curves of tensile strength and percentage elongation after fracture of the test alloy vs mass fraction of Al-5Ti-1B refiner

由圖8可知：添加不同質量分數細化劑制備得到試驗合金的拉伸斷口截面處均分布著共晶硅，靠近斷口的部分共晶硅上存在微裂紋，而稀土相和富鐵相上未發現明顯的裂紋，這說明裂紋主要萌生于粗大的共晶硅處；裂紋沿著α-Al樹枝晶間隙中的共晶硅擴展，當裂紋連接在一起后發生斷裂失效；斷口呈顯著的沿晶斷裂特征。

Al-5Ti-1B細化劑的加入在一定程度上改善了鑄造鋁合金中共晶硅的尺寸和形貌、二次枝晶間距，從而延緩了裂紋的擴展速率，有效提高了合金的塑性。綜上可知，當Al-5Ti-1B細化劑質量分數為0.2%時，試驗合金的組織細化最為顯著，尤其是顯著改善了共晶硅、富鐵相等脆性相形態，從而使合金獲得最佳的拉伸性能。

3 結 論

(1) Al-5Ti-1B細化劑的添加對含鈰A356鑄造鋁合金組織形態的改善作用較弱；隨著細化劑含量的增加，α-Al樹枝晶的平均二次枝晶間距呈先減小后增大的趨勢，當Al-5Ti-1B細化劑的質量分數為0.2%時，平均二次枝晶間距最小，為37.3 μm，較未添加細化劑時的降低了9.0%。

(2) 適量細化劑的添加能促使鋁合金中共晶硅由狹長纖維狀向粗短棒狀的轉變，有利于降低共晶硅的等效直徑和長寬比，而過量細化劑會引起共晶硅的尖銳化；加入細化劑后，稀土相和富鐵相的形態由板條狀和粒狀變成漢字狀；添加質量分數0.2%細化劑的綜合變質效果最佳。

(3) 加入細化劑后，合金的抗拉強度和斷后伸長率均有不同程度的提高；隨著細化劑含量的增加，抗拉強度和斷后伸長率均呈先增大后降低的趨勢；當細化劑質量分數為0.2%時，合金的拉伸性能最佳，抗拉強度和斷后伸長率較未添加細化劑的分別提高了20.7%和66.7%。

圖8 添加不同質量分數Al-5Ti-1B細化劑制備得到試驗合金的拉伸斷口截面組織Fig.8 Cross section microstructures at tensile fracture of the test alloy prepared by adding different mass fractions of Al-5Ti-1B refiner