电解低钛铝合金微观组织细化及在铸造铝硅合金制备中的应用.pdf

第5 8 卷第{ 舶 2006 证2 ／l 有色金属 N o n { e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 。N 0 1 F c b T u a r y20 0 6 电解低钛铝合金微观组织细化及 在铸造铝硅合金制备中的应用 王三军，王明星，刘志勇，刘忠侠，宋天福，翁永刚，左秀荣 教育部材料物理重点实验室，郑州大学物理工程学院，郑J 1 { 4 5 0 0 5 2 摘要通过与A I T i 和A I T i B 细化剂对纯铝的晶粒细化效果进行比较，研究电解加钛的晶粒细化作用，并利用工业铝电解 槽生产的电解低钛铝合金熔体育接生产A 3 5 6 合金。结果表明，电解加镀对纯铝具有豆好的晶粒细化作用，细化效果与A I T i B 中 间合金相当，在试验钛台量范围内，电解加钛的晶粒细化效果明显优于A I T I 中间舍盘。用电解低钍铝台金制备的A 3 5 6 合金．在 不进行细化处理的情况下，性能与以纯铝并用A W i 或A ] T [ B 中间台金细化处理传坑T 艺制备的A 3 5 6 台金相当。 关键词金属材料电解低锰铝台金；晶粒细化；A 3 5 6 合金；工业试验 中图分类号T G _ 1 4 62 1 “ f O i l 31 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 i 2 0 0 6 0 1 0 0 2 6 0 5 向铝及铝合金中加入少量的钛，可在熔体中形 成大量细小弥散的伽，T ，相，为合金熔体提供异质 形核中心，从而达到细化晶粒、提高机械性能的目 的。传统上，钛多是以A I T i 或A 1 T i B 中间合金的形 式添加的。A 1 T i B 是工业上广泛使用的细化剂- “， 它具有细化效果好、抗衰退能力强的特点。A F I ’i 中 间合金则是最早使用的一种细化剂，它的细化能力 不如A I ’F i B ，但目前仍在使用，尤其是在铸造铝合金 领域应用较多。用中间合金细化剂对铝合金进行细 化处理的成本较高、工艺较复杂，且对细化剂的质量 也要求较高”l 。通过向铝电解槽添加T i 岛直接 生产低钛铝台金是一种新的加钛方法”J 。工业试 验表明t 4 j ，电解低钛铝合金的生产过程对电解槽的 正常工作影响不大。但这种电解加钛方式是否有细 化晶粒的作用，能否能实际应用，需要验证。为此， 对比研究电解加钛和经A l n 或A I T d 5 细化剂熔配加 钛对纯铝的晶粒细化效果，在实验室条件下，用电解 低钛铝台金制备了A 3 5 6 合金，并与由纯铝制备荐分 别用A l T l 或A 1 T I B 细化处理的A 3 5 6 合金的组织和 性能进行比较，还进行了利用工业铝电解槽生产的低 钛铝合金熔体直接用于熔配A 3 5 6 合金的工业试验， 对试验生产的合金产品的组织和性能进行了分析。 1实验方法 研究所用材料为不同钛含量的电解低钛铝合 金，工业纯铝、硅、镁．A 14 ，7 5 ％T i 和A I5 T i 一1 B 中 间合金以及A 18 。6 ％S r 中间台金。电解低钛铝台 金成分如表1 所示。 表1电解低钛铝合金的化学成分fw ，／％ T a b l el C n m p o s i t i o n so fe l e c t r o l Y x i cA Ia l l o y sw i t hl o wT ic 。n t e m 收稿日期2 0 0 4 1 21 5 基金项目河南省重大科技攻关项闩 0 3 2 2 0 2 0 6 0 0 作者简介王三军 19 7 7 一 ，女，河南巩义市人。硬士生，主要从事 会属物理与金属材料等方面的研究； 联系人土磷星 ，9 6 3 一 。男，j 可南光山县人，教授，悼上，主要从 事金属物理与金属材料等 面的研究。 晶粒细化效果分析样品在7 ．5 k W 电阻炉中制 备，浇铸模具为内径3 0 m m 、深6 0 m m 的石墨模具。 电解低钛铝台金经重熔后直接浇铸样品，不做成分 调整。其他样品由纯铝和A 1 7 r l 或A 1 T i B 中间台金 熔配面成。金相试样取自距铸锭底部4 c m 处，用配 有图像采集系统的显微镜拍摄金相照片，用割线法 万方数据 第1 期 王三军等．电解低钛铝合金激观组织细化及在铸造铝硅合金制备中的应用 2 7 分析晶粒大小。 