不同晶粒細化劑對5083 鋁合金鑄錠晶粒細化對比研究

黃 亮，趙啟忠，楊鴻馳，何克準

（1.廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西鋁合金材料與加工重點實驗室，廣西 南寧 530031）

5083 鋁合金屬于Al-Mg 系高Mg 鋁合金，不可熱處理強化，具有良好的耐腐蝕性能，同時又具有較高的強度、良好的塑性等優(yōu)點，廣泛應用于海洋運輸、工模具、航空航天、化工運輸、裝甲車、壓力容器等行業(yè)[1-3]，隨著市場的發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛。5083 鋁合金合金化元素比較多，主要合金成分為Mg、Mn 等元素，對5083 鋁合金晶粒、力學性能起主要影響作用[4-5]，而國內目前還很少有研究晶粒細化劑對5083 鋁合金鑄錠的影響，只有孫洪胤等[6]研究了晶粒細化劑對5 系鋁合金組織和性能的影響，Chengguo MA 等[7]對晶粒細化劑對5083 鋁合金熔煉凈化及精煉效果進行研究，但對不同晶粒細化劑的添加研究影響文獻較少。為此，本文研究添加不同晶粒細化劑對5083 鋁合金微觀組織的影響，旨在為高Mg 鋁合金熔煉鑄造的晶粒細化工藝提供理論依據。

1 實驗材料與方法

本實驗所用5083 鋁合金材料是采用40 kg 坩堝熔煉爐以及自主設計鑄錠冷卻系統制備而成，實驗用5083 鋁合金鑄錠的化學成分如表1 所示。實驗鑄錠晶粒細化劑添加量根據傳統半連續(xù)鑄造過程中晶粒細化劑添加量換算而成，具體添加量如表2 所示。首先空爐升溫至500 ℃烘爐30 min，然后裝上鋁錠后繼續(xù)升溫700 ～750 ℃，待鋁錠全部熔化后添加AlMn10、AlCr5 以及AlTi6 等中間合金，待中間合金熔化后添加Mg 錠，最后添加晶粒細化劑進行除氣除渣以及鑄造。分別取樣檢測顯微組織、成分檢測和室溫拉伸性能，其中金相樣品經過陽極覆膜處理后采用Zeiss axio vert.a1 觀察偏光顯微組織，成分檢測采用ARL3460 直讀光譜儀對鑄錠截面進行分析檢測，而力學樣品則加工成φ10 mm 圓形拉伸試樣后，采用CMT5305 材料試驗機檢測室溫拉伸性能。

表1 5083 鋁合金化學成分范圍（wt.%）

表2 不同細化劑在5083 鋁合金鑄錠生產中的試驗條件

2 實驗結果與分析

2.1 細化劑對合金組織的影響

2.1.1 金相樣品來源

采用40 kg 坩堝熔煉爐以及在自主設計模具及冷卻系統鑄造所得鑄錠如圖1 所示，鑄錠呈圓錐型，頂部直徑較大，底部直徑較小。截取長度方向距底部鑄錠三分之一處取樣進行分析。

圖1 實驗顯微組織取樣位置

2.1.2 金相樣品實驗結果

5083 合金鑄錠的組織中主要為α（Al 基體）相，β（Mg2Al3）、（FeMn）Al6和Mg2Si，采用不同晶粒細化劑對合金的鑄態(tài)顯微組織和形態(tài)有顯著影響。圖2 為添加不同晶粒細化劑的5083 合金鑄錠顯微組織圖。從圖中可以看出，晶粒細化劑加入后，晶粒尺寸得到明顯細化，在不加入晶粒細化劑前為粗大的枝晶，由中心向四周呈放射狀，晶粒尺寸不均勻為毫米級，加入細化劑后，晶粒尺寸顯著降低。但是晶粒細化效果有較大差別，Al-Ti5-B1 的晶粒細化效果較好，晶粒為細小的等軸晶，有部分球狀晶存在。而Al-Ti3-C0.15晶粒細化的組織相對粗大。從表3 可以看出，鑄錠晶粒尺寸從大到小的順序是不添加晶粒細化劑，Al-Ti5-B1 細化劑，Al-Ti3-C0.15 細化劑。因此從細化晶粒角度講，Al-Ti5-B1 細化效果最好，Al-Ti3-C0.15稍好于不添加晶粒細化劑。

