A356铝合金晶粒细化的研究

2016-06-13杨途才百色学院材料科学与工程学院广西百色533000

山东工业技术 2016年12期

覃铭,杨途才（百色学院材料科学与工程学院,广西百色 533000）

A356铝合金晶粒细化的研究

覃铭,杨途才
（百色学院材料科学与工程学院,广西百色 533000）

摘要：介绍了A356铝合金几种常见晶粒细化的方法，包括物理晶粒细化法和化学晶粒细化法，分析了细化机理，着重介绍几种晶粒细化剂和变质剂对铝合金组织和性能的影响。细化晶粒组织是提高铝合金材料力学性能的有效途径之一，对开发优质铝合金材料有重要的意义。

关键词：铝合金；晶粒细化；细化机理

1 前言

A356为常用的铸造铝-硅-镁系合金，因其具有流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小等特点，经过晶粒细化和热处理后，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等各方面的性能得到相应的改善，被广泛于工业、交通、农业等部门，尤其是应用在汽车零配件中［1］。铝合金的机械性能与其显微组织中的晶粒大小和共晶硅形态紧密相关［2］。铝合金的晶粒尺寸和形态特征决定着铝合金的性能，细小、均匀的晶粒组织，可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能，是获得良好的综合性能的保证。在铸造A356铝合金的过程中，由于铸造温度高，α-Al基体晶粒显得粗大，硅的形态呈粗大的片状结构，容易生成粗大的针片状或板状共晶硅，铝合金基体容易被割裂，成分偏析且各相之间分布极不均匀，造成局部区域的应力集中，产生裂纹源，使铸造合金的力学性能和加工性能恶化［3］。没有添加任何晶粒细化处理和变质剂的A356铝合金，基体组织晶粒比较粗大，整体力学性能较差。因此，对铝合金进行晶粒细化，是获得优良的铝合金材料的重要保证。

2 铝合金晶粒细化的主要方法

2.1 铝合金晶粒细化的本质

晶粒细化的本质是抑制铝合金晶粒组织的长大过程。在铸造过程中，细化晶粒方法有很多，大致可以分为两大类：通过物理方法细化、通过化学方法细化。其中物理晶粒细化法是借助电磁搅拌或者快速凝固等技术来增加合金本身晶核的数量或抑制晶体长大；化学晶粒细化法是在铝合金熔炼过程中，往铝液中加入各种中间合金细化剂，在溶体中生成大量异质形核核心，可使铝合金具有细小等轴晶粒，各方向的力学性能差异小，可以改善其力学性能和加工性能，达到细化铝合金晶粒的作用，这种方法所需的生产设备和工艺比较简单，是工业上最为常用的细化方法［4］。常用的细化剂和变质剂是铝钛硼中间合金、稀土和铝锶中间合金。锶具有良好的变质效果，通过改变凝固结晶过程中的共晶硅相的微观结构以及形貌和尺寸，使其由粗大的针片状组织转变成圆整、均匀、细小的纤维状或层片状组织，但针孔率增加，降低合金的整体力学性能。加入稀土元素净化铝液的同时，还可大大减小缩孔现象［5］。

2.2 机械振动对铝合金微观组织的影响

机械振动细化铝合金晶粒属于物理细化的一种方法。曾礼［6］通过研究机械振动对A356铝合金充型及凝固的影响。研究发现，未经振动的A356铝合金α -Al相是正常的枝晶生长模式，初生α -Al相粗大，枝晶发达。随着振动频率增加或振幅增大，或者增加振动方向角度，初生α -Al晶粒逐渐变得细小，二次枝晶臂破碎，分布均匀，因而力学性能有所提高。但是继续增加频率或振幅，强度和延伸率又降低，特别是频率为50Hz，振幅0.9mm的垂直振动，晶粒最细小均匀，综合力学性能最好。随着振动频率和振幅的增加，晶粒有长大的趋势，其强度和延伸率却降低，而且低于未施加任何振动时的强度。如图1所示，为A356铝合金在不同振动频率下的金相组织。

图1 不同振动频率下的微观组织

2.3 细化剂对铝合金微观组织的影响

往A356铝合金中添加中间合金细化剂，是目前企业较为常用的方法。陈鸿玲、傅高升等［7］通过往A356铝合金中加入Al-5Ti-1B-0.5RE中间合金，对浇注出的铝合金试样进行金相分析。实验结果表明，Al-5Ti-1B-0.5RE中间合金对A356铝合金α-Al基体具有良好的细化效果，往A356铝合金添加Al-5Ti-1B-0.5RE后α-Al基体形状圆整、细小，均匀分布。Al-5Ti-1B-0.5RE中间合金不仅是细化作用，而且还起到变质效果，铝液中AlTiRE不稳定，容易分解，没有起到形核的作用。同时，分解释放出的稀土元素，使表面能降低，使TiB2相不能聚集在一起，形核粒子的数量大大增加［8］。稀土元素释放后，易吸附在晶界上，抑制TiAl3粒子的生长，阻止树枝状TiAl3相的出现，也增加了形核可能性，起到异质形核的作用，既增强了细化效果，又抑制TiB2粒子不容易聚集在一起，细化剂的有效时间增加，使得Al-5Ti-1B-RE中间合金比较稳定的细化作用［9］。除此之外，加入稀土的另外作用就是变质作用，在一定程度上也增强了A356铝合金的质量。如图2所示，为经加入Al-5Ti-1B-0.5RE中间合金前后的A356合金的微观组织晶粒大小的对比。