A 3 5 6 合金的实验室制备原料为表1 中的2 号 锭料、纯铝、硅和纯镁锭等。先以电解低钛铝合金或 纯铝为母材分别制备含硅和镁的合金锭。重熔时， 由电解低钛铝合金制备的台金仅加s r 变质、氩气除 气后即浇铸拉伸试样，而由纯铝制备的台金则先用 A I T i 或A I ’F i B 细化处理，再加s r 变质、氩气除气后 浇铸试样。浇铸试样的模具为金属型模具。试样经 2 “ 6 热处理后机加工成标准的拉伸试样。拉伸试验 在M T S 8 1 0 材料试验机上进行，拉伸速率为l m m ／ s 。试验结束后，选择典型试样，截取金相样品，用于 微观组织观察。 工业试验在登封铝厂进行。所用设备有8 0 k A 预焙电解槽、一个大约5 t 容量反射式电阻炉和一套 氢气除气装置。通过向电解槽添加适量的T t O ，生 产出钛含量满足要求的电解低钛铝合金，用真空包 抽出倒入熔炼炉，此前，硅已提前放人熔配炉进行了 预热，待硅全部熔化，于7 3 0 ℃左右时，加入镁锭并 通氨气精炼，7 0 0 ～7 2 0 ℃时铸锭。合金的熔炼过程 是在断电的情况下用熔体的余热完成的。将生产的 合金锭截开，选择典型部位制备宏观金相。将合金 重熔并加s r 变质后浇铸拉伸试样，试样经T 6 处理 后用于拉伸性能的测试。使用的模具、浇铸条件等 与实验室制备合金样品时相同。 2 试验结果与讨论 图1 是钛含量为0 ．2 0 ％电解加钛和经A I T i 和 A I T i B 熔配加钛样品的微观组织。可以看出，电解 加钛样品的晶粒大小与A 1 T i B 细化处理样品的晶粒 大小相当，明显小于A I T i 合金细化处理的样品。图 2 给出的是不同钛含量电解低钛铝台金和添加不同 量A 1 T i 和A 1 T i B 中间合金细化处理样品的微观晶 粒尺寸随钛含量变化的定量分析结果。可以看出， 电解加钛和由中间合金熔配加钛样品的晶粒尺寸都 随钛音量的增加而下_ 降，当钛含量低于0 ．2 0 ％时， 三种样品的晶粒尺寸随钛含量的增加迅速下降，钛 含量超过0 ．2 0 ％，晶粒尺寸的下降趋于平缓。对于 电解加钛和A I T i B 细化处理样品，试验得到的最小 晶粒尺寸均为1 0 6 p m ，这与文献[ 5 ] 作者用A I 一5 T i B 细化工业纯铝所获得的最小晶粒尺寸相当。另外， 还可以看出，其他古钛量的样品，电解加钛与A I T i B 的细化效果接近，且均明显好于M T i 中间合金 如 图2 所示 ，因此，电解加钛对纯铝具有很好的晶粒 细化作用。 l 一电解加钍；2 一A I T I R 中刚合金；3A l I 、i 巾间合盒 图1 钛含量为0 ．2 0 ％时不同细化处理条件样品的微观组织 1 一r e [ i n c lb yt i l a n i u ma d d e db yd e c t m l ”h ；2 一r e f i n e db yA I T i B ；3r e f i n e db yA I T i F i g ．1 M l c n Ⅺt r u c t u 糟o fs a m p l e s w i t h0 ．2 0 ％T i 图2 微观晶粒尺寸随钛含量的变化 F i g ．2 G r a i ns i z e ．sc h a n g ew i t ht i t a n i u mc 。Ⅱ把n l s 表2 给出的是实验室制备A 3 5 6 合金的化学成 分。表3 是合金的拉伸性能。可以看出，用电解低 钛铝合金制备的A 3 5 6 合金的拉伸性能与A l T i 和 A I I 、i B 细化处理合金相当。 图3 是三种台金的微观金相照片。图4 是工业 试验生产的A 3 5 6 合金铸锭的宏观金相。图中显 示，除最后凝固区晶粒稍大外，台金锭的整个断面上 组织均匀细小，没有明显的气孔。 表4 是试验生产台金铸锭重熔浇铸试样的拉仲 性能 化学成分S i6 ，8 ％；M g0 ．4 1 ％；F e 0 ．1 2 ％；T i 万方数据 有色金属第5 8 卷 表2 实验室制备A 3 5 6 合金的 化学成分／％ T a b l e 2 C o m p o c d l i o n so fA 3 5 6a l l o m , p r e p a r e di nl a b o r a t o r y 0 。1 3 ％；S r 0 ，0 2 2 ％ 。比较表3 和表4 ，虽然工业生 产合金的性能稍低于实验室制备合金，但仍具有良 好的强度和塑性。