Al-5Ti-1B細化劑對ADC12鋁合金鑄態(tài)組織及性能影響

宋 偉，王圣波，蘆 靜

(1.寶雞石油機械有限責任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721000； 2.海南職業(yè)技術學院 工業(yè)與信息學院，海南 海口 570100；3.火箭軍工程大學 基礎部，陜西 西安 710025)

ADC12鋁合金由于其熔體的流動性好，合金耐蝕性好、比強度高和易切削等優(yōu)點[1]，被廣泛應用于在汽車、摩托車等機械制造行業(yè)[2]。但是，常規(guī)ADC12鋁合金鑄件枝晶發(fā)達、晶粒粗大、力學性能較差，這使其不能在汽車發(fā)動機缸體、缸蓋等關鍵零部件上發(fā)揮優(yōu)勢[3]。細小均勻的晶粒組織是保證鑄件獲得優(yōu)良性能的關鍵因素之一[4]。目前細化晶粒手段主要有物理方法和化學方法兩類[5]：物理方法主要包括快速冷卻法、機械物理細化法和物理場細化法等，但需要配備相關特殊設備，操作難度大，細化效果不理想；化學方法是熔煉過程中將晶粒細化劑加入鋁熔體，促進異質形核或抑制晶核生長來獲得細小均勻的組織[6]。目前采用化學方法將細化劑加入鋁熔體來細化鑄造組織是最簡易有效的方法[7]。鋁合金晶粒細化處理的研究主要集中在變形鋁合金上[8-12]，Al-Si系鑄造鋁合金的晶粒細化雖然也受到關注[13-15]，但關于ADC12鋁合金的細化效果的研究報道仍較少。為了進一步提升ADC12鋁合金鑄件的綜合性能，本課題采用Al-5Ti-1B的細化劑試驗研究ADC12鋁合金鑄態(tài)晶粒組織的細化效果，為ADC12鋁合金鑄件晶粒細化處理工藝在生產(chǎn)中應用提供技術支持。

1 試驗條件與方法

試驗用料：ADC12鋁合金錠(化學成分見表1)，Al-5Ti-1B細化劑。將ADC12鋁合金錠放在SG2-7.5-12型電阻爐中進行熔化，待熔體溫度升至740 ℃時，分別用鐵鉗將不同配料量的Al-5Ti-1B細化劑(加入質量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)夾住壓入ADC12鋁合金熔體，保溫不同時間(2 min、5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、90 min、120 min)，利用高效除氣精煉熔劑除氣，扒渣后，在720 ℃時將熔體澆注于兩種模具中：①拉伸試樣的金屬型模具(模具型腔刷水玻璃涂料，在200 ℃下烘烤30 min)，澆注獲得標準拉伸試棒，其尺寸見圖1。采用UTM5000型萬能電子材料試驗機，測定ADC12鋁合金的室溫力學性能指標。②宏觀和微觀金相試樣的Φ50 mm×100 mm石墨鑄型，制取宏觀和微觀金相試樣，宏觀試樣腐蝕劑采用體積分數(shù)為60%HCl+30%HNO3+5%HF+5%H2O的為M5腐蝕劑。微觀金相試樣腐蝕劑采用體積分數(shù)為0.5%HF試劑，采用XJZ-6A光學顯微鏡、Hitachis-3000N/H型掃描電子顯微鏡觀察ADC12鋁合金的顯微組織。

表1 ADC12鋁合金化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of ADC12 Al alloy(wt%)

圖1 ADC12鋁合金拉伸試樣Fig.1 The tensile specimen of ADC12 Al alloy

2 試驗結果

2.1 Al-5Ti-1B細化劑加入量對ADC12鋁合金細化效果的影響

圖2是ADC12鋁合金熔體溫度升至740 ℃時，將不同質量分數(shù)Al-5Ti-1B加入合金熔體，保溫10 min之后，鑄態(tài)的顯微組織。圖3為對應的宏觀晶粒組織。由圖2可知，未添加細化劑(圖2a)和Al-5Ti-1B細化劑的添加量(質量分數(shù)，下同)為0.1%時(圖2b)，初生α-Al枝晶發(fā)達且粗大、呈現(xiàn)典型的樹枝狀。當加入量為0.2%時(圖2c)，α-Al枝晶明顯變的細小均勻。但是，當繼續(xù)增加Al-5Ti-1B加入量，α-Al枝晶開始出現(xiàn)粗化傾向，如圖2d-f，甚至回復至未細化時的晶粒尺寸。由圖3也可以看出，當Al-5Ti-1B加添加量為0.2%時，ADC12鋁合金的組織細小均勻，細化效果最佳，宏觀晶粒尺寸最小，加入量大于或小于0.2%時晶粒細化效果變差。

圖2 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12鋁合金鑄態(tài)顯微組織Fig.2 As-cast microstructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of addition of Al-5Ti-1B

圖3 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12鋁合金鑄態(tài)宏觀組織Fig.3 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of Al-5Ti-1B

圖4為ADC12鋁合金力學性能隨Al-5Ti-1B加入量的變化趨勢。從圖4可以看出，未添加Al-5Ti-1B細化劑時其抗拉強度為189 N/mm2，伸長率只有1.51%；當合加入0.1%Al-5Ti-1B細化劑后，ADC12鋁合金抗拉強度和伸長率明顯升高；當細化劑加入量增加到0.2%時，合金的常溫抗拉強度達到265 N/mm2，提高了40.2%，而伸長率達到2.55%，表現(xiàn)出良好的綜合力學性能；隨著Al-5Ti-1B加入量進一步增加，合金的力學性能逐漸變差。

