晶粒細(xì)化對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金組織性能的影響

牛艷萍+楊勇+唐維學(xué)+王彩華+管盡瓊

摘要： 采用Al5Ti1B合金細(xì)化劑對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金進(jìn)行晶粒細(xì)化，采用金相顯微鏡、激光導(dǎo)熱儀和拉伸試驗(yàn)機(jī)等研究晶粒細(xì)化對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金微觀組織、鑄造流動(dòng)性、力學(xué)性能與導(dǎo)熱系數(shù)的影響.結(jié)果表明：隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的αAl晶粒逐漸細(xì)化，鑄造流動(dòng)性、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸升高，但導(dǎo)熱系數(shù)略有下降.當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被細(xì)化至平均直徑約為90.9 μm，鑄造流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度為867 mm，抗拉強(qiáng)度為234 MPa，伸長(zhǎng)率為10.1%，導(dǎo)熱系數(shù)為182.7 W·m-1·K-1.

關(guān)鍵詞： AlSiMg合金； 晶粒細(xì)化； 鑄造流動(dòng)性； 導(dǎo)熱系數(shù)

中圖分類號(hào)： TG 146.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effects of Grain Refinement on Microstructures

and Properties of Al-3.2Si-0.8Mg Alloy

NIU Yanping， YANG Yong， TANG Weixue， WANG Caihua， GUAN Jinqiong

（Guangdong Center of Industrial Analysis and Testing， Guangzhou 510651， China）

Abstract：The Al-3.2Si-0.8Mg alloy was refined through adding Al-5Ti-1B alloy refiner.The effects of grain refinement on casting fluidity，thermal conductivity and mechanical properties of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were studied by metallurgical microscope，flash thermal conductivity meter and tensile testing machine，respectively.The results show that with the increasing amount of Al-5Ti-1B alloy refiner，the α-Al grains of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were more refined.In addition，the casting fluidity，tensile strength and elongation of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were improved，and the thermal conductivity was reduced.When the amount of Al-5Ti-1B alloy refiner was 0.5%，the grains size was able to be refined to 90.9 μm for Al-3.2Si-0.8Mg alloy with casting fluidity of length 867 mm，tensile strength of 234 MPa，elongation of 10.1%，and thermal conductivity of 182.7 W·m-1·K-1.

Keywords：Al-Si-Mg alloy； grain refinement； casting fluidity； thermal conductivity

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制造對(duì)散熱功能有一定要求的零部件，如電子產(chǎn)品的外殼、LED散熱片、無線通訊基站散熱基板等[1-2].這類零部件的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是采用AlMgSi系變形鋁合金為材料，先鑄造成錠坯，經(jīng)擠壓或軋制成板坯后，再機(jī)械加工成零部件.但這種方法的生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高，難以滿足大批量的生產(chǎn)要求[3].鑄造是鋁合金零部件最常用的生產(chǎn)方法，如壓鑄、擠壓鑄造，具有生產(chǎn)效率高、成本低、可成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁零件等特點(diǎn)[4].AlSi系合金，如A356、ADC12鋁合金等具有優(yōu)良的鑄造流動(dòng)性和機(jī)械加工性能，占現(xiàn)有鑄造鋁合金總產(chǎn)量的85%以上，但其導(dǎo)熱性能較差，難以滿足零部件對(duì)散熱性能的要求[5].AlMgSi系變形鋁合金，如6063、6061鋁合金等具有較好的強(qiáng)度、塑性和導(dǎo)熱性能，但其鑄造流動(dòng)性較差，熱裂傾向大，用于鑄造生產(chǎn)時(shí)，容易產(chǎn)生疏松和收縮裂紋等缺陷，無法滿足鑄造生產(chǎn)的要求[6].本課題組在前期工作中開發(fā)了具有較好鑄造流動(dòng)性和導(dǎo)熱性的Al3.2Si0.8Mg合金[7].對(duì)鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化，獲得細(xì)小均勻的晶粒組織，是進(jìn)一步提高合金鑄造流動(dòng)性和力學(xué)性能的重要方法[8].因此，本文研究晶粒細(xì)化對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金顯微組織、鑄造流動(dòng)性、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響.