圖2 添加不同晶粒細化劑的5083 合金鑄錠顯微組織

Mc Cartney D G 等[8]研究發(fā)現TiAl3和TiB2/TiC在鋁基體中都是潛在的結晶核心，在鑄造過程中添加Al-Ti-B 或Al-Ti-C 晶粒細化劑能夠有效的對鋁合金顯微組織起到細化作用。P.S.MOHANTY 和J.E.GRUZLESKI[9]也認為TiAl3和TiB2/TiC 在鋁合金晶粒細化中起關鍵作用。許多研者的實驗結果表明[10-12]細化劑中的TiAl3和TiB2顆粒越細小、越彌散，則可形成的非均勻形核核心越多，晶粒細化效果越顯著。因此根據已有的理論可以判定晶粒細化劑的細化效果很大程度上受到TiB2/TiC 相的數量影響，對比Al-Ti5-B1 和Al-Ti3-C0.15 晶粒細化劑可以發(fā)現Al-Ti5-B1 中Ti 含量高于Al-3Ti3-C0.15，在晶粒細化過程中Al-Ti5-B1 所生成的TiB2高于Al-Ti3-C0.15 所生成的TiC 顆粒，因此添加Al-Ti5-B1 細化效果好于Al-Ti3-C0.15。

2.2 細化劑對合金合金成分的影響

化學成分樣品取樣位置為距離鑄錠頂部四分之一處截面，每個樣品成分測試標記如圖3 所示。

圖3 成分分析取樣測試

從圖4 可看出添加晶粒細化劑對于5083 合金成分偏析影響不大，主要原因是成分偏析是有溶質原始在固、液相間得溶解度差異造成，隨著凝固的進行，溶質原子由固相被排到液相從而造成偏析[13]。5083 鋁合金由Mg、Mn、Cr、Fe、Si 等多種元素組成，在合金凝固的過程中，由于不同元素在液相與固相的溶解度差異，從而導致5083 合金鑄錠中中Mg、Mn、Cr、Fe、Si等元素成分差異。雖然添加晶粒細化劑能夠促進熔體在凝固過程中的形核從而有一定作用抑制偏析，但對晶粒細化劑對5083 鋁合金的偏析改善不明顯。

圖4 添加不同晶粒細化劑的5083 合金主要化學成分偏析

2.3 細化劑對合金鑄態(tài)性能的影響

2.3.1 力學樣品來源

力學樣品取樣位置及方式如圖5 所示，最終加工成φ10mm 比例拉伸試樣。

圖5 拉伸取樣位置

2.3.2 力學樣品實驗結果

采用不同晶粒細化劑對5083 合金鑄錠的鑄態(tài)性能有一定影響。表4 為添加不同晶粒細化劑的5083合金鑄錠室溫拉伸性能。從表中可以看出，添加了晶粒細化劑的鑄錠力學性能也明顯優(yōu)于未添加細化劑鑄錠，跟晶粒大小有直接關系，細晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小，這是塑性增強的原因；晶粒越細小，位錯集群中位錯個數越小，應力集中越小，所以材料的強度越高；此外，細晶強化的強化規(guī)律，晶界越多，晶粒越細，根據霍爾-配奇關系式，晶粒的平均值（d）越小，材料的屈服強度就越高，結合表3、表4 可知，添加Al-Ti5-B1、Al-Ti3-B0.15 細化劑的5083 鋁合金注定力學性能優(yōu)于未添加晶粒細化劑，且添加Al-Ti5-B1 細化劑的5083 鋁合金鑄錠由于晶粒更加細小，其力學性能優(yōu)于添加Al-Ti3-C0.15 的5083 鋁合金鑄錠。

表4 鑄錠室溫拉伸性能結果

3 結論

（1）添加晶粒細化劑對鑄錠晶粒細化都有一定的作用，Al-Ti5-B1 的晶粒細化效果較好，而Al-Ti3-C0.15 的晶粒細化效果欠佳。

（2）添加晶粒細化劑對于鑄錠成分偏析改善不明顯。

（3）添加晶粒細化劑，通過細化晶粒，提高晶界，從而提高5083 鋁合金力學性能，為后續(xù)加工變形提供有利條件。