圖4 Al-5Ti-1B加入量對ADC12鋁合金鑄態(tài)力學性能的影響Fig.4 Influence of different Al-5Ti-1B additions on as-cast mechanical properties of ADC12 Al alloys

2.2 熔體中加入Al-5Ti-1B不同保溫時間對ADC12鋁合金細化效果的影響

圖5是ADC12鋁合金熔體添加0.2%的Al-5Ti-1B經(jīng)不同保溫時間后鑄態(tài)的宏觀晶粒組織形貌。從圖5可以看出，保溫時間為10 min晶粒細化效果最佳，為細小均勻的等軸晶。當保溫時間小于10 min宏觀晶粒組織粗大且有明顯的柱狀晶區(qū)；隨著保溫時間延長(大于10 min)，細化效果逐漸衰退。

圖5 熔體中加入細化劑不同保溫時間的ADC12鋁合金鑄態(tài)宏觀組織Fig.5 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined with different holding time

3 分析與討論

TiB2粒子熔點很高(2 980 ℃)，在鋁熔體中溶解度小[16-17]，穩(wěn)定性高，而且與α-Al的晶格結構相差較大，因此，TiB2粒子并不能成為鋁的有效形核中心，而是通過聚集在晶粒邊界的方式抑制了α-Al的長大，從而使α-Al得到細化[18-19]。根據(jù)相圖-粒子理論[20]，在熔煉ADC12鋁合金時，加入Al-5Ti-1B細化劑，細化劑中的TiAl3在熔體中熔解為細小的顆粒， TiB2粒子分布于鋁體中，隨著保溫時間增加，TiAl3不斷熔解為鋁合金熔體提供了過剩的Ti，過剩的Ti聚集在TiB2粒子團界面上形成了TiAl3沉淀層[21]，此層經(jīng)包晶反應[22]L+TiAl3→α-Al，促使α-Al成核。Al-5Ti-1B在細化α-Al晶粒的同時，對CuAl2相和硅相有一定的細化作用(如圖2)。這主要是由于鋁-硅合金熔體中的晶粒生長過程中，α-Al相先于其他相先期析出，而共晶硅最后凝固，在α-Al枝晶的間隙中析出并長大[23]，所以先析出的α-Al枝晶的尺寸大小會直接影響最后凝固的共晶硅尺寸大小。因此，Al-5Ti-1B的加入不但可以細化α-Al相，而且還能改善共晶硅的形態(tài)，有效地降低了共晶硅的等效直徑，使其變得細小，合金的力學性能也得到了很大的提升。

圖6為細化處理前后ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口SEM圖。從圖6可看出，未經(jīng)細化處理的拉伸試樣斷口(圖6a)主要為解理+韌窩的混合型斷口，并伴有夾雜、氣孔等缺陷，為典型的脆性解理斷裂，其斷面上可見發(fā)亮的初晶硅顆粒。而經(jīng)細化處理后的試樣(圖6b)，其斷面上有大量細小的韌窩，撕裂楞數(shù)量多，密集分布，宏觀拉伸斷口呈銀灰色，表面顆粒細小均勻，為明顯的韌性斷裂。通過上述的合金拉伸斷口分析可以看出， Al-5Ti-1B細化劑對ADC12鋁合金的細化效果顯著。由Hall-petch關系式[24]：

圖6 ADC12鋁合金鑄態(tài)拉伸試樣斷口SEM形貌Fig.6 SEM fracture morphologies of as-cast tensile specimen of ADC12 Al alloy

(1)

式中：

σs—屈服強度；

σ0、K—常數(shù)；

D—晶粒直徑。

可知材料的晶粒直徑D越小，它的屈服強度就越高[25]。同時減小晶粒尺寸，還可以改善材料的塑韌性，這是因為減小晶粒尺寸，其內(nèi)部和晶界附近的應變差較小，變形較小，應力集中傾向較小。因此，晶粒尺寸大小與合金的力學性能有直接關系[26-27]。由上述分析可知，細化劑加入量的多少，直接影響ADC12鋁合金的晶粒尺寸的大小，最終會通過合金力學性能的優(yōu)劣表現(xiàn)出來。總體上，經(jīng)細化處理后的ADC12鋁合金其抗拉強度和伸長率都得到明顯提高，使其力學性能得到了充分發(fā)掘，當Al-5Ti-1B加入量為0.2%時，合金的整體力學性能最好；隨著Al-5Ti-1B加入量減少或是繼續(xù)增加，細化效果就會變差，合金晶粒變得粗大，力學性能也逐漸降低。這是由于細化劑中可作為α-Al非均質形核襯底的TiAl3、TiB2等化合物的集聚長大，失去形核核心作用并成為晶界雜質相，反而使ADC12鋁合金的力學性能有所降低[28-29]。

4 結 論

1)Al-5Ti-1B細化劑的加入使ADC12鋁合金鑄態(tài)力學性能顯著提高，當加入量為0.2%時，合金的力學性能最好，抗拉強度和伸長率分別比未細化合金的提高40.2%和87.5%；當Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%時，合金的力學性能均逐漸降低，這與合金的晶粒尺寸變化相吻合。

2)向ADC12鋁合金熔體中加入不同量的Al-5Ti-1B，不同程度的細化了合金組織，當加入量為0.2%時，細化效果最好，α-Al枝晶細小均勻；金屬間化合物TiB2和TiAl3均可作為α-Al的異質核心，使異質結晶核心數(shù)量增多，從而使合金晶粒細化；當Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%時，晶粒變粗。