细化剂Al-5Ti-B添加量对铝合金晶粒度的影响

2023-05-10 07:46:38孔德烽马良鹏权兴洪吴家灿温兴庆
云南科技管理 2023年2期
关键词:铸锭细化熔体

孔德烽,穆 强,马良鹏,权兴洪,李 高,吴家灿,温兴庆

(云南云铝海鑫铝业有限公司,云南 昭通 657000)

1 研究背景简述

1.1 研究背景及意义

铝合金具有很多优良性能,如易加工、密度小、强度高、无磁性、耐腐蚀等。所以其使用量在金属材料中占很大比例,此外,铝合金的应用范围也比较广泛,在机械、包装、航空航天、建筑、电子、汽车等不同行业中均有用到铝合金的,这一现象充分展示了铝合金在金属材料领域所具有的独特优势[1]。

金属的晶粒大小对金属的许多性能有很大影响,对于金属常温下的性能来说,晶粒越小则总的晶界面积越大,合金的强度和硬度越高,塑性和韧性也越好。因此晶粒细化是提高材料强度和塑性及改善铝合金质量的重要手段之一,晶粒细化一般都是添加细化剂,使用机械搅拌,快速凝固等来实现[2]。

当今在工业生产中对有色合金晶粒的细化,加入中间合金细化剂的种类很多,最常用的细化剂有Al-5Ti-B合金,Al-5Ti-2B合金等。其中Al-5Ti-B中间合金细化剂对铝合金细化效果显著,能明显减小晶粒尺寸[3]。但是Al-5Ti-B合金中所含的TiAl3粒子粗大,以及Al-5Ti-B中含有的TiB2粒子偏聚都会影响到Al-5Ti-B中间合金的细化效果。金属材料的强度、韧性、硬度、塑形都随着晶粒尺寸的变小而增加。因此,获得均匀细小的等轴晶具有非常重要的意义:晶粒细化可改善合金中第二相的形态、分布和尺寸大小,从而降低偏析,使合金中第二相的分布更加均匀[4]。

1.2 研究现状

20世纪40年代,研究采用Ti盐来细化铝合金,使Al液中固有的碳元素与Ti发生反应生成了TiC粒子, TiC和A1都为面心立方结构且有相近的晶格常数,因此TiC粒子可作为铝合金晶粒有效的形核核心,从而达到了晶粒细化的目的[5]。

到了20世纪50年代,研究人员将具有钛和硼2种元素的化合物添加到液态的铝合金中生成TiB2,由此生成的Al-5Ti-B具有良好的细化效果[6]。

到了70和80年代,研究人员通过进行大量的实验来提高Al-Ti-B晶粒细化剂的细化性能,经过不懈努力,开发出一系列Al-Ti-B、A1-Ti-0.4B、Al-5Ti-B等产品。而在A1-5Ti-B的细化性能研究方面,随着硼元素含量的增加,晶粒细化性能也随之提高,因此A1-5Ti-B被广泛于企业生产中[7]。

1.3 研究内容

研究Al-5Ti-B丝添加量对铝合金晶粒组织的影响,通过在浇铸前使用喂丝机将Al-5Ti-B丝加入合金熔体中,加入量由喂丝机的工作频率控制,同时通过是否开启除气箱,达到是否搅拌熔体的目的。并用金相显微镜对铸锭的晶粒组织进行研究分析;得出Al-5Ti-B丝添加量对铝合金晶粒组织的影响情况。

本研究遵循实验单一变量原则:控制熔体温度、熔体流量(铸造速度)、合金牌号(6063)等无关变量一致,分别改变Al-5Ti-B丝添加量。

本实验使用平均晶粒尺寸及最大晶粒尺寸2个指标来体现晶粒细化效果。

具体内容如下:

1)Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

2)Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

3)Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

4)Al-5Ti-B丝添加量为4 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

2 实验内容

2.1 实验设备

实验使用本公司6#合金生产线进行实验,该生产线拥有:熔炼炉、喂丝机、除气箱、过滤箱、铸造机等设备。熔炼炉用于熔配铝合金熔体,喂丝机用与添加细化剂Al-5Ti-B丝,除气箱用于除气即搅拌熔体、过滤箱用于过滤合金熔体杂质,铸造机用于铸锭成型。