图2 经中间合金处理前后的A356合金的微观组织形貌

通过复合稀土的添加对A356铝合金的精炼及变质也会产生影响［10］。未添加稀土的A356铝合金，晶粒粗大，各相分布不均匀，出现偏聚现象。复合添加稀土La和Ce对A356铝合金具有较好的变质作用，均能有效改善铸件的微观组织形貌，使微观组织分布均匀，气孔和含渣量减少，缩短了共晶硅的长度，共晶硅的形态从树枝状或针状向圆整的短棒状或者颗粒状发生转变［11］。铝合金的晶粒组织得到明显地细化，并且复合添加稀土比单一添加的晶粒细化效果明显，复合添加稀土La和Ce复合变质过程中，两者间的变质作用是相互促进的。特别是稀土的添加量为0.1La0.5Ce，对A356铝合金组织的细化效果最为明显。如图3为稀土处理前后的A356合金的微观组织形貌。

图3 稀土处理前后的A356合金的微观组织形貌

此外，AlTiB的加入量对亚共晶铝硅合金微观组织也产生影响［12］。未添加AlTiB的A356铝合金α-Al晶粒形状不规则，α-Al基体严重被割裂。AlTiB对铝合金有明显的细化效果。加入AlTiB中间合金细化处理后，形核粒子数量增加，大大增加有效异质形核核心，达到细化α-Al基体组织的作用，α-Al相变得更为细小，并且大小形状趋于一致、分布较为均匀，共晶硅的长度变短，排列均匀，变为短棒状或片状并呈弥散分布共。A356铝合金添加AlTiB前后微观组织的对比如图4所示。

图4 添加AlTiB前后A356铝合金微观组织

3 总结

在细化铝合金晶粒过程中，晶粒细化的方法对铝合金晶粒细化效果较明显，所需设备简单，操作简便，已经成为研究的热点，而且已经普遍使用在工业中。

（1）机械振动能使铝合金初生α -Al晶粒变得细小，二次枝晶臂破碎，各相分布均匀，但仅能够使铝合金的晶粒得到细化，没能达到作用，达不到理想的性能要求。

（2）Al-5Ti-1B-0.5RE中间合金是常用的有效细化、变质剂，添加后，α-Al基体晶粒大小均匀，形状圆整，均匀分布。稀土元素的释放，抑制TiAl3粒子的生长，阻止树枝状TiAl3相的出现，也增加了形核可能性，起到异质形核的作用，既增强了细化效果，又抑制TiB2粒子不容易聚集在一起，使得Al-5Ti-1B-RE中间合金比较稳定的细化作用。

（3）复合稀土比单一添加的晶粒细化效果明显，不仅对铝合金晶粒细化，而且还具有较好的变质作用，改变α-Al基体晶粒大小的同时，还可以改变共晶硅的形态，使共晶硅达到圆整、均匀的效果。

（4）AlTiB的加入，使铝液中形核粒子数量增加，大大增加有效异质形核核心，起主要的细化作用，对A356铝合金具有良好的晶粒细化作用，特别是与锶同时加入，对A356铝合金起到细化晶粒和变质的效果。

参考文献：

［1］范宋杰,何国球,刘晓山,徐坡.A356铝合金力学性能与微观结构［J］.有色金属,2008（04）：5-8.

［2］宋禹田.正视铝加工存在的问题［J］.有色金属工业,2005（06）：16-17.

［3］孙晓冕.低压铸造A356合金轮毂的组织与性能研究［D］.燕山大学,2013.

［4］何建军,陈振华,吴有伍.不同添加物对铸造铝及铝合金晶粒细化的影响［J］.矿冶工程,2005（03）：81-84.

［5］兰晔峰.稀土对AlTiBRE中间合金细化性能的影响［J］.铸造技术,2005,26（09）：774-778.

［6］曾礼.机械振动对A356铝合金充型及凝固的影响研究［D］.重庆大学,2012.

［7］陈鸿玲,傅高升,颜文煅.Al-5Ti-1B-0.5RE对A356铝合金的细化效果［J］.特种铸造及有色合金,2008（10）：795-797+736-737.

［8］刘相法,边秀房,周生存等.AlTi中间合金中TiAl3形态及对细化效果的影响［J］.热加工工艺,1997（01）：9-11.

［9］任峻,陶钦贵.中间合金铝晶粒细化剂Al-Ti-B-RE的研究［J］.铸造技术,2006,27（11）：1223-1226.