A356鋁合金晶粒細化的研究

覃 銘,楊途才（百色學院材料科學與工程學院,廣西 百色 533000）

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A356鋁合金晶粒細化的研究

覃 銘,楊途才
（百色學院材料科學與工程學院,廣西 百色 533000）

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

關鍵詞：鋁合金；晶粒細化；細化機理

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，經(jīng)過晶粒細化和熱處理后，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等各方面的性能得到相應的改善，被廣泛于工業(yè)、交通、農業(yè)等部門，尤其是應用在汽車零配件中［1］。鋁合金的機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［2］。鋁合金的晶粒尺寸和形態(tài)特征決定著鋁合金的性能，細小、均勻的晶粒組織，可以有效地提高材料的強度和韌性，同時改善合金的機械加工性能，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)呈粗大的片狀結構，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)域的應力集中，產生裂紋源，使鑄造合金的力學性能和加工性能惡化［3］。沒有添加任何晶粒細化處理和變質劑的A356鋁合金，基體組織晶粒比較粗大，整體力學性能較差。因此，對鋁合金進行晶粒細化，是獲得優(yōu)良的鋁合金材料的重要保證。

2 鋁合金晶粒細化的主要方法

2.1 鋁合金晶粒細化的本質

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

2.2 機械振動對鋁合金微觀組織的影響

機械振動細化鋁合金晶粒屬于物理細化的一種方法。曾禮［6］通過研究機械振動對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。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晶粒逐漸變得細小，二次枝晶臂破碎，分布均勻，因而力學性能有所提高。但是繼續(xù)增加頻率或振幅，強度和延伸率又降低，特別是頻率為50Hz，振幅0.9mm的垂直振動，晶粒最細小均勻，綜合力學性能最好。隨著振動頻率和振幅的增加，晶粒有長大的趨勢，其強度和延伸率卻降低，而且低于未施加任何振動時的強度。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行金相分析。實驗結果表明，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、細小，均勻分布。Al-5Ti-1B-0.5RE中間合金不僅是細化作用，而且還起到變質效果，鋁液中AlTiRE不穩(wěn)定，容易分解，沒有起到形核的作用。同時，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，起到異質形核的作用，既增強了細化效果，又抑制TiB2粒子不容易聚集在一起，細化劑的有效時間增加，使得Al-5Ti-1B-RE中間合金比較穩(wěn)定的細化作用［9］。除此之外，加入稀土的另外作用就是變質作用，在一定程度上也增強了A356鋁合金的質量。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

通過復合稀土的添加對A356鋁合金的精煉及變質也會產生影響［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。復合添加稀土La和Ce對A356鋁合金具有較好的變質作用，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)生轉變［11］。鋁合金的晶粒組織得到明顯地細化，并且復合添加稀土比單一添加的晶粒細化效果明顯，復合添加稀土La和Ce復合變質過程中，兩者間的變質作用是相互促進的。特別是稀土的添加量為0.1La0.5Ce，對A356鋁合金組織的細化效果最為明顯。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基體嚴重被割裂。AlTiB對鋁合金有明顯的細化效果。加入AlTiB中間合金細化處理后，形核粒子數(shù)量增加，大大增加有效異質形核核心，達到細化α-Al基體組織的作用，α-Al相變得更為細小，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?。A356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

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

（1）機械振動能使鋁合金初生α -Al晶粒變得細小，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化，沒能達到作用，達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化、變質劑，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，起到異質形核的作用，既增強了細化效果，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)定的細化作用。

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

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

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

項目基金：2014廣西科學研究與技術開發(fā)計劃項目（桂科攻14122005-12）；2014廣西高?？茖W技術研究重點項目（ZD2014134）。