Al-5Ti-B丝为:重庆斯肯达有色金属有限公司生产的,主要化学成分为,Ti 5.03%;B 0.99%;Fe 0.1%;Al余量。显微组织TiAl3呈块状,分布大致均匀,最大晶粒尺寸120 um,平均晶粒尺寸21 um。

本实验使用的主要设备如图1所示。

图1 喂丝机、除气箱实物图

其中,在除气箱盖上安装有4个加热器棒和2个石墨转子,石墨转子结构如图2。

图2 石墨转子结构图

石墨转子主要由转轮、转杆、挡渣环3个部分组成;出气孔位于转轮上,转子外部喷涂上耐高温材料,通常喷涂B-N材料,防止熔体粘黏在石墨转子表面[7]。

喂丝机:由主体支架、转盘、变频器控制系统等组成。

本实验铝合金晶粒组织结果是利用金相显微镜进行检测。

2.2 实验过程

本实验控制无关变量熔体温度即浇铸板面温度为705(±5)℃,合金牌号为6063,熔体流量为260 kg/min,溜槽液位高度为100 mm,铝合金熔体初始钛元素含量为0.005%,铸锭规格:φ203 mm。

实验(1):Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

根据要求在熔炼炉组炉熔配5 t铝合金熔体6063,熔体主要化学成分(表1)。

表1 化学成分

对熔体精炼完成后进行开机铸造,铸造温度及速度等按照上述无关变量进行控制。Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl,铸造完成后,在铸锭中间取一个样品进行晶粒组织分析。

1)取样位置:试样为每个样品的1/2半径处

2)试样个数:1个

3)试样状态:腐蚀

4)视场倍数:200X

5)视场个数:1个

图3 左图为φ203圆棒中心位置取初圆饼样图,在圆饼样中位置1处,取晶粒组织分析样品,并进行打磨、腐蚀后如图3右图所示,即为晶粒组织样品。即可利用金相显微镜进行观察分析晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸162 um,最大晶粒尺寸310 um(图4)。

图3 取样位置及样品

图4 显微晶粒照片

该晶粒尺寸按照国标判定,不符合要求。因此,当Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl时,所生产的铸锭不符合要求。

Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl,铸造过程中开启除气箱搅拌熔体,气体流量设定为:70 L/min,转子转速依次设定为:200 r/min、300 r/min、400 r/min;实验结果如下:

转速为200 r/min时,铸锭晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸151 um,最大晶粒尺寸298 um见图5(a)。

相较于未搅拌情况,铸锭晶粒组织得到进一步细化。

转速为300 r/min时,铸锭晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸133 um,最大晶粒尺寸255 um见图5(b)。

相较于未搅拌情况,铸锭晶粒组织细化效果提升明显。

转速为400 r/min时,铸锭晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸112 um,最大晶粒尺寸246 um见图5(c)。

相较于未搅拌情况,铸锭晶粒组织细化效果改善大,随着搅拌程度的增加,晶粒细化效果逐渐增强,转子转速400 r/min时,同量Al-5Ti-B丝添加量晶粒细化效果最好。

由于现场除气箱电机最大转速为400 r/min,后续实验二至实验四将转子转速固定为400 r/min,改变钛添加量进行实验。

实验(2):Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

根据要求在熔炼炉组炉熔配5 t铝合金熔体6063-J,熔体主要化学成分(表2)。

表2 化学成分

对熔体精炼完成后进行开机铸造,铸造温度及速度等按照上述无关变量进行控制。Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,铸造完成后,在铸锭冷端、热端各取一个样品进行晶粒组织分析。取样分析要求按照实验一执行。

晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸98 um,最大晶粒尺寸215 um(见图6)。

图6 显微晶粒照片

该晶粒尺寸按照国标判定为满足铝合金铸锭晶粒组织要求。因此,Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,所生产的铸锭晶粒度尺寸得到大幅度细化。

