Al-5Ti-B細化劑對A356合金微觀組織的影響

秦曉雄，楊運宇，馮紹凱，盧楠方，程 峰

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009

Al-5Ti-B細化劑對A356合金微觀組織的影響

秦曉雄，楊運宇，馮紹凱，盧楠方，程 峰

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009

制定合理的熔煉工藝熔配A356合金，并在澆注前加入不同含量的Al-5Ti-B細化劑對合金液進行細化處理，研究細化劑對A356合金組織和性能的影響．研究結(jié)果表明：加入Al-5Ti-B能使A356合金中的初生α-Al相顯著細化，該相由粗大的樹枝晶變?yōu)榧毿?、無定向的枝晶；由于晶粒變小晶界增多，硅相變得更為分散地分布在枝晶和晶粒間隙內(nèi)，導(dǎo)致粗大的針片狀共晶硅減少且長度變短，使應(yīng)力集中程度降低．當(dāng)細化劑加入量在1.0%時細化效果最好，二次枝晶間距為22.98 μm，鑄態(tài)下其硬度為62.4HB，而不經(jīng)過細化處理的A356合金，其硬度僅為52.0HB，相比提高了12.4%．

A356合金；Al-5Ti-B細化；微觀組織；硬度

A356合金是美國于二十世紀(jì)70年代研制的鋁合金，為常用的鑄造Al-Si-Mg系合金，自誕生以來迅速應(yīng)用在汽車上作為輪轂的材料，打破了傳統(tǒng)鋼制輪轂材料的限制．A356合金主要有鑄造流動性好、強度高、機械加工性能好、收縮率和熱裂傾向小等優(yōu)點，已成為目前汽車、摩托車輪轂使用最為廣泛的亞共晶Al-Si系材料，并廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中，隨著汽車設(shè)計向輕型化、節(jié)能化及多品種化方面發(fā)展，A356合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與日俱增，應(yīng)用范圍不斷擴大[1]．

晶粒細化是鋁及其合金熔鑄過程中的重要工藝之一，可顯著提高材料的力學(xué)性能及加工性能，也是解決鑄件氣孔、裂紋等鑄造缺陷的重要措施．晶粒細化對材料的作用[2]：(1)產(chǎn)生細晶強化作用，合金細化在提高材料強度和硬度的同時其塑韌性不會降低，進而提高材料的綜合力學(xué)性能與加工工藝性能；(2)提高材料的塑性變形能力，為鑄件后續(xù)加工中的塑性變形帶來更大的靈活性，多晶體變形是材料各

個晶粒和晶界協(xié)調(diào)變形的結(jié)果，所以晶粒越細，變形均勻性越好，越有利于減少加工過程中的缺陷；(3)細化鑄態(tài)組織使結(jié)晶組織均勻，可以減小組織內(nèi)部縮松、偏析，防止產(chǎn)生裂紋和縮孔等缺陷，同時提高鑄件的壓力氣密性、防腐性能，此外晶粒細化還能增加熔體的流動性，改善鑄件填充性能，消除表面縮孔及減少熱裂傾向．

本文通過制定合理的熔煉工藝熔配A356合金，并在澆注前加入不同含量的Al-5Ti-B細化劑，研究細化劑對A356合金組織和性能的影響．

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗原料為Al-50Si合金、純鋁、純鎂，將它們按一定計算比列配料并進行熔煉，通過制定合理的熔煉工藝，制備出標(biāo)準(zhǔn)的A356合金，其成分列于表1．

表1 A356合金化學(xué)成分

1.2 A356合金的熔煉工藝

實驗用坩堝電阻爐熔煉，熔煉溫度為750 ℃、精煉溫度750 ℃、澆注溫度720 ℃、模具溫度200 ℃．首先用砂紙打磨坩堝和熔煉工具，并烘干預(yù)熱爐料及工具，將純鋁熔化再加入Al-50Si合金，待其熔化后在表面均勻撒上覆蓋劑，保溫15 min，以便使金屬液溫度及成分均勻，然后再750 ℃下加入C2Cl6精煉劑，進行一次精煉， 5 min后扒渣，再把用鋁箔包裹的純鎂壓入鋁液中，為防止鎂燃燒氧化，在鋁液表面撒上覆蓋劑，保溫10 min，待鎂塊完全融化后進行二次精煉，扒渣，最后加入不同含量的Al-5Ti-B細化劑進行細化處理，靜置10 min后在720 ℃下澆注到鑄鐵金屬型中，最終制得A356合金[3]．

在澆注試樣的同一位置切取并制備金相試樣，用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF溶液進行腐蝕，觀察材料的微觀金相組織，并用HB3000 型布氏硬度計測試其布氏硬度．

