Al-5Ti-B细化剂对A356合金微观组织的影响

秦晓雄，杨运宇，冯绍凯，卢楠方，程 峰

合肥工业大学材料科学与工程学院， 安徽 合肥 230009

Al-5Ti-B细化剂对A356合金微观组织的影响

秦晓雄，杨运宇，冯绍凯，卢楠方，程 峰

合肥工业大学材料科学与工程学院， 安徽 合肥 230009

制定合理的熔炼工艺熔配A356合金，并在浇注前加入不同含量的Al-5Ti-B细化剂对合金液进行细化处理，研究细化剂对A356合金组织和性能的影响．研究结果表明：加入Al-5Ti-B能使A356合金中的初生α-Al相显著细化，该相由粗大的树枝晶变为细小、无定向的枝晶；由于晶粒变小晶界增多，硅相变得更为分散地分布在枝晶和晶粒间隙内，导致粗大的针片状共晶硅减少且长度变短，使应力集中程度降低．当细化剂加入量在1.0%时细化效果最好，二次枝晶间距为22.98 μm，铸态下其硬度为62.4HB，而不经过细化处理的A356合金，其硬度仅为52.0HB，相比提高了12.4%．

A356合金；Al-5Ti-B细化；微观组织；硬度

A356合金是美国于二十世纪70年代研制的铝合金，为常用的铸造Al-Si-Mg系合金，自诞生以来迅速应用在汽车上作为轮毂的材料，打破了传统钢制轮毂材料的限制．A356合金主要有铸造流动性好、强度高、机械加工性能好、收缩率和热裂倾向小等优点，已成为目前汽车、摩托车轮毂使用最为广泛的亚共晶Al-Si系材料，并广泛应用于航空航天领域中，随着汽车设计向轻型化、节能化及多品种化方面发展，A356合金在汽车工业中的应用与日俱增，应用范围不断扩大[1]．

晶粒细化是铝及其合金熔铸过程中的重要工艺之一，可显著提高材料的力学性能及加工性能，也是解决铸件气孔、裂纹等铸造缺陷的重要措施．晶粒细化对材料的作用[2]：(1)产生细晶强化作用，合金细化在提高材料强度和硬度的同时其塑韧性不会降低，进而提高材料的综合力学性能与加工工艺性能；(2)提高材料的塑性变形能力，为铸件后续加工中的塑性变形带来更大的灵活性，多晶体变形是材料各

个晶粒和晶界协调变形的结果，所以晶粒越细，变形均匀性越好，越有利于减少加工过程中的缺陷；(3)细化铸态组织使结晶组织均匀，可以减小组织内部缩松、偏析，防止产生裂纹和缩孔等缺陷，同时提高铸件的压力气密性、防腐性能，此外晶粒细化还能增加熔体的流动性，改善铸件填充性能，消除表面缩孔及减少热裂倾向．

本文通过制定合理的熔炼工艺熔配A356合金，并在浇注前加入不同含量的Al-5Ti-B细化剂，研究细化剂对A356合金组织和性能的影响．

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料为Al-50Si合金、纯铝、纯镁，将它们按一定计算比列配料并进行熔炼，通过制定合理的熔炼工艺，制备出标准的A356合金，其成分列于表1．

表1 A356合金化学成分

1.2 A356合金的熔炼工艺

实验用坩埚电阻炉熔炼，熔炼温度为750 ℃、精炼温度750 ℃、浇注温度720 ℃、模具温度200 ℃．首先用砂纸打磨坩埚和熔炼工具，并烘干预热炉料及工具，将纯铝熔化再加入Al-50Si合金，待其熔化后在表面均匀撒上覆盖剂，保温15 min，以便使金属液温度及成分均匀，然后再750 ℃下加入C2Cl6精炼剂，进行一次精炼， 5 min后扒渣，再把用铝箔包裹的纯镁压入铝液中，为防止镁燃烧氧化，在铝液表面撒上覆盖剂，保温10 min，待镁块完全融化后进行二次精炼，扒渣，最后加入不同含量的Al-5Ti-B细化剂进行细化处理，静置10 min后在720 ℃下浇注到铸铁金属型中，最终制得A356合金[3]．

