Al-5Ti-1B细化剂对ADC12铝合金铸态组织及性能影响

宋 伟，王圣波，芦 静

(1.宝鸡石油机械有限责任公司 热工分公司，陕西 宝鸡 721000； 2.海南职业技术学院 工业与信息学院，海南 海口 570100；3.火箭军工程大学 基础部，陕西 西安 710025)

ADC12铝合金由于其熔体的流动性好，合金耐蚀性好、比强度高和易切削等优点[1]，被广泛应用于在汽车、摩托车等机械制造行业[2]。但是，常规ADC12铝合金铸件枝晶发达、晶粒粗大、力学性能较差，这使其不能在汽车发动机缸体、缸盖等关键零部件上发挥优势[3]。细小均匀的晶粒组织是保证铸件获得优良性能的关键因素之一[4]。目前细化晶粒手段主要有物理方法和化学方法两类[5]：物理方法主要包括快速冷却法、机械物理细化法和物理场细化法等，但需要配备相关特殊设备，操作难度大，细化效果不理想；化学方法是熔炼过程中将晶粒细化剂加入铝熔体，促进异质形核或抑制晶核生长来获得细小均匀的组织[6]。目前采用化学方法将细化剂加入铝熔体来细化铸造组织是最简易有效的方法[7]。铝合金晶粒细化处理的研究主要集中在变形铝合金上[8-12]，Al-Si系铸造铝合金的晶粒细化虽然也受到关注[13-15]，但关于ADC12铝合金的细化效果的研究报道仍较少。为了进一步提升ADC12铝合金铸件的综合性能，本课题采用Al-5Ti-1B的细化剂试验研究ADC12铝合金铸态晶粒组织的细化效果，为ADC12铝合金铸件晶粒细化处理工艺在生产中应用提供技术支持。

1 试验条件与方法

试验用料：ADC12铝合金锭(化学成分见表1)，Al-5Ti-1B细化剂。将ADC12铝合金锭放在SG2-7.5-12型电阻炉中进行熔化，待熔体温度升至740 ℃时，分别用铁钳将不同配料量的Al-5Ti-1B细化剂(加入质量分数分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)夹住压入ADC12铝合金熔体，保温不同时间(2 min、5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、90 min、120 min)，利用高效除气精炼熔剂除气，扒渣后，在720 ℃时将熔体浇注于两种模具中：①拉伸试样的金属型模具(模具型腔刷水玻璃涂料，在200 ℃下烘烤30 min)，浇注获得标准拉伸试棒，其尺寸见图1。采用UTM5000型万能电子材料试验机，测定ADC12铝合金的室温力学性能指标。②宏观和微观金相试样的Φ50 mm×100 mm石墨铸型，制取宏观和微观金相试样，宏观试样腐蚀剂采用体积分数为60%HCl+30%HNO3+5%HF+5%H2O的为M5腐蚀剂。微观金相试样腐蚀剂采用体积分数为0.5%HF试剂，采用XJZ-6A光学显微镜、Hitachis-3000N/H型扫描电子显微镜观察ADC12铝合金的显微组织。

表1 ADC12铝合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of ADC12 Al alloy(wt%)

图1 ADC12铝合金拉伸试样Fig.1 The tensile specimen of ADC12 Al alloy

2 试验结果

2.1 Al-5Ti-1B细化剂加入量对ADC12铝合金细化效果的影响

图2是ADC12铝合金熔体温度升至740 ℃时，将不同质量分数Al-5Ti-1B加入合金熔体，保温10 min之后，铸态的显微组织。图3为对应的宏观晶粒组织。由图2可知，未添加细化剂(图2a)和Al-5Ti-1B细化剂的添加量(质量分数，下同)为0.1%时(图2b)，初生α-Al枝晶发达且粗大、呈现典型的树枝状。当加入量为0.2%时(图2c)，α-Al枝晶明显变的细小均匀。但是，当继续增加Al-5Ti-1B加入量，α-Al枝晶开始出现粗化倾向，如图2d-f，甚至回复至未细化时的晶粒尺寸。由图3也可以看出，当Al-5Ti-1B加添加量为0.2%时，ADC12铝合金的组织细小均匀，细化效果最佳，宏观晶粒尺寸最小，加入量大于或小于0.2%时晶粒细化效果变差。

图2 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12铝合金铸态显微组织Fig.2 As-cast microstructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of addition of Al-5Ti-1B

图3 Al-5Ti-1B不同加入量的ADC12铝合金铸态宏观组织Fig.3 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined by different quantities of Al-5Ti-1B

图4为ADC12铝合金力学性能随Al-5Ti-1B加入量的变化趋势。从图4可以看出，未添加Al-5Ti-1B细化剂时其抗拉强度为189 N/mm2，伸长率只有1.51%；当合加入0.1%Al-5Ti-1B细化剂后，ADC12铝合金抗拉强度和伸长率明显升高；当细化剂加入量增加到0.2%时，合金的常温抗拉强度达到265 N/mm2，提高了40.2%，而伸长率达到2.55%，表现出良好的综合力学性能；随着Al-5Ti-1B加入量进一步增加，合金的力学性能逐渐变差。

