Ti-TiCN细化剂的含量对Al-Mg-Si合金组织和性能的影响

项雁玲　钱平平

摘 要：本文研究了该Ti-TiCN复合细化剂对Al-Mg-Si合金组织和性能的影响。试验结果表明：Ti-TiCN细化剂的加入使Al-0.6Mg-0.4Si的晶粒由树枝晶转变为等轴晶。当细化剂含量增加至0.25%wt，α-Al晶粒尺寸变小，树枝晶也变得更加细小。在性能方面，合金硬度随Ti-TiCN含量增加一直提高，添加0.5%wt细化剂后维氏硬度达到78HV，比未添加时提升了41.8%;未添加细化剂时Al-0.6Mg-0.4Si合金的抗拉强度为175MPa，当添加0.25%wt的细化剂时增加至212MPa，但细化剂含量继续增加时，抗拉强度又有所下降。

关键词：Ti-TiCN细化剂;Al-Mg-Si合金;晶粒细化

1 试验方法

将TiCN-Ti混合粉末进行球磨，使粉末充分混合。球磨后的粉体经再次烘干后，分别加入铝粉、钾盐、氯盐作为助熔剂，再次混合后放入模具中制备出Ti-TiCN復合细化剂。

将熔炼炉和坩埚进行烘炉处理，浇注用模具表面涂抹ZnO并预热至300℃。清洁工业纯铝表面，对Ti-TiCN细化剂、覆盖剂、精炼剂均进行烘干处理。最后分别熔炼未添加细化剂以及分别添加0.1%wt、0.25%wt和0.5%wt的Ti-TiCN复合细化剂的Al-0.6Mg-0.4Si样品。将铝锭放入熔炼炉加热至融化后使用精炼剂除杂，加入覆盖剂防止氧化。升温至730℃保温1h，用钟罩将细化剂块压入铝熔体中，保温一段时间后扒渣并浇注到模具中。将得到的样品进行微观组织分析和力学性能分析。

2 试验结果分析

2.1 细化剂对微观组织的影响

采用添加纳米颗粒的方式是有效的铝合金细化方法。纳米颗粒是否能在铝熔体中作为非均匀形核衬底，首先需要结晶相在纳米颗粒上形成尽可能小的润湿角，其次加入的纳米颗粒还应该在金属熔体中保持相对稳定。TiCN是一种具有优异性能的非氧化物材料，它具有熔点高、硬度高、抗氧化性好及化学稳定性好等一系列优点，在700℃以上的铝熔体中保温时，TiCN颗粒不会与铝熔体发生化学反应[1]。晶体结构方面，TiCN与铝都属于立方结构，并且它们的晶格常数十分接近，Al的晶格常数为0.4049nm，本实验所使用的TiC0.3N0.7晶格常数为0.4264nm。对于给定的纳米陶瓷颗粒，其与铝液的润湿角θ主要取决于结晶相与陶瓷颗粒之间的单位面积界面能σC/S。为了获得σC/S最低的界面，需要实现界面共格对应，这时界面能主要来自两侧点阵失配引起的点阵畸变，用错配度衡量[2]。经计算，（111）α-Al∥（111）TiCN和（001）α-A∥（001）TiCN的错配度低于10%，其界面能σC/S较低，所以Ti（C，N）颗粒有成为а-Al形核衬底的可能。

图1为在730℃的Al-0.6Mg-0.4Si熔体中未添加及分别添加0.1%wt、0.25%wt、0.5%wt Ti-TiCN细化剂并保温5min后试样的微观组织。由图1（a）所示，当合金中未添加细化剂时，它的铸态结构是粗大的树枝晶;而根据图1（b～d）所示，随着细化剂的添加量增多，树枝晶会明显地降低，尺寸也变得细小和分布均匀。从图中可看到铸态组织含有树枝晶结构，其中第二相大部分呈现连续，而部分粗大的第二相往往会聚集在晶界周围。计算未添加和添加细化剂后组织的枝晶臂间距，发现未添加细化剂（图1（a））的平均枝晶臂间距约为87μm。当提高Ti-Ti（C，N）细化剂的添加量时，组织中的树枝晶会减小且晶粒尺寸也变小，同时第二相变得细小和分散。当细化剂添加量是0.1%wt时，晶粒开始表现为细小的等轴晶状，当添加量继续增加时，α-Al晶粒尺寸变小，树枝晶也变得更加细小，且枝晶偏析也得到改善。