实验(3):Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

根据要求在熔炼炉组炉熔配5 t铝合金熔体6063,熔体主要化学成分(表3)。

表3 化学成分

对熔体精炼完成后进行开机铸造,铸造温度及速度等按照上述无关变量进行控制。Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl,铸造完成后,在铸锭冷端、热端各取一个样品进行晶粒组织分析。取样分析要求按照实验一执行。

晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸89 um,最大晶粒尺寸188 um(见图7)。

该晶粒尺寸按照国标判定为满足铝合金铸锭晶粒组织要求。因此,Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl,所生产的铸锭晶粒度尺寸得到进一步细化。

实验(4):Al-5Ti-B丝添加量为4 kg/tAl,铝合金晶粒组织情况。

根据要求在熔炼炉组炉熔配5 t铝合金熔体6063-J,熔体主要化学成分(表4)。

表4 化学成分

对熔体精炼完成后进行开机铸造,铸造温度及速度等按照上述无关变量进行控制。Al-5Ti-B丝添加量为4 kg/tAl,铸造完成后,在铸锭冷端、热端各取一个样品进行晶粒组织分析。取样分析要求按照实验一执行。

晶粒组织检测结果:平均晶粒尺寸82 um,最大晶粒尺寸190 um(见图8)。

图8 显微晶粒照片

该晶粒尺寸按照国标判定为满足所有铝合金铸锭晶粒组织要求。Al-5Ti-B丝含量在实验3基础上增加了4 kg/tAl,所生产的铸锭晶粒度尺寸得到进一步细化,但是细化效果已不显著,且最大晶粒尺寸有所增加。

3 实验结果与分析

综合实验1-4绘制钛元素添加量对铝合金铸锭平均晶粒尺寸及最大晶粒尺寸影响的曲线图(图9)。

图9 Al-5Ti-B丝添加量对晶粒度的影响

根据曲线分析:在铝合金熔体初始钛元素含量为0.005%时,在浇铸过程中利用Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl时,铝合金铸锭最大晶粒尺寸为255 um、平均晶粒尺寸为122 um,晶粒粗大。

当Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl时,最大晶粒尺寸为215 um,相比Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl时降低40 um,平均晶粒尺寸为98 um,相比Al-5Ti-B丝添加量为1 kg/tAl时降低24 um,晶粒细化效果显著。

当Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl时,铝合金铸锭最大晶粒尺寸为188 um、平均晶粒尺寸为89 um,相比Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl时最大晶粒尺寸及平均晶粒尺寸得到进一步减小,铝合金铸锭晶粒组织进一步细化。

当Al-5Ti-B丝添加量为4 kg/tAl时,铝合金铸锭最大晶粒尺寸为190 um、平均晶粒尺寸为82 um,相比Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl时平均晶粒尺寸得到进一步减小,但效果不明显,且最大晶粒尺寸有所增加,主要是形成了部分粗大的TiAl3和偏析的TiB2化合物所导致。

生产中考虑节省Al-5Ti-B丝使用量降低生产成本,可以将Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,同时使用机械搅拌,使铝合金晶粒组织得到充分细化。

在铝合金熔铸中,Al-5Ti-B丝中的钛元素具有抑制晶体生长和形成成分过冷的作用,从而使熔体中晶核数目增多,达到细化晶粒的效果。

4 结束论

利用控制变量法实验研究,将熔体流量、熔体温度等无关变量控制合理,依次实验研究增加Al-5Ti-B合金添加量对铝合金晶粒组织的影响。按固定区间值改变Al-5Ti-B合金添加量,测量每次改变铝合金铸锭的最大晶粒尺寸及平均晶粒尺寸,得出钛元素添加量对铝合金晶粒度的影响。

根据实验,当Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl,并开启除气箱进行机械搅拌,铝合金铸锭最大晶粒尺寸为215 um、平均晶粒尺寸为98 um,晶粒度判定为一级,符合全部6系铝合金铸锭对晶粒度的要求,Al-5Ti-B丝添加量为2 kg/tAl并结合使用机械搅拌,基本达到了Al-5Ti-B丝添加量为3 kg/tAl晶粒细化效果。

生产中考虑节省Al-5Ti-B丝使用量降低生产成本,可以将Al-5Ti-B丝添加量确定为2 kg/tAl,同时使用机械搅拌,可以使铝合金晶粒组织得到充分细化。

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