稀有金属 2010,34(06),812-816
Ti,B,RE联合细化细晶铝锭的工艺优化研究
孙海斌 仲志国 左秀荣 许军旗 刘百超 罗永松
信阳师范学院物理电子工程学院
南阳师范学院物理与电子工程学院
郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室
摘 要：
通过两因素三水平的正交设计实验和极端顶点的混料设计实验,研究了不同含量的Ti,B,RE对细晶铝锭的联合细化效果;并根据正交设计实验的方差分析和混料设计实验非线性方程的最小二乘法求解,寻求Ti,B,RE联合细化的最优工艺。结果表明:正交设计和混料设计得到的最优工艺基本一致,即Ti=0.01%,B=0.001%,RE=0.1%,Ti/B=10/1,Ti/RE=1/10,且Ti/B对细化效果影响显著,而Ti/RE的影响次之。为了验证最优组合的细化效果,将0.01%Ti+0.1%RE+0.001%B的细晶铝锭、0.01%Ti的细晶铝锭、0.01%Ti+0.3%RE的细晶铝锭和0.01%Ti的A l-5Ti-1B分别细化6063铝合金,发现0.01%Ti+0.1%RE+0.001%B的细晶铝锭的细化效果最好。
关键词：
细晶铝锭 ;中间合金 ;正交设计 ;混料设计 ;晶粒细化 ;
中图分类号： TF821
作者简介： 孙海斌(1980-),男,河南南阳人,硕士,讲师;研究方向:材料微观组织性能研究,通讯联系人(E-mail:xytcshb@sohu.com);
收稿日期： 2009-12-20
基金： 河南省教育厅自然科学计划项目(2010A140014);河南省教育厅自然科学计划项目(2010A140015); 河南省科技厅科技计划项目(092300410209);河南省教育厅科技计划项目(2008A140010)资助; 国家自然科学基金资助项目(61077073);
Optimization Techniques of Combined Refinement of Grain-Refined Aluminum Ingot with Ti,B and RE
Abstract：
The combined refinement effects of grain-refined aluminum ingot(GRAI) with Ti,B and RE were investigated by the methods of the L6(32) orthogonal design and the extreme vertex mixing design.The optimization techniques of grain-refined aluminum ingot(GRAI) with Ti,B and RE were obtained according to the variance analysis parameters by influencing factor and least square method of the nonlinear equation.The results revealed that the optimization techniques were identical by methods of the orthogonal design and mixing design,namely Ti=0.01%,B=0.001%,RE=0.1%,Ti/B=10/1,Ti/RE=1/10,and Ti/B mass ratio was more significant factor than Ti/RE mass ratio.Comparing the best combination with the other three methods which were refined by the grain sizes of the 6063 aluminum alloy,it showed that the refining effect of GRAI with 0.01%Ti+0.001%B+ 0.1% RE was the best of all.
Keyword：
grain-refined aluminum ingot(GRAI);master alloy;orthogonal design;mixing design;grain refinement;
Received： 2009-12-20
中间合金能够通过细化晶粒尺寸、 减少热撕裂趋势、 提高屈服强度和韧性来显著地改善铝合金的性能
[1 ,2 ,3 ]
。 对于铝合金最早使用的中间合金是Al-Ti二元合金, 但是许多研究者发现
[4 ,5 ,6 ,7 ,8 ]
, 在Al-Ti二元合金中加入B元素时, 晶粒细化效果得到显著提高。 于是, 人们研制出多种成分的Al-Ti-B三元中间合金, 例如: Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.2B, Al-3Ti-1B, Al-3Ti-0.2B, Al-1Ti-0.2B等。 随着中间合金所含元素的多元化趋势, 一种新的中间合金Al-Ti-B-RE被研制成功。 傅高升等
[9 ,10 ]
认为Al-Ti-B-RE中间合金的细化效果比Al-Ti-B中间合金更好。
随着中间合金在铝工业中得到越来越广泛地使用, 这种改善铝合金性能的方式也暴露出某些缺陷和问题。 例如: 由于中间合金制备过程或添加方式的不同, 将导致其含Ti相的形态和分布的不同, 进而对铝合金产生不同的细化效果, 另外, 这些中间合金制备工艺复杂、 成本高、 Ti元素细化效果不稳定等因素, 大大降低了采用含Ti中间合金的细化能力及细化效果
[11 ,12 ,13 ]