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 合金的微觀組織

向金屬液中加入不同含量的Al-5Ti-B細化劑進行細化處理，細化劑加入量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))分別為0，0.5%，1.0%和1.5%，以探究最佳細化效果．圖1為加入不同含量細化劑后的細化效果．

圖1 不同含量細化劑的細化效果(a)未細化處理；(b) 添加量0.5%；(c) 添加量1.0%；(d) 添加量1.5%Fig.1 Effect of different content of refining agent(a)without refinement treatment；(b)0.5wt% refiner added；(c) 1.0 wt% refiner added；(d)1.5 wt% refiner added

圖1(a)為未進行細化處理的A356合金的微觀組織，可以看到樹枝晶較粗大，晶粒的二次枝晶間距也很大；圖1(b)為細化劑加入量為0.5%的A356合金的微觀組織，與未經(jīng)細化處理的合金組織相比，其樹枝晶尺寸開始減小，二次枝晶間距也減小，但細化效果不是很明顯，從宏觀來看，整體的晶粒尺寸仍然較大；繼續(xù)增加細化劑的加入量，當(dāng)細化劑加入量為1.0%時，取得了非常顯著的細化效果，二次枝晶間距顯著減小，晶粒均勻細小，與未進行細化處理的合金微觀組織相比，其共晶硅也更加分散細?。划?dāng)細化劑加入量為1.5%時，與加入量1%的合金相比，其晶粒尺寸略變大，出現(xiàn)粗化的趨勢．

為了能定量地研究細化劑加入量的細化效果，采用Image-Pro-Plus軟件對合金微觀組織中晶粒的尺寸進行測量分析．晶粒大小一般用一次枝晶的長度和二次枝晶間距表征，由于在凝固過程中樹枝晶往往互相搭接在一起，在材料微觀組織的金相照片中完整的晶粒往往不容易區(qū)別，而用二次枝晶間距則比較容易測量．本實驗用二次枝晶間距來表征晶粒的大小，二次枝晶間距越小，說明晶粒尺寸越細小[3]．

圖2為細化劑加入量與二次枝晶間距的關(guān)系．從圖2可以看出，隨細化劑加入量的提高，二次枝晶間距先減小后升高．未加細化劑的A356合金，α相二次枝晶間距為78.02 μm；當(dāng)Al-5Ti-B細化劑加入量為0.5%時，A356合金的二次枝晶間距減小到52.49 μm；當(dāng)Al-5Ti-B細化劑加入量為1.0%時， A356合金的α相晶粒的二次枝晶間距減小為22.98 μm；當(dāng)Al-5Ti-B細化劑加入量為1.5%時，合金的二次枝晶間距為27.03 μm，晶粒尺寸沒有變的更細，相反有變大的趨勢．

圖2 細化劑對二次枝晶間距的影響Fig.2 The effect of refiner on the distance of secondary dendrite

2.2 合金的硬度

材料布氏硬度的測定原理是用一定大小的試驗力F，把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量壓痕平均直徑d，再通過查表得出材料的布氏硬度值[4]．布氏硬度測試的是材料的宏觀硬度，一般而言，材料的宏觀硬度與其強度是相關(guān)聯(lián)的，材料的宏觀硬度越大其強度越高．對金屬材料而言，材料的微觀組織中如果沒有嚴(yán)重割裂基體的脆性相存在，那么其抗拉強度約為其布氏硬度的3～4倍，這一規(guī)律對很多常用的金屬工程材料都成立．用鑄態(tài)下未經(jīng)細化的A356合金澆注制備出拉伸試樣，其抗拉強度為169 MPa，為其布氏硬度的3.2倍，經(jīng)試驗驗證該結(jié)論對A356合金也成立，故本實驗可以用材料的布氏硬度表征細化對材料強度的影響．

對鑄態(tài)下加入不同含量細化劑的A356合金進行布氏硬度測試，結(jié)果見圖3．從圖3可以看出：未加細化劑的合金，其鑄態(tài)下的布氏硬度為52.3HB；加入0.5%細化劑的合金，鑄態(tài)下其布氏硬度為55.3HB；加入1.0%細化劑的合金，鑄態(tài)下其布氏硬度為62.4HB，相比未添加細化劑的合金硬度提高了12.4%；加入1.5%細化劑的合金，鑄態(tài)下其布氏硬度為59.0HB，開始出現(xiàn)下降趨勢．由此可知，對A356合金來說，Al-5Ti-B細化劑的最佳加入量為1.0%．

圖3 不同含量細化劑的A356合金的布氏硬度Fig.3 Brinell hardness of A356 alloy with different content of refining agent