因此，利用现有工业铝电解槽生 产电解低钛铝舍金并直接用于生产A 3 5 6 台金，可 获得组织均匀、性能良好的合金产品。 表3 实验室制备A 3 5 6 台金 的拉伸性能 T a b l e3 P r o p e r t i e s0 fA 3 5 6a l l o y sp r e p a r e di nl a b o r a t o r y 1 一电解加钛；2 一A I T i B 中何台金；3 一A I T i 中问合金 图3 实验室制备A 3 5 6 合金的微观组织 傩n n db yt i t a n i u ma d d e db ye l e c t r o l y s i s ；2 一r e l i n e db yA L T O ；3 一r e f i n e db yA I T i F i g ．3 M i c r o s t r u c t u r e 。fA 3 5 6a l l o y sp r e p a r e di nl a b o r a t o r y 图4 工业试验生产A 3 5 6 合金铸锭 断面的宏观金相 F i g4 M c r o s t r u e t u l - e 。fA 3 5 6p r o d u c e di ni n d u s t r i a lt e s t 表4 工业试验生产A 3 5 6 台金的拉伸性能 T a b t e 4T e n s i l ep r o p e r t i 薛o fA 3 5 6a l l o y p r o d u e e di ni n d u s t r i a lt e s t 铝及其合金的晶粒大小取决于凝固过程中熔体 内晶核的数量，使熔体自发形成或为其提供数量充 分的形核中心是细化晶粒的关键。向铝电解槽添加 适量的T i o ，，在电解电流的作用下，T i 0 2 被电解，钛 将不断以原子的形式进人阴极铝液，并且，在电流磁 场和阳极气体的作用下，铝液不停的沸腾搅拌．使钛 在铝液中的分布均匀。若生产的电解低钛铝合金的 钛含量高于钛在铝中固溶度0 ．1 5 ％，在出铝后的铸 锭过程中，随温度下降，将有仙T i 相析出，由于钛 在低钛合金液中的均匀分布，使析出的A l ，T i 相数 量多且细小、弥散分布于整个熔体，铝原子将在这些 均匀分布的舢，T i 相上生长，使晶粒得到细化。当 铝渡中钛含量增加时，在降温过程中析出的A k T i 相的数量将迅速增加，因此，细化能力大大增强，晶 粒尺寸迅速下降”l 。但当钛含量增加到一定数量 会使铝液- 1 。的A l ，T i 相粒子的弥散度过高而发生聚 集，形成尺寸较大的A 1 ，T i 相，并逐渐下沉。因此， 钛含量的继续增加并不能使熔体中的A I s T i 相粒子 数量再有大的增加，钛的细化能力也不再明显增强。 另外，A l 、T 1 和液态铝之间在液相线温度之上存在一 个包晶反应L 卜圳，L A f ，矗斗口一A l ，液态铝原子也 可在包晶反应生成的a A I 相的基础上外延生长，使 铝晶粒得到细化。当钛含量低于01 5 ％时，凝固时 很难形成大量稳定的A l ，T l 相，因而，熔体中的异质 晶核的数量很少，但是，由于钛在铝的液相和固相中 万方数据 第l 期王三军等电解低钛铝合金微观组织细化及在铸造铝硅合金制备中的应用 2 9 的溶解度不同，在非平衡凝固时，钛将在液固界面的 液相一侧出现富集而造成成分过冷，从而促使非自 发形核，形成等轴晶而阻止柱状晶的发展，使晶粒得 到细化[ 9 1 。此外，生长速度对晶粒的最终大小有重 要影响。研究表明[ 1 0 1 ，液态金属中的溶质元素对晶 粒生长有一定抑制作用，晶粒生长抑制因子G R F m C o K o 一1 可表示不同溶质元素抑制晶粒生长作 用的强弱。G R F 值越大的溶质元素，抑制晶粒长大 的作用越强。在铝合金的所有合金化元素中，钛是 抑制铝晶粒长大作用最强的元素H l l 。电解低钛铝 合金的钛含量较低，但分布均匀，在铸锭的凝固过程 中，均匀分布的钛元素对抑制晶粒生长将更有效。 由此可见，对于很低钛含量的电解低钛铝合金，成分 过冷引起的非自发形核和钛元素抑制晶粒长大的作 用是钛仍具有良好晶粒细化作用的原因。 