Al-Ti-B变质剂保温时间对6008铝合金铸造组织影响
2019-06-13张德伟张书豪
杨 路, 孙 巍, 张德伟, 张书豪, 徐 鑫, 祝 哮
(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)
晶粒大小对铝合金材料的性能起着较大影响，一般情况下，合金的晶粒越细小，材料的强度和韧性越高。这就要求铝合金材料从铸造组织开始，就有较为细小的晶粒，如此方可为后续加工提供良好的组织结构。而铸造组织中细小的晶粒具有降低组织疏松、提高补缩能力、提高组织均匀性、降低裂纹倾向等诸多优点，因而铝合金熔铸过程中的晶粒细化显得尤为重要。
铝合金铸锭通常有3种晶粒形态，分别是柱状晶、等轴晶和细晶组织，柱状晶严重影响材料的强度和韧性；细小的等轴晶会降低热裂纹倾向，但粗大的等轴晶也会降低材料的力学性能，因此必须采取各种措施来对铝合金铸造组织进行晶粒细化。晶粒细化的方法有很多种，本文主要针对外来形核质点法中的添加变质剂法来论述，采用应用最为广泛的Al-Ti-B丝为试验材料，分析变质剂的保温时间对6008合金组织性能的影响。
1 试验方案
本实验采用6008铝合金进行铸造分析，其化学成分见表1。实际控制中，比标准要求更加严格的控制了杂质元素含量，减小了主要元素的范围，以便不同变质工艺的相互比较。表2为试验的主要熔铸工艺参数。
为了排除其他因素的影响，本试验采用相同的熔铸工艺和设备，经过熔体净化后添加Al-Ti-B丝变质剂，经过在线除气、除渣后铸造，通过不同的变质剂保温时间来分析该工艺参数对6008合金铸造组织的影响。其中变质剂保温60min为在熔炼炉内添加Al-Ti-B丝熔化后保温60min开始铸造，在线添加的添加位置为炉口后、除气箱前。图1为Al-Ti-B丝变质剂的高倍图片。
表1 6008合金化学成分(wt.%)
(a)100倍；(b) 200倍；(c) 500倍图1 不同放大倍数的Al-Ti-B丝组织形貌Fig.1 Morphology of Al-Ti-B modifiers at different magnifications
外来形核质点法的本质就是增加形核点，大量的形核点会生长成大量的小晶体，在此后的生长中晶体之间会相互碰撞作用，抑制自身的长大速度，从而形成细小的等轴晶[1]。而本试验中的Al-Ti-B变质剂正是应用该理论，如图1中的亮灰色块状质点即为Al3Ti，这些质点通过包晶反应使熔体形核；图1中细小的黑色颗粒即为TiB2，熔点高且因不溶于铝熔体，分布均匀，也是有效的形核质点。此外，TiB2使Ti产生了浓度梯度，使TiB2包裹沉淀，促进了α-Al的形核。
细化晶粒处理中，变质剂保温时间是一个重要的工艺参数，保温时间太短，形核质点无法均匀分布；保温时间过长，变质颗粒会聚集或分解，反而会降低晶粒细化的效果。本实验就是通过不同的变质剂保温时间来分析该参数对铸态组织的影响。
2 试验结果及分析
图2为不同工艺条件下的6008合金铸态组织(200倍)图片。图3为不同工艺条件下阳极覆膜组织形貌，从(a)到(f)的组织晶粒度分别为：00级、0级、0级、2级、2.5级、2级。
(a)工艺1边部；(b) 工艺1心部；(c) 工艺1中部；(d) 工艺2边部；(e) 工艺2心部；(f) 工艺2中部；图2 不同细化工艺的6008合金铸锭不同位置组织形貌Fig.2 Different morphology of 6008 alloy ingots with different grain refinement processes
(a)工艺1边部；(b) 工艺1心部；(c) 工艺1中部；(d) 工艺2边部；(e) 工艺2心部；(f) 工艺2中部；图3 不同细化工艺的6008合金铸锭不同位置阳极覆膜组织形貌Fig.3 Amorphous coating morphology at different positions of 6008 alloy ingots with different refinements
由图2可以看出，两种工艺条件下无论是边部、中部还是心部，沿晶处都保留着粗大、连续的铸态金属间共晶相，工艺2的枝晶网格相对密集。由图3可得，工艺1和工艺2的铸态组织从边部到心部晶粒度分别在0级和2级左右，晶粒度都较为均匀，但工艺2条件下，铸态晶粒明显要比工艺1细小，即工艺2(在线添加Al-Ti-B丝)的细化效果更好。
因为本试验的6008合金中并未添加Zr、Cr等元素，所以排除细化剂“中毒”的可能。工艺1比工艺2变质剂保温时间上升了60min，过长的保温时间使变质剂失效，失效后的变质剂对铸态组织细化起的作用很小，所以工艺1的铸态组织晶粒度更加粗大。工艺1变质剂失效有以下几个原因，Al3Ti和TiB2的密度比铝熔体大，长期保温静置会使这两种形核核心沉淀到铝熔体底部，形核核心的减少产生了变质剂的失效现象；Al3Ti和TiB2在较高的温度下聚集长大，同样会使形核核心减少、变质剂失效；熔体中Al3Ti的含量大于包晶反应所需的Al3Ti量，因无法和TiB2形成包晶反应，Al3Ti在高温下陆续熔解，引起了晶粒细化作用的失效。为避免以上失效情况，在试验其他条件相同的情况下，需多搅动熔体使熔体组分均匀并确立合理的保温时间。而在实际生产中，过多的在熔炼炉内搅动熔体会不可避免的增加杂质Fe的引入，工业化生产较难实现。在工艺2条件下在线添加Al-Ti-B后，熔体经过流槽流动、除气箱搅动、过滤箱搅动，Al3Ti和TiB2已分布均匀，所以会起到良好的晶粒细化效果。
3 结论
(1)Al-Ti-B变质剂中起晶粒细化作用的颗粒为Al3Ti和TiB2，Al3Ti和TiB2通过包晶反应形成的颗粒是α-Al的形核核心;
(2)在其他工艺条件相同的情况下，在线添加Al-Ti-B变质剂与保温60min后相比，6008铝合金铸造组织枝晶网格更密集，晶粒更细小，晶粒细化效果更好;
(3)Al-Ti-B变质剂在熔体中保温60min后，伴随着Al3Ti和TiB2聚集、沉淀和Al3Ti的熔解，变质剂产生失效，对晶粒细化起到的作用很小。