第2期牛艷萍，等：晶粒細(xì)化對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金組織性能的影響

有 色 金 屬 材 料 與 工 程2017年 第38卷

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為Al3.2Si0.8Mg合金，采用工業(yè)純鋁（99.7%，本文中表示含量的%均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、工業(yè)純鎂（99.8%）、速溶硅配制熔煉，熔煉設(shè)備為100 kg鋁合金熔煉爐，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測(cè)定，其化學(xué)成分為：3.21%Si，0.79%Mg，0.14%Fe，0.02%Mn，0.03%Cu，0.02%Cr，余量為Al.細(xì)化劑為國內(nèi)某廠的Al5Ti1B合金桿，其化學(xué)成分為：5.12%Ti，1.09%B，0.11%Fe，0.08%Si，0.01%V，余量為Al.

在7.5 kW井式坩堝電阻爐內(nèi)于760 ℃加熱熔化Al3.2Si0.8Mg合金，精煉除氣除雜后，將鋁合金液降溫至720 ℃，然后分別加入0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%的Al5Ti1B合金細(xì)化劑進(jìn)行晶粒細(xì)化處理，攪拌并靜置30 min后，取鋁合金液澆注到預(yù)熱溫度為200 ℃的螺旋式流動(dòng)性試驗(yàn)?zāi)＞邇?nèi)，凝固冷卻后測(cè)量試樣的長(zhǎng)度.將鋁合金液澆注到預(yù)熱溫度為200 ℃的不銹鋼模具內(nèi)，鑄造成直徑為100 mm，高250 mm的鋁合金鑄錠.

在鋁合金鑄錠橫截面1/2半徑處取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICADMI3000M金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察.沿鋁合金鑄錠高度方向的相同位置取樣，并加工成直徑6 mm、標(biāo)距30 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在DNS200電子拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，拉伸速率為2 mm/min，測(cè)試鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率.在LGD2000型激光導(dǎo)熱儀上測(cè)試鋁合金的室溫導(dǎo)熱系數(shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為鑄態(tài)Al3.2Si0.8Mg合金組織的金相照片，圖2為鑄態(tài)Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒平均直徑與Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量之間的變化曲線.

由圖1和圖2可見，鑄態(tài)Al3.2Si0.8Mg合金的微觀組織由αAl和（Al+Si）共晶相組成.未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑時(shí)，鑄態(tài)Al3.2Si0.8Mg合金的組織為發(fā)達(dá)的αAl枝晶，枝晶臂相互搭接，晶粒粗大，平均晶粒直徑約為210.3 μm，如圖1（a）所示.隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，αAl枝晶開始逐漸細(xì)化，晶粒尺寸逐漸減小，

趨于更加均勻，晶間的（Al+Si）共晶相分布也更加均勻.當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量增加到0.5%時(shí)，與未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑相比，此時(shí)的Al3.2Si0.8Mg合金組織中的αAl相被明顯細(xì)化，平均尺寸約為90.9 μm，如圖1（f）所示.

Al5Ti1B合金細(xì)化劑是由TiAl3相、TiB2粒

子和Al基體組成，向Al3.2Si0.8Mg合金熔體中添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑后，TiAl3相逐漸熔解釋放出Ti原子，高熔點(diǎn)TiB2粒子直接保留在整個(gè)熔體中.當(dāng)Al3.2Si0.8Mg合金冷卻凝固結(jié)晶時(shí)，Ti原子在TiB2粒子表面偏聚形成TiAl3相，TiAl3相再與Al3.2Si0.8Mg合金熔體發(fā)生包晶反應(yīng)生成αAl晶核[9].Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量越多，Al熔體中Ti原子濃度越高，TiB2粒子的數(shù)量也越多，提供的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)越多，晶粒細(xì)化效果越顯著，因而鑄態(tài)Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒越細(xì)小.

2.2 鑄造流動(dòng)性

圖3為Al3.2Si0.8Mg合金鑄造流動(dòng)性試樣的形貌圖.

長(zhǎng)度與Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量之間的

關(guān)系曲線.由圖3和圖4可見，未添加Al5Ti1B

合金細(xì)化劑時(shí)，鋁合金熔體的流動(dòng)性較差，鑄造流動(dòng)

性試樣長(zhǎng)度為782 mm.隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被逐漸細(xì)化，鋁合金熔體的流動(dòng)性不斷改善，鑄造流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng).當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量為0.5%時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被明顯細(xì)化，鑄造流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度達(dá)到867 mm，與未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑相比，此時(shí)Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動(dòng)性提高了10.9%.上述結(jié)果表明，添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金進(jìn)行晶粒細(xì)化處理，可以提高鋁合金的鑄造流動(dòng)性.

