中间合金对A356.2合金细化的效果 - 文章

中间合金对A356.2合金细化的效果

作者：李双寿朱跃峰曾大本王晓强吴群虎李庆荣

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摘　要：采用铝业协会制订的TP-1型标准测试法，对Al-10RE、Al-5Ti-1B、Al-5Ti-1B-10RE等中间合金对A356.2合金的细化效果进行评价，以优化铝合金轮毂制造过程中合金熔体细化处理工艺。结果表明， Al-5Ti-1B-10RE中间合金中的RE不仅可以有效抑制晶粒尺寸的衰退，而且在一定程度上改善Ti、B、Sr对A356.2合金显微组织的细化和变质效果；TP-1型晶粒度检测法是一种简单、直观、准确的中间合金细化效果在线评价方法。
关键词：TP-1型标准测试法　中间合金　铝合金　细化处理

细化处理不仅可以细化晶粒，使组织致密，而且可以减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而显著提高铝合金铸件的力学性能。近年来，随着晶粒细化理论的不断发展，出现了许多细化处理方法，其中最有效、最实用的方法是添加中间合金细化剂。除最常用的Al-Ti-B中间合金外，目前RE元素的变质细化作用逐渐引起研究者和生产厂家的重视。大量实践证明细化处理工艺及中间合金的质量对细化效果具有重要影响［1～3］。为了提高A356.2铝合金汽车轮毂的质量，采用国际铝业协会(Aluminum Association,以下简称AA)制订的TP-1型晶粒度标准测试法，对几种中间合金的细化效果进行了评价，在此基础上优化了合金熔体的细化处理工艺。

1　试验条件和方法

1.1　TP-1型晶粒度标准测试法简介

AA的中间合金分会(Master Alloys Division)和产品标准技术委员会(Technical Committee on Product Standards)于1990年8月17日颁布了经过修订的标准，即TP-1型晶粒度测试标准，并向中间合金制造和应用厂商推荐。图1为TP-1型标准测试法样杯及典型晶粒度样品［4］。Boone等人［4］研究了TP-1型晶粒度标准测试法的精度、再现性和线性度，结果表明当添加中间合金获得均匀的等轴晶粒时，该方法能够获得精确的可再现结果。目前，TP-1型晶粒度标准测试法已经被AA的中间合金制造商和应用厂商广泛采用。

图1　铝业协会TP-1型标准样杯以及晶粒度试样

1.2　试验材料和条件

试验材料为A356.2合金，熔化采用30号石墨坩埚，在7.5 kW立式电阻炉中进行。熔体温度采用镍铬—镍硅热电偶测量，精度±1 ℃。熔体经ZnCl2除气精炼、Al-10%Sr中间合金变质处理后，分别采用Al-5Ti-1B、Al-10RE及Al-5Ti-1B-10RE三种中间合金进行细化处理，具体方案见表1。三种中间合金的显微组织如图2所示。

表1　试验方案中的中间合金及其加入量

方案	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
中间合金	0.2%	0.2%	0.4%	0.2%Al-5Ti-1B-10RE
及其加入量	Al-5Ti-1B	Al-5Ti-1B-10RE	Al-10RE	+0.2%Al-10RE

图2　三种中间合金的显微组织

TP-1型标准试样浇注温度为690 ℃，用晶粒平均直径评价细化效果。金相样品在金属型力学性能试样上截取，经电解抛光、腐蚀后在扫描电镜上观察分析。

2　结果和讨论

2.1　细化处理工艺对晶粒度的影响

精炼处理前合金的平均晶粒直径为3 mm，精炼处理后增大为4 mm。这是由于重熔后精炼处理去掉部分起到异质核心作用的夹杂物，从而导致合金晶粒尺寸有所增大。
图3为合金经不同方案细化处理后在静置过程中平均晶粒直径的变化，结果说明如下。

图3　不同中间合金细化处理后静置过程中合金TP-1型试样的晶粒度

(1) 方案Ⅲ尽管在初期有较明显的细化作用，但是随着静置时间延长晶粒尺寸急剧增大，静置4 h后便完全失去细化作用。

(2) 方案Ⅱ可以有效地抑制晶粒尺寸的衰退现象，在静置6 h过程中随着时间的延长，晶粒尺寸一直在减小。与之相比，方案Ⅰ加入0.2%Al-5Ti-1B在静置2 h后出现细化衰退现象，而同时加入0.2%Al-5Ti-1B-10RE和0.2%Al-10RE(方案Ⅳ)的细化衰退现象更为明显。