用A I T i 中间台金对铝熔体进行细化处理时，医 A I T i 中间合金中的钛含量很高，在其中所形成的 A l ，T i 相多以较大的针状或块状形态存在，大尺寸的 A l ，T i 相加人铝熔体后，有一个熔解过程，在短时间 内钛在熔体中的分布很难达到电解低钛铝台金那样 的均匀性，这对溶质钛原子抑制晶粒长大作用产生 不利影响，同时A l ，T 相弥散度也不如电解低钛铝 合金，也降低了A I T i 合金的细化能力。A 1 T i B 中间 合金中除A l ，T i 相外，还有存在大量细小的T i B 2 相，加入铝熔体时，在加人A l s T i 的同时，也加入了 大量T i B 2 相．该相为六方晶体。晶格常数与铝相近， 而且熔点高，在铝熔体中长期保持也不溶解，是铝结 晶更有效的形核相[ 1 2 - 1 3 1 ，所以A I T I B 呈现出出A l T i 中间合金更好的细化能力。 用电解低钛铝合金制备的A 3 5 6 台金的性能与 纯铝制备并用A ll ’i B 或A l q 、i 细化处理的A 3 5 6 合金 相当，见表3 。说明电解加钛对A 3 5 6 合金同样具有 良好的作用。电解加钛的细化作用使电解低钛铝合 金铸锭具有组织均匀、晶粒细小的微观形貌．这种良 好的组织形态可通过组织遗传作用，传给以它为原 料制备的应用合金，同时由于电解钛的存在，它还会 继续起到细化晶粒的作用，所以，在不进行细化处理 的情况仍可获得良好的性能。 通过利用工业铝电解槽生产电解低钛铝合金并 直接用于熔配A 3 5 6 合金的工业试验，获得了性能 良好的合金产品。证明工艺是可行性的。在生产过 程中，充分利用了熔体的热量，节约传统铝合金生产 工艺中铝锭重熔所需能源，从而降低了台金生产成 本。而且，生产的合金铸锭组织良好且含钛．使合金 在后续的使用中，无需再进行细化处理。使用这种 工艺制备A 3 5 6 台金，没有特别工艺要求，同样可以 用于其他牌号含钛铝硅台金的生产。 3 结论 电解加钛对纯铝具有良好的晶粒细化作用，细 化效果与A I T i B 中间合金相当，在试验钛含量范围 内。电解加钛的晶粒细化效果明显优于A I T i 中间合 金。用电解低钛铝合金制备的A 3 5 6 合金，在不进 行细化处理的情况下，其性能与以纯铝制备并用 A 1 T i 或A 1 T i B 中间合金细化处理传统工艺制备的 A 3 5 6 合金相当。利用工业铝电解槽生产低钛铝合 金并直接用于熔配铝硅台金是可行的，省去了传统 铝合金生产工艺中铝锭的重熔过程及细化处理所需 的含钛中间合金和处理工艺，在获得组织均匀、性能 良好的合金产品的同时。降低了生产成本。 参考文献 1 ] G r a n g e D A r ．O nr e f in i n ga n da l l o y i n go f l i q u i da l u m l n i u ma n d f e r m a l l o y s [ C ] ／／P r o c I n tS e x n i n ．T r o n d h c i m ，N o r w a y N e t w e g i a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，1 9 8 5 2 3 1 2 4 4 [ 2 ] 刘相法．杨阳，边秀房，等．轩状A | T i B 中闻舍金的组织形貌及晶粒细化行为的研究[ J ] ．铸造．1 9 9 6 ， 1 0 6 9 ． 【3 ] 刘相法，边秀房，同生存，等A I T i 中间合金中T i ～，形态对细化效果的影响[ J ] 热加工工艺，1 9 9 7 ， 1 9 1 1 ． [ 4 ] 王明星，刘智勇，宋天福，等电解生产低钛铝合金“ 1 2 业试验及产品中钛分布的均匀性分析[ J ] 轻金属，2 0 0 3 ． 4 4 l 一4 4 [ 5 ] 孝云桢，马宏声，路贵民，等A t T i - B 晶粒细化合金中的有效形核相[ J ] 中国有色金属学报，1 9 9 7 ，7 3 1 3 7 1 3 9 [ 6 ] 张映新．A } T ，和A l z r 中间合金组织遗传性对铝合金铸造组织的影响[ J ] 轻台金加工技术，1 9 9 8 ，2 6 1 1 1 1 1 3 ． [ 7 ] S i f f w o r t hGK ．