Al3.2Si0.8Mg合金鑄造凝固結(jié)晶過程中，首先形成αAl枝晶，最后晶間低熔點(diǎn)共晶液相發(fā)生凝固[10-11].未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑時(shí)，凝固過程中首先形成粗大的αAl枝晶骨架，枝晶臂相互搭接后阻礙晶間低熔點(diǎn)共晶液相的流動(dòng)補(bǔ)縮，因此鋁合金的鑄造流動(dòng)性較差[12].添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑對(duì)Al3.2Si0.8Mg合金進(jìn)行細(xì)化處理后，初生αAl枝晶退化，晶粒尺寸減小，為晶間低熔點(diǎn)共晶液相提供了更多、更順暢的流動(dòng)補(bǔ)縮通道，因而Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動(dòng)性有所提高.

2.3 力學(xué)性能

圖5為Al3.2Si0.8Mg合金的拉伸力學(xué)性能與Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量之間的變化曲線.由圖5可見，未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑進(jìn)行晶粒細(xì)化處理時(shí)，由于Al3.2Si0.8Mg合金的鑄態(tài)組織為粗大的枝晶，拉伸力學(xué)性能較差，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為221 MPa和9.2%.當(dāng)添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑后，由于Al3.2Si0.8Mg合金的鑄態(tài)晶粒組織被細(xì)化，合金的拉伸力學(xué)性能得到明顯提高，并且隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸升高.當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量增加到0.5%時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高到234 MPa和10.1%.與未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑相比，此時(shí)的Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了5.9%和9.8%.

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

鋁合金導(dǎo)熱的物理過程本質(zhì)上依賴于電子的運(yùn)動(dòng)，由一定的溫度梯度作為驅(qū)動(dòng)力，電子在定向運(yùn)動(dòng)的過程中通過不斷碰撞將所攜帶的能量進(jìn)行傳遞[13].電子在兩次碰撞中運(yùn)動(dòng)的平均距離稱為平均自由程，鋁合金中電子的平均自由程受晶體結(jié)構(gòu)完整程度的限制.溫度梯度一定時(shí)，平均自由程越長(zhǎng)則材料的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)[14].鋁合金中缺陷和晶間第二相數(shù)量越多，元素固溶度越高，引起鋁基體晶格畸變?cè)絿?yán)重，破壞了鋁基體中原子的有序程度和原有周期性電場(chǎng)的分布，產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)電子的散射增強(qiáng)，平均自由程減小，導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)熱性能下降[15].

圖6為Al3.2Si0.8Mg合金導(dǎo)熱系數(shù)與Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量之間的關(guān)系曲線.由圖6可見，隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，Al3.2Si0.8Mg合金的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降. 未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的導(dǎo)熱系數(shù)為188.2 W·m-1·K-1.添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑后，Al3.2Si0.8Mg合金微觀組織得到明顯細(xì)化，晶粒平均直徑減小.晶界是一種面缺陷，對(duì)自由電子的運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，導(dǎo)致能量傳輸效率降低，從而引起鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)下降.當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量增至0.5%時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的導(dǎo)熱系數(shù)為182.7 W·m-1·K-1，與未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑相比，導(dǎo)熱系數(shù)下降2.9%.

3 結(jié) 論

（1） 隨著Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量的增加，Al3.2Si

0.8Mg合金的晶粒逐漸細(xì)化，合金鑄造流動(dòng)性、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸提高，但導(dǎo)熱系數(shù)略有下降.

（2） 當(dāng)Al5Ti1B合金細(xì)化劑添加量增至0.5%時(shí)，Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被細(xì)化至平均直徑約為90.9 μm，鑄造流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度為867 mm，抗拉強(qiáng)度為234 MPa，伸長(zhǎng)率為10.1%，導(dǎo)熱系數(shù)為182.7 W·m-1·K-1.

（3） 與未添加Al5Ti1B合金細(xì)化劑相比，添加0.5%的Al5Ti1B細(xì)化劑的Al3.2Si0.8Mg合金的鑄造流動(dòng)性、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了10.9%，5.9%和9.8%，但導(dǎo)熱系數(shù)下降了2.9%.

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