文献［2］认为Al-Ti-B-RE中间合金中的RE可以有效抑制细化衰退现象，其原因是加入适量的稀土元素能阻止TiB2发生聚集、沉淀，从而延缓衰退；此外，稀土元素La、Ce等能降低铝熔体的表面张力，增加铝熔体对TiB2颗粒表面的扩张系数，既能充分发挥TiB2的异质形核作用，又能防止TiB2的聚集长大。但是，试验方案Ⅳ尽管初期具有明显的细化效果，但细化衰退现象比较显著，表明过量的RE也会干扰细化效果。其原因可能是一方面过量的RE会促进偏聚物的形成，形成夹杂物，从而影响细化效果；另一方面，Al-10RE中间合金中富RE相尺寸明显大于Al-5Ti-1B-10RE中的富RE相(如图2所示)，细化相的原始状态对细化效果会产生一定影响，超过某一临界尺寸的富RE相可能不会有细化作用。

2.2　RE对显微组织的影响

文献［6］总结了RE元素对铝合金显微组织的影响。加入RE元素可以增加铝硅合金共晶转变的过冷度，从而使二次枝晶臂减小；可以降低熔体的表面张力，增加合金凝固时的过冷，从而使枝晶细化；稀土含量只有大于某一临界值(在铝硅合金中约为0.1%～0.15%)后才会在细化晶粒的同时细化枝晶组织，若含量小于临界值，尽管可以显著减小晶粒尺寸，却粗化枝晶组织，并且形成的粗大共晶相在后续热处理过程中也难以消除；RE元素可使铝硅合金的共晶硅相由片条状变成球粒状，并且稀土变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性。但是，RE元素对Ti、B的细化作用和Sr的变质作用的影响方面的研究较少。

试验比较了采用方案Ⅰ、Ⅱ获得的合金显微组织如图4和图5所示。

图4　Al-5Ti-1B细化处理后分别静置10 min和6 h合金的显微组织

图5　Al-5Ti-1B-10RE细化处理后分别静置10 min和6 h合金的显微组织

(1) 经方案Ⅱ处理的合金在静置过程中晶粒尺寸减小(如图3所示)的同时伴随着显微组织的粗化，即随着静置时间的延长初生α-Al的枝晶形态明显退化，共晶硅尺寸增大；与方案Ⅰ相比，在静置过程中二次枝晶臂间距略细小。

(2) Al-5Ti-1B-10RE中间合金中的RE对共晶硅相的形态也有所影响。与方案Ⅰ相比，方案Ⅱ处理后静置10 min时共晶硅形态由仅用Sr变质时的粒状变为细小蠕虫状，静置6 h后共晶硅形态比未加RE的大块层片状也有所改善。

3　结　论

(1) Al-5Ti-1B-10RE中间合金可有效抑制铝硅合金长时间静置过程中晶粒尺寸的衰退，适合于大批量汽车铝合金铸件的生产。
(2) 在试验条件下，Al-5Ti-1B-10RE细化处理后在静置过程中A356.2合金晶粒尺寸减小的同时伴随着显微组织的粗化；Al-5Ti-1B-10RE中间合金中的RE对Ti、B的细化作用和Sr的变质作用均有一定的促进作用。
(3) TP-1型检测法操用简单，结果直观、准确，是一种中间合金细化效果在线检测的有效方法。

作者简介：李双寿,男,1968年出生,博士,清华大学机械系铸造教研室,北京(100084)
作者单位：李双寿(清华大学)
朱跃峰(清华大学)
曾大本(清华大学)
王晓强(清华大学)
吴群虎(戴卡轮毂制造有限公司)
李庆荣(戴卡轮毂制造有限公司)

参考文献：
［1］刘相法，边秀房，李辉等.AlTiB中间合金细化效果的组织遗传效应.金属学报，1996(2)：149～151
［2］黄良余.铝及其合金的晶粒细化处理简述.特种铸造及有色合金，1997(3)：41～43
［3］顾景诚，孙兴信.原料组织遗传性对铝及铝合金显微组织的影响.轻合金加工技术，1995(4):32～35
［4］Boone GW,Wilson BH,Carver RF et al.Precision and Reproducibility of the Aluminum Association Standard Test Procedure for Aluminum alloy Grain Refiners.Light Metals,1991:1 086～1 090
［5］Roger AP.Recent Developments in Grain Refining Technology & Standardization.Light Metal Age,1997(6):66～70
［6］孙伟成，张淑荣，候爱芹.稀土在铝合金中的行为.北京：兵器工业出版社.1992.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/21/2005)


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