細化晶粒之所以能起到強化作用，在很大程度上與晶界和硅相的分布及形態(tài)有著密切的關(guān)系．一方面，由于晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng)，以及晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，也增大了晶界附近的滑移阻力．因而位錯在多晶體中運動時，一側(cè)晶粒中的滑移帶不容易直接進入第二個晶粒中，而且晶界上的形變，需要多個滑移系統(tǒng)同時動作，這同樣導(dǎo)致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，塞積在晶界處的位錯相互糾纏交割，很難再移動，從而在晶界處形成位錯密度很高的位錯墻，成為后續(xù)位錯運動的障礙，因而晶粒越細小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，宏觀體現(xiàn)為材料的強度和硬度增大．

Hallpetch公式[5]定量地表明了材料晶粒尺寸和力學(xué)性能的關(guān)系σs=σo+Kd-1/2．式中σo為常數(shù)，反應(yīng)晶內(nèi)對變形的阻力；K為常數(shù)，表征晶界對強度影響的程度，d為平均晶粒直徑．從公式中可以看出，材料晶粒越小，材料的強度越高，實驗結(jié)果與之相吻合．

另一方面，從相圖也可以得出，經(jīng)過細化處理的材料微觀組織中，硅相的分布更均勻分散，形態(tài)更細小，這是因為共晶硅是最后凝固的．分析Al-Si二元相圖發(fā)現(xiàn)，材料先共晶相是α-Al相，先析出的α-Al相構(gòu)成枝晶骨架，共晶硅最后凝固，所以只能分布在α-Al晶粒的間隙即晶界處，故α-Al晶粒細化后晶界增多，導(dǎo)致硅相的分布也更加均勻，形態(tài)也比較細小，避免了粗大的針狀硅的析出，減少了應(yīng)力集中，這也有利于材料強度的提高．

3 結(jié) 論

通過制定合理的熔煉工藝，制備出標(biāo)準(zhǔn)的A356 合金，并向其中添加0.5%～1.5%的Al-5Ti-B細化劑進行細化處理，利用金相顯微鏡、布氏硬度計等實驗儀器和image-pro-plus 軟件研究Al-5Ti-B細化劑對A356 合金微觀組織和力學(xué)性能的改善．結(jié)果表明，Al-5Ti-B細化劑的加入使材料的微觀組織改善，α-Al晶粒得到細化，由粗大樹枝晶變?yōu)榧毿渲В柘嗟姆植家脖容^分散．用image-pro-plus 軟件分析得知，隨細化劑加入量的提高，二次枝晶間距先減小后升高，最佳加入量為1.0%，未加細化劑的A356合金，α相二次枝晶間距為78.02 μm，當(dāng)Al-5Ti-B細化劑加入量為1.0%時， A356合金的α相晶粒的二次枝晶間距減小為22.98 μm．鑄態(tài)下的布氏硬度由未經(jīng)細化時的52.3HB提高到62.4HB，提高了12.4%．

[1] 張振．汽車輪轂用A356鋁合金的精煉及凈化[D]．碩士學(xué)位論文，秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

[2] 楊陽，劉相法，邊秀房，等．鋁及鋁合金α-Al 晶粒細化方法的進展[J]．上海有色金屬，1997，33(6)：602-608.

[3] 黃吉，程和法，杜承信,等．Sc對A356合金組織和性能的影響[J]．特種鑄造及有色合金，2015，35(12)：1318-1321.

[4] 胡凌云．淺談金屬布氏硬度、洛氏硬度檢測適用范圍[J]. 機械管理開發(fā), 2012，5：91-92.

[5] 崔忠圻，覃耀春. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1989.

The effect of Al-5Ti-B refiner microstrueture of A356 alloy

QIN Xiaoxiong，YANG Yunyu，F(xiàn)ENG Shaokai，LU Nanfang，CHENG Feng

SchoolofMaterialScienceandEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China

The author formulate a reasonable process of A356 alloy. And a series of different amounts of Al-5Ti-B grain refiner have been added into the mdten before pouring, to investigate the effect of Al-5Ti-B grain refiner on micstructure and mechanical properties of A356 alloy. The results show that the primary α-Al phase in A356 alloy can be refined significantly, which are changed into fine non-directional dendrites from coarse dendrite. Meanwhile, due to the decrease of grain size, grain boundary increase a lot,silicon phase change more dispersed and the size of eutectic silicon in the alloy is decreased. As a result, the stress concentration level is reduced. The desirable refinement of the α-Al phase in A356 alloy is obtained with 1.0% Al-5Ti-B refiner, the mechancial properties of as-cast A356 with 1.0% Al-5Ti-B refiner reach 62.4 HB in hardness.

A356 alloy；Al-5Ti-B refiner；micstrcture；hardness

2017-01-10

秦曉雄(1993-)，男，山西運城人，碩士.

1673-9981(2017)01-0009-04

TG113.12

A