S h i v k u m e rs ，A p e l i a nDT h ei n f l u e n c eo fm o k e nm e t a lp r o c e s 3 i n g0 nm e e h a r t i c a lp r o p e r t i e so fC a S tA I 一8 iM g a l J o y s [ j ] A F ST r a n , s a c t l o n ，1 9 8 9 ，9 7 8 1 l 8 2 4 ． r 8 ] V a t n eS u n n d o l s o r aHEE f f i c i e n tg r a i nr e f i n e m e n tD fi n g o t so fc o m m e r e Mw r o u g h ta l u m i n u ma l l o y ，P a r i IM e t h o d sl o tg r a i n r e f i n i n g [ J ] A l u m i n u m ，1 9 9 9 ，7 5 1 ／2 8 4 9 0 ． 万方数据 有色金属第5 8 卷 f9 ] S p i t t | eJA ，S a d l iSE f f e c to fa h o yv a r i a b l e si ng r a i nr e f l n e r n e n io fb l i n a n ya h J m i n i u ma l l o y sw i t hA I T i - B [ J ] M a t e r i a l s S c i e n c e a r t d T e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，1 1 ．5 3 3 5 3 7 ． [ 1 0 ] M H r kE a , s t o n ，D a v i dS t i d m ．G r a i nr e f i n e m e n to fA l u m i n u ma l l o y sP a r tI T h en u c l e a t ea n ds o l a t ep a r a d i g m s Ar e v i e wo f t h eL i t e r Ⅲtc [ J ] M e t a l l u r g i c a la n d M a t e r i a l sT r a n s a c t i o a s A ，1 9 9 9 ，3 0 6 1 6 1 3 1 6 2 4 [ 1 1 ] M a t sJ o h n s s o n ，L e n n a r tB a e k e r u dT h ch l f l u e n e eo fc o m p o s i t i o nO i le q u i a x e dc r y s t a lg r o w t hm e c h a n i s m sa n dg r a i ns i z ei nA Ia l I o y s [ 儿zM e t a l i k d ，1 9 9 6 ，8 7 3 l 2 1 6 2 2 0 1 2 ] C h m gT eL e e ，S i n n ，W e nC h e n ，Q u a n t i t i e so fg r a i n so fa l u m i n u ma n dt h o s eo fT i B 2a n dA l s T ip a r t i d e sa d d e di nt h eg r a l n - r e 。 l i n i n gp r o e e s s e ．s [ J ] M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ．2 0 0 2 ，3 2 5 2 4 2 2 4 8 [ 1 3 ] f o n a sF 1 e l l c t e d t ，A n d e r s E W ．E x p e r i m e n t a la n a l y s i so f t h e i n t e r m e d i a r yp h a s e s A L B 2 ，A I B l 2a n d T I B 2J n t h e A I 。Ba n d A I 。T i 。