晶粒细化对Al-Mg-Si-Cu合金组织与性能的影响

2018-08-22覃建波

世界有色金属 2018年11期

覃建波

（东莞市铝美铝型材有限公司，广东东莞 523960）

Al-Mg-Si-Cu合金具有优良加工性能、焊接性能、电镀性能、抗腐蚀性以及加工后不变形、材料致密无缺陷、易于抛光、上色膜容易、氧化效果好等优点，广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等领域[1]。但Al-Mg-Si-Cu合金的元素较多，元素含量较高，结晶温度范围较宽，导致铸造过程中容易产生成分偏析等问题，严重影响加工性能及产品质量[2]。

晶粒细化可以提高铝合金的强度和塑性，抑制铝合金成分偏析和提升铝合金产品质量[3,4]。在铝合金铸造过程中添加铝钛硼细化剂是目前铝合金生产中最常用的晶粒细化方法[5]。因此，本文采用铝钛硼细化剂对Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金进行晶粒细化，研究了晶粒细化对Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金组织与性能的影响。

1 实验材料与方法

实验材料为Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金，采用铝锭、镁锭、结晶硅和铝铜合金熔炼配制，经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的化学成分为（质量分数，下同）：Mg 1.19%、Si 0.79%、Cu 0.39%、Cr 0.03%、Fe 0.14%、Zn 0.05%、余量为Al。铝钛硼细化剂的化学成分为：Ti 5.08%、B 1.02%、Fe 0.17%、Si 0.09%、V 0.01%、余量为Al。

熔炼设备为7.5 kW石墨坩埚电阻炉。将Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金加热熔化成铝合金液并升温至760 ℃，采用精炼剂对铝合金液进行除气除杂，再加入铝钛硼细化剂进行细化处理，通过机械搅拌使铝合金液的成分均匀，静置保温使铝合金液的温度降至720 ℃，最后浇注到预热温度为100 ℃不锈钢模具内，铸成高200 mm、直径100 mm的Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金圆棒。

在Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金圆棒上取样，采用砂纸对试样进行磨制，采用金刚石抛光膏对试样进行抛光，然后用混合酸溶液对试样进行腐蚀，最后在LEICA-DMI3000M金相显微镜上对试样显微组织进行观察，并测量晶粒的平均尺寸。在合金圆棒上取样，并加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上对试样进行室温拉伸，检测合金的抗拉强度和伸长率，拉伸速度为2 mm/min。

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

图1为铝钛硼细化剂添加量对Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金显微组织的影响，图2是Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸随铝钛硼细化剂添加量的变化曲线。从图1和图2可看到，随着铝钛硼细化剂添加量的逐渐增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸逐渐减小。没有添加铝钛硼细化剂时，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的显微组织是粗大的树枝晶，晶粒尺寸达到171μm，如图1(a)所示。

添加0.1%的铝钛硼细化剂后，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的显微组织被细化为70μm的等轴晶，如图1(b)所示。随着铝钛硼细化剂添加量的继续增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸进一步减小，如图2所示。从图1(f)可看到，当铝钛硼细化剂的添加量增加至0.5%时，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的显微组织被细化为37μm的等轴晶，晶粒大小分布均匀。

图1 铝钛硼细化剂添加量对Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金显微组织的影响

图2 Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸随铝钛硼细化剂添加量的变化曲线

2.2 力学性能

图3为铝钛硼细化剂添加量对 Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金拉伸力学性能的影响。从图3可看见，随着铝钛硼细化剂添加量的逐渐增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉强度和伸长率均逐渐提高。

没有添加铝钛硼细化剂时，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的显微组织为粗大的树枝晶，导致合金的拉伸力学性能较低，其抗拉强度为170 MPa，伸长率为5.5%。添加0.1%的铝钛硼细化剂后，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的显微组织被细化为等轴晶，使合金的拉伸力学性能得到明显提高，其抗拉强度提高到215MPa，伸长率提高到 8.3%。继续增加铝钛硼细化剂的添加量，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸进一步减小，使合金的拉伸力学性能进一步得到提高。

当铝钛硼细化剂的添加量增加到0.5%时，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉强度提高到243MPa，伸长率提高到10.5%，与没有添加铝钛硼细化剂的Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金相比，此时Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉强度提高了43%，伸长率提高了90.9%。