图4 Al-5Ti-1B加入量对ADC12铝合金铸态力学性能的影响Fig.4 Influence of different Al-5Ti-1B additions on as-cast mechanical properties of ADC12 Al alloys

2.2 熔体中加入Al-5Ti-1B不同保温时间对ADC12铝合金细化效果的影响

图5是ADC12铝合金熔体添加0.2%的Al-5Ti-1B经不同保温时间后铸态的宏观晶粒组织形貌。从图5可以看出，保温时间为10 min晶粒细化效果最佳，为细小均匀的等轴晶。当保温时间小于10 min宏观晶粒组织粗大且有明显的柱状晶区；随着保温时间延长(大于10 min)，细化效果逐渐衰退。

图5 熔体中加入细化剂不同保温时间的ADC12铝合金铸态宏观组织Fig.5 As-cast macrostructure of ADC12 Al alloy refined with different holding time

3 分析与讨论

TiB2粒子熔点很高(2 980 ℃)，在铝熔体中溶解度小[16-17]，稳定性高，而且与α-Al的晶格结构相差较大，因此，TiB2粒子并不能成为铝的有效形核中心，而是通过聚集在晶粒边界的方式抑制了α-Al的长大，从而使α-Al得到细化[18-19]。根据相图-粒子理论[20]，在熔炼ADC12铝合金时，加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂中的TiAl3在熔体中熔解为细小的颗粒， TiB2粒子分布于铝体中，随着保温时间增加，TiAl3不断熔解为铝合金熔体提供了过剩的Ti，过剩的Ti聚集在TiB2粒子团界面上形成了TiAl3沉淀层[21]，此层经包晶反应[22]L+TiAl3→α-Al，促使α-Al成核。Al-5Ti-1B在细化α-Al晶粒的同时，对CuAl2相和硅相有一定的细化作用(如图2)。这主要是由于铝-硅合金熔体中的晶粒生长过程中，α-Al相先于其他相先期析出，而共晶硅最后凝固，在α-Al枝晶的间隙中析出并长大[23]，所以先析出的α-Al枝晶的尺寸大小会直接影响最后凝固的共晶硅尺寸大小。因此，Al-5Ti-1B的加入不但可以细化α-Al相，而且还能改善共晶硅的形态，有效地降低了共晶硅的等效直径，使其变得细小，合金的力学性能也得到了很大的提升。

图6为细化处理前后ADC12铝合金的室温拉伸断口SEM图。从图6可看出，未经细化处理的拉伸试样断口(图6a)主要为解理+韧窝的混合型断口，并伴有夹杂、气孔等缺陷，为典型的脆性解理断裂，其断面上可见发亮的初晶硅颗粒。而经细化处理后的试样(图6b)，其断面上有大量细小的韧窝，撕裂楞数量多，密集分布，宏观拉伸断口呈银灰色，表面颗粒细小均匀，为明显的韧性断裂。通过上述的合金拉伸断口分析可以看出， Al-5Ti-1B细化剂对ADC12铝合金的细化效果显著。由Hall-petch关系式[24]：

图6 ADC12铝合金铸态拉伸试样断口SEM形貌Fig.6 SEM fracture morphologies of as-cast tensile specimen of ADC12 Al alloy

(1)

式中：

σs—屈服强度；

σ0、K—常数；

D—晶粒直径。

可知材料的晶粒直径D越小，它的屈服强度就越高[25]。同时减小晶粒尺寸，还可以改善材料的塑韧性，这是因为减小晶粒尺寸，其内部和晶界附近的应变差较小，变形较小，应力集中倾向较小。因此，晶粒尺寸大小与合金的力学性能有直接关系[26-27]。由上述分析可知，细化剂加入量的多少，直接影响ADC12铝合金的晶粒尺寸的大小，最终会通过合金力学性能的优劣表现出来。总体上，经细化处理后的ADC12铝合金其抗拉强度和伸长率都得到明显提高，使其力学性能得到了充分发掘，当Al-5Ti-1B加入量为0.2%时，合金的整体力学性能最好；随着Al-5Ti-1B加入量减少或是继续增加，细化效果就会变差，合金晶粒变得粗大，力学性能也逐渐降低。这是由于细化剂中可作为α-Al非均质形核衬底的TiAl3、TiB2等化合物的集聚长大，失去形核核心作用并成为晶界杂质相，反而使ADC12铝合金的力学性能有所降低[28-29]。

4 结 论

1)Al-5Ti-1B细化剂的加入使ADC12铝合金铸态力学性能显著提高，当加入量为0.2%时，合金的力学性能最好，抗拉强度和伸长率分别比未细化合金的提高40.2%和87.5%；当Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%时，合金的力学性能均逐渐降低，这与合金的晶粒尺寸变化相吻合。

2)向ADC12铝合金熔体中加入不同量的Al-5Ti-1B，不同程度的细化了合金组织，当加入量为0.2%时，细化效果最好，α-Al枝晶细小均匀；金属间化合物TiB2和TiAl3均可作为α-Al的异质核心，使异质结晶核心数量增多，从而使合金晶粒细化；当Al-5Ti-1B加入量大于或小于0.2%时，晶粒变粗。