在浇注试样的同一位置切取并制备金相试样，用体积分数为0.5%的HF溶液进行腐蚀，观察材料的微观金相组织，并用HB3000 型布氏硬度计测试其布氏硬度．

2 实验结果与分析

2.1 合金的微观组织

向金属液中加入不同含量的Al-5Ti-B细化剂进行细化处理，细化剂加入量(质量百分数)分别为0，0.5%，1.0%和1.5%，以探究最佳细化效果．图1为加入不同含量细化剂后的细化效果．

图1 不同含量细化剂的细化效果(a)未细化处理；(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

图1(a)为未进行细化处理的A356合金的微观组织，可以看到树枝晶较粗大，晶粒的二次枝晶间距也很大；图1(b)为细化剂加入量为0.5%的A356合金的微观组织，与未经细化处理的合金组织相比，其树枝晶尺寸开始减小，二次枝晶间距也减小，但细化效果不是很明显，从宏观来看，整体的晶粒尺寸仍然较大；继续增加细化剂的加入量，当细化剂加入量为1.0%时，取得了非常显著的细化效果，二次枝晶间距显著减小，晶粒均匀细小，与未进行细化处理的合金微观组织相比，其共晶硅也更加分散细小；当细化剂加入量为1.5%时，与加入量1%的合金相比，其晶粒尺寸略变大，出现粗化的趋势．

为了能定量地研究细化剂加入量的细化效果，采用Image-Pro-Plus软件对合金微观组织中晶粒的尺寸进行测量分析．晶粒大小一般用一次枝晶的长度和二次枝晶间距表征，由于在凝固过程中树枝晶往往互相搭接在一起，在材料微观组织的金相照片中完整的晶粒往往不容易区别，而用二次枝晶间距则比较容易测量．本实验用二次枝晶间距来表征晶粒的大小，二次枝晶间距越小，说明晶粒尺寸越细小[3]．

图2为细化剂加入量与二次枝晶间距的关系．从图2可以看出，随细化剂加入量的提高，二次枝晶间距先减小后升高．未加细化剂的A356合金，α相二次枝晶间距为78.02 μm；当Al-5Ti-B细化剂加入量为0.5%时，A356合金的二次枝晶间距减小到52.49 μm；当Al-5Ti-B细化剂加入量为1.0%时， A356合金的α相晶粒的二次枝晶间距减小为22.98 μm；当Al-5Ti-B细化剂加入量为1.5%时，合金的二次枝晶间距为27.03 μm，晶粒尺寸没有变的更细，相反有变大的趋势．

图2 细化剂对二次枝晶间距的影响Fig.2 The effect of refiner on the distance of secondary dendrite

2.2 合金的硬度

材料布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，测量压痕平均直径d，再通过查表得出材料的布氏硬度值[4]．布氏硬度测试的是材料的宏观硬度，一般而言，材料的宏观硬度与其强度是相关联的，材料的宏观硬度越大其强度越高．对金属材料而言，材料的微观组织中如果没有严重割裂基体的脆性相存在，那么其抗拉强度约为其布氏硬度的3～4倍，这一规律对很多常用的金属工程材料都成立．用铸态下未经细化的A356合金浇注制备出拉伸试样，其抗拉强度为169 MPa，为其布氏硬度的3.2倍，经试验验证该结论对A356合金也成立，故本实验可以用材料的布氏硬度表征细化对材料强度的影响．

