不同类别铝钛硼丝对高端铝排产品质量影响的研究

2019-11-12赵斌南蒋军洪

铝加工 2019年5期

关键词：附着物金相细化

赵斌南，蒋军洪

（1.昆山市超群金属制品有限公司，江苏昆山215321；2.中南大学化学化工学院，湖南长沙410083）

0 前言

我国新材料产业正处于强劲发展的阶段，并且已被列为国家七大战略新兴产业之一，预期未来我国新材料产业市场年增长速度将保持在20%以上。新材料行业规划中重点发展领域就包括高端铝材（如高端铝排）的开发与应用，高端铝合金的研发已上升到国家发展战略。

铝合金在自然凝固过程中，晶粒组织非常粗大，会导致材料综合性能降低。为改善其晶粒组织，一般的做法是在铸造过程中进行晶粒细化。在铸造过程中添加晶粒细化剂是一种快捷方便、经济有效的方法[1]。

铝钛硼丝细化剂受多方面因素影响，如添加方式、添加量、原始组织、钛硼比例等，其对铝合金的细化效果差异比较大。其中铝钛硼丝的组织和钛硼比例对铸态晶粒的细化效果起决定性作用。本文主要研究在铸棒生产过程中加入不同类别的进口铝钛硼丝对铝排产品质量的影响。

1 铝钛硼丝质量

取两种不同进口铝钛硼丝试样，对其化学成分、显微组织及晶粒细化能力进行分析。

1.1 化学成分

两种不同进口铝钛硼丝化学成分如表1所示。

表1 进口铝钛硼丝化学成分（质量分数/%）

从表1可以看到，两种不同进口铝钛硼丝均符合国家标准（YS/T 447.1-2011）A级，AlTi5B0.2的Fe杂质含量比AlTi5B1稍高，两种钛丝的Si和V含量相当。

1.2 金相组织

两种铝钛硼丝的金相组织如图1和图2所示。

通过对两种铝钛硼丝金相显微组织进行分析，总结TiAl3、TiB2、Al2O3及盐类附着物、硼化物的数量、大小等现象，其结果见表2。

图1 AlTi5B0.2典型显微组织

图2 AlTi5B1典型显微组织

表2 两种不同进口铝钛硼丝显微组织分析

从表2可知，两种铝钛硼丝的TiAl3的平均尺寸及单个最大尺寸大小相当，TiB2都未发现有团聚的现象，但是AlTi5B1的Al2O3及盐类附着物最大尺寸和长度总和都远远超过AlTi5B0.2。

1.3 晶粒细化能力

检验方法：将铝钛硼丝样品以0.2%的比例加入到Al99.70%的纯铝中，然后搅拌均匀，2min后，在710～720℃下浇铸、取样。样块中间横截面为标准检验面，将样品表面切削研磨抛光后，在显微镜下检测晶粒的尺寸，加入两种铝钛硼丝的金相组织见图3和图4。

图3 加入AlTi5B0.2的金相图片

图4 加入AlTi5B1的金相图片

从图3和图4金相图片分析可知，加入AlTi5B0.2的合金的平均晶粒尺寸是126μm，而加入AlTi5B1的合金的平均晶粒尺寸是104μm，显然AlTi5B1的晶粒细化能力比AlTi5B0.2强。

2 试验及结果

2.1 试验过程

试验材料选择6063合金，铸棒规格为φ308mm。按照铸棒正常生产工艺，如相同废料添加比例、精炼次数，使用相同的除气箱和过滤箱，对两种不同进口铝钛硼丝的铝排产品进行对比试验（考虑AlTi5B0.2的晶粒细化能力相对较弱，试验中适当加大其用量）。对比试验结果见表3。

表3 两种不同铝钛硼丝对比试验结果

从表3可知，使用AlTi5B1的铝排产品质量（铝排产品黑线检出率）明显差于AlTi5B0.2。

3 分析与讨论

铝合金的晶粒细化是一个非常复杂的过程。对晶粒细化机理的观点非常多，主要有：包晶反应理论、相图理论、原子结构理论、碳化物/硼化物粒子理论等，这些理论从不同角度解释晶粒细化现象，众说纷纭。但有一点结论是肯定的：即钛化合物是可以细化晶粒的，而硼元素的加入能显著增加其晶粒细化效果，质点TiAl3、TiB2是α-Al基体的结晶中心[2]。

TiAl3粒子有片状、花瓣状和块状等，其中由于块状是三维尺寸生长成紧密形的等轴晶体，有三个晶面面向熔体，成核机会大幅增加，所以TiAl3块状粒子的细化效果是最好的。片状TiAl3以二维枝晶方式长大，溶解速度慢、细化效果较差，而花瓣状TiAl3的熔解和细化特性基本介于片状和块状之间。TiAl3粒子越细小，分布越均匀，细化效果越好[3]。

TiB2具有良好的化学稳定性，熔炼温度下不与铝熔体发生反应。由于TiB2对铝熔体具有良好的润湿性，铝原子在其界面上堆积，铝钛硼丝加入后，TiAl3的熔解提供了过剩的钛，由于钛的化学活性非常高，在TiB2界面上偏析形成TiAl3沉淀薄层，此层经过包晶反应使α-Al成核。TiB2越均匀细小，细化效果越好。但TiB2自身团聚，尺寸过大的话，就不能成为结晶核心，失去细化效果，同时也容易造成后续产品质量问题。

AlTi5B1的TiB2粒子数量是AlTi5B0.2的五倍，因此，其细化能力比较强，从而AlTi5B0.2的使用量相比AlTi5B1，需要增加。但正是由于AlTi5B1钛丝的TiB2含量多，TiB2与Al2O3的亲和力非常强，在铝钛硼丝生产过程中容易由于TiB2粒子的浓度过大而导致产生TiB2团聚及TiB2粒子和氧化铝的附着物。从上述检测分析报告也可以看出，AlTi5B1的Al2O3及盐类附着物最大尺寸和长度总和都远远超过AlTi5B0.2。这些附着物随着钛丝的添加进入到铝熔体中，导致后续铝排产品的黑线增加。