在Al-Mg-Si合金中，其共晶相主要是α-Al和金属间化合物。在铝液开始结晶过程中，分散的Ti（C，N）颗粒会提供大量有效的非均匀形核核心。此时，α-Al晶胚开始形核并长大成晶粒，数量急剧增多，然后铝液又被分割成许多的小液池，使共晶反应后得到的第二相变得细小且均匀。

2.2 细化剂对力学性能的影响

图2为Al-Mg-Si合金的维氏硬度随Ti-Ti（C，N）细化剂添加量的变化曲线。从图中可以看出，添加细化剂后Al-Mg-Si合金的维氏硬度比未添加细化剂明显地增加，其中添加05%细化剂后硬度达到78HV20，和未添加细化剂的情况比提升了41.8%。

材料硬度通常表示其抗塑性变形能力，与晶粒尺寸和第二相的分布有关。尽管Ti-Ti（C，N）细化剂的添加不影响相的成分，却有利于晶粒尺寸以及第二相分布情况，晶界增多也影响位错的运动能力[3]。

因为在铝熔体中添加一定量的Ti-TiCN细化剂后，一部分的Ti（C，N）颗粒可以为α-Al的非均匀形核提供有效的异质核心，在凝固阶段形成大量细小的晶粒从而提高合金的硬度;而另一部分的Ti-TiCN颗粒由于偏聚作用将会被推送到晶界附近对晶界起到钉扎的作用，并抑制了位错的运动，进而影响了晶粒的长大，获得了较细的晶粒，从而增加了合金的硬度[4]。而添加量太多时，Al-Mg-Si合金的维氏硬度增加不明显。这是因为此时铝熔体中的TiCN颗粒数达到了饱和状态，对晶粒的形核与长大反而不能起到良好的帮助，导致硬度的增幅不明显。因此，在添加了Ti-TiCN细化剂后，Al-Mg-Si合金的维氏硬度在第二相和细晶强化下，会在获得一定范围的提高，而细化剂的含量反过来促进这两种机制的强化效果。

从图3可以看出，Ti-TiCN细化剂的添加对合金的抗拉强度力学性能指标有较大的提升。随着细化剂的添加量增加，Al-Mg-Si合金的抗拉强度呈现逐渐增加的趋势。尤其当细化剂的添加量在0.25%wt时，其抗拉强度出现最高点。但随着细化剂的添加量进一步增加达到0.5%wt时，其抗拉强度反而出现了降低。这是因为熔体中TiCN颗粒数量过多导致了颗粒之间出现团聚现象，分布于晶界处，从而使抗拉强度降低的现象。

3 结论

（1）Ti-TiCN细化剂可以改善Al-Mg-Si合金的晶粒形态，减小晶粒尺寸，使树枝晶变得更加细小、枝晶偏析得到改善。

（2）Ti-TiCN细化剂对Al-0.6Mg-0.4Si合金的性能具有一定的影响。随着细化剂添加量的增加，合金的硬度呈增加趋势，合金的抗拉强度先增加后减小。

参考文献：

[1]罗子康.试析铝合金应用现状及发展趋势[J].中国设备工程，2019（02）：119-120.

[2]Bramfitt，B.The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron[J].Met Trans，1970，1：1987-1995.

[3]王东，马宗义.轧制工艺对7050铝合金显微组织和力学性能的影响[J].金属学报，2009，44（1）：49-54.

[4]梁振宇.合金元素对Al-Mg-Si合金导体材料组织与性能的影响研究[D].湖南大学，2011.

作者简介：项雁玲，女，汉族，安徽人，硕士研究生，助教，研究方向：铝合金晶粒细化。