对铸态下加入不同含量细化剂的A356合金进行布氏硬度测试，结果见图3．从图3可以看出：未加细化剂的合金，其铸态下的布氏硬度为52.3HB；加入0.5%细化剂的合金，铸态下其布氏硬度为55.3HB；加入1.0%细化剂的合金，铸态下其布氏硬度为62.4HB，相比未添加细化剂的合金硬度提高了12.4%；加入1.5%细化剂的合金，铸态下其布氏硬度为59.0HB，开始出现下降趋势．由此可知，对A356合金来说，Al-5Ti-B细化剂的最佳加入量为1.0%．

图3 不同含量细化剂的A356合金的布氏硬度Fig.3 Brinell hardness of A356 alloy with different content of refining agent

细化晶粒之所以能起到强化作用，在很大程度上与晶界和硅相的分布及形态有着密切的关系．一方面，由于晶界对位错滑移的阻滞效应，以及晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力．因而位错在多晶体中运动时，一侧晶粒中的滑移带不容易直接进入第二个晶粒中，而且晶界上的形变，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，塞积在晶界处的位错相互纠缠交割，很难再移动，从而在晶界处形成位错密度很高的位错墙，成为后续位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，宏观体现为材料的强度和硬度增大．

Hallpetch公式[5]定量地表明了材料晶粒尺寸和力学性能的关系σs=σo+Kd-1/2．式中σo为常数，反应晶内对变形的阻力；K为常数，表征晶界对强度影响的程度，d为平均晶粒直径．从公式中可以看出，材料晶粒越小，材料的强度越高，实验结果与之相吻合．

另一方面，从相图也可以得出，经过细化处理的材料微观组织中，硅相的分布更均匀分散，形态更细小，这是因为共晶硅是最后凝固的．分析Al-Si二元相图发现，材料先共晶相是α-Al相，先析出的α-Al相构成枝晶骨架，共晶硅最后凝固，所以只能分布在α-Al晶粒的间隙即晶界处，故α-Al晶粒细化后晶界增多，导致硅相的分布也更加均匀，形态也比较细小，避免了粗大的针状硅的析出，减少了应力集中，这也有利于材料强度的提高．

3 结 论

通过制定合理的熔炼工艺，制备出标准的A356 合金，并向其中添加0.5%～1.5%的Al-5Ti-B细化剂进行细化处理，利用金相显微镜、布氏硬度计等实验仪器和image-pro-plus 软件研究Al-5Ti-B细化剂对A356 合金微观组织和力学性能的改善．结果表明，Al-5Ti-B细化剂的加入使材料的微观组织改善，α-Al晶粒得到细化，由粗大树枝晶变为细小树枝晶，硅相的分布也比较分散．用image-pro-plus 软件分析得知，随细化剂加入量的提高，二次枝晶间距先减小后升高，最佳加入量为1.0%，未加细化剂的A356合金，α相二次枝晶间距为78.02 μm，当Al-5Ti-B细化剂加入量为1.0%时， A356合金的α相晶粒的二次枝晶间距减小为22.98 μm．铸态下的布氏硬度由未经细化时的52.3HB提高到62.4HB，提高了12.4%．

[1] 张振．汽车轮毂用A356铝合金的精炼及净化[D]．硕士学位论文，秦皇岛：燕山大学，2015.

[2] 杨阳，刘相法，边秀房，等．铝及铝合金α-Al 晶粒细化方法的进展[J]．上海有色金属，1997，33(6)：602-608.

[3] 黄吉，程和法，杜承信,等．Sc对A356合金组织和性能的影响[J]．特种铸造及有色合金，2015，35(12)：1318-1321.

[4] 胡凌云．浅谈金属布氏硬度、洛氏硬度检测适用范围[J]. 机械管理开发, 2012，5：91-92.

[5] 崔忠圻，覃耀春. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社, 1989.

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

QIN Xiaoxiong，YANG Yunyu，FENG 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

秦晓雄(1993-)，男，山西运城人，硕士.

1673-9981(2017)01-0009-04

TG113.12

A