B s y s t e m s [ J ] J o u r n a lo l A I l o y sa n d G a m l m u n d s ，1 9 9 9 ，2 8 3 1 9 2 1 9 7 ． M i e r o s t r u e t u r eR e f i n i n go fE l e c t r o l y t i cA IA l l o yw i t hL o wT i C o n t e n ta n dI t sA p p l i c a t i o ni nC a s tA I S iA l l o yP r e p a r a t i o n W A N Gs “⋯- j ．W A N G M i n g x i n g ，L I U Z h i ．y m g ．L I U Z h o n g - x i a ，S O N GT i a n - f u ，W E N GY o n g g a n g ，Z U O X i u Ⅷg L a b o r a t o r yo J M a t e r i a l P h y s i c so J t h e M i n i s t r yo f E d u c a t i o no f C J l i n a ，C o l l e g e 盯P h y s i c s E n g i n e e r i n g Z h e r l g z h o uU n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 5 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to ft i t a n i u ma d d e di na l u m i n u me l e c t r o l y s i sp r o c e s so nt h eg r a i nr e f i n e m e n ti si n v e s t i g a t e db y c o m p a r i s o no ft h er e f i F i e m e n tr e s u h sw i t ht h es i t u a t i o no fA 1 T ia n dA I T i Bm a s t e ra d o p t i o n ．A n dt h eA 3 5 6a l l o y i sp r e p a r e db yu s i n gl o wc o n t e n tt i t a n i u ma l u m i n u ma l l o yf r o mc o m m e r c i a lr e d u c t i o nc e l l ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h et i t a n I u ma d d e dt ve l e c t r o l y s i sh a sv e r yo b v i o u sg r a i nr e f i n e m e n ta c t i o na n di t sr e f i n i n ga b i l i t yi st h es a m ea s t h eA I T i Bm a s t e ra n dh e t t e rt h a nA I T im a s t e ri nt h et e s tr a n g eo fT ic o n t e n t ．T h ep e r f o r m a n c eo fA 3 5 6a l l o y n l a d ef r o me l e c t r o [ y s i sI o Wc o n t e n tt i t a n i u ma l u m i n u ma l l o yarew e l l m a t c h e dw i t ht h a tm a d ef r o mp u r ea l u m i n u ma n dr e l i n e db vA 1 T io rA 1 T i Bm a s t e ra l l o y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l e l e c t r o l y s i sl o wt i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ；g r a i nr e f i n e m e n t ；A 3 5 6a l l o y ；i n d u s t r i a 】t e s t 万方数据