。 为了寻找一种工艺简单、 细化效果好且成本低的细化方法, 郑州大学材料物理教育部重点实验室在不改变电解生产纯铝的工艺条件下, 通过在工业电解槽中添加TiO2 直接电解生产出含Ti元素的铝合金—细晶铝锭
[14 ,15 ,16 ]
。 研究表明, 通过电解加钛生产的铝合金具有良好的细化效果, 并且在细化纯铝时的表现优于Al-Ti-B中间合金
[17 ]
。 为了获得更好的细化效果, 王明星等研究了细晶铝锭中含Ti, B元素时的细化效果
[18 ,19 ]
, 孙海斌等
[20 ]
研究了细晶铝锭中含Ti、 RE时的细化效果, 左秀荣等
[21 ,22 ]
进一步研究了细晶铝锭中同时含有Ti, B和RE元素时的情况。 为了寻找Ti, B和RE元素在细晶铝锭中的最优组合和细化工艺, 本文试图通过正交设计实验和混料设计实验来探究含有Ti, B和RE元素的细晶铝锭的细化效果。
1 实 验
1.1 正交设计实验
正交设计实验是通过计算各因素水平(即各元素含量)对实验结果的影响, 并用图表形式表示出来, 通过极差分析、 方差分析、 综合比较, 最后确定优化生产方案。 采用正交表安排实验, 能够减少实验次数、 缩短实验周期。 本实验采用的统计分析方法可指出各因素对实验结果影响的重要程度。 因素水平表中各元素(Ti, B, RE)的含量如表1所示, 正交设计实验方案和分析如表2所示, 其中表2是由两因素(Ti/B, RE)三水平组成的, 即L6 (32 )正交表。
样品的制备均在5 kW的电阻炉中进行。 首先将细晶铝锭放在石墨坩埚中融化, 在730 ℃时加入富Ce混合稀土中间合金Al-10%RE, 待温度降低到725 ℃时加入Al-2.28%B中间合金, 同时, 要用氩气精炼除气、 扒渣, 经充分搅拌后, 在720 ℃时浇入到预热温度为35 ℃的KBI圆环形不锈钢模具中, 模具外径为75 mm、 壁厚5 mm、 高25 mm。 实验样品均取自距浇铸样品底部20 mm处, 用ARUNMETALSCAN 2500 型金属分析仪分析样品的成分。 样品经粗磨、 细磨、 抛光后, 用Keller试剂腐蚀制成微观金相样品。 用配备VideoTest处理系统的OlympusBX51金相显微镜进行晶粒尺寸的测量。
表1 合金元素因素水平表
Table 1 Factors and levels of the alloy elements
Levels
A (Ti/B)B (RE/%)C (Ti/%)
5.0 (B: 0.002)
0.10
0.01
10.0 (B: 0.001)
0.20
0.01
14.3 (B: 0.0007)
0.30
0.01
表2 正交实验方案及计算分析
Table 2 Orthogonal experiment design and calculation analysis
Experimental
A B E 1 E 2 Y (average grain sizes/μm)
1
1
3
2
287
2
1
1
1
245
3
1
2
3
269
1
2
2
1
300
2
2
3
3
260
3
2
1
2
313
1
3
1
3
291
2
3
2
2
264
3
3
3
1
267
K 1j 880.20
801.94
849.94
813.91
Total:
K 2j 769.64
874.72
834.50
865.97
2500
K 3j 850.64
823.77
815.99
820.56
S j 2206.4827
924.37
187.07
535.17
1.2 混料设计实验
混料设计实验是通过实物或非实物实验, 考察各种混料成分与实验指标之间的关系, 并且通过安排少量的实验就可以得到精确度高、 易于计算的回归方程, 从而找到最优的混料组合。 本实验对兼有上、 下界约束条件限制的混料问题采用极端顶点设计方案, 如表3所示。 熔炼工艺与正交设计实验所述相同。
铝合金中的混合元素成分为: 0.01%Ti,0.05%≤RE≤0.3%, 0.0005%≤B≤0.002%, 99.688%≤Al≤99.9395%。 对于兼有上下界约束条件的限制, 其混料条件为: X 1 +X 2 +X 3 =99.99, 0.05%≤X 1 (RE)≤0.3%, 0.005%≤X 2 (B)≤0.002%, 99.688%≤X 3 (Al)≤99.9395%; 规范化后的混料条件为: Z i X i i =1, 2, 3), Z 1 +Z 2 +Z 3 =1, 0.050005≤Z 1 ≤0.30003, 0.0005≤Z 2 ≤0.0020002, 99.6979698≤Z 3 ≤99.949495。
表3 极端顶点设计方案及结果
Table 3 Design option and result of Extreme-Vertex-Design
Experimental number
Z 1 (10-2 )Z 2 (10-2 )Z 3 (10-2 )Vertex numbers of the
Y (average grain
0.050005
0.0005
99.949495
326
0.30003
0.0020002
99.6979698
287
0.050005
0.0020002
99.9479948
319
0.30003
0.0005
99.69947
280
0.1333467
0.0015001
99.8651532
①②③
303
0.1333467
0.0010001
99.8656533
①③④
289
0.216688
0.0010001
99.782312
①②④
322
0.216688
0.0015001
99.781812
②③④
312
0.1750175
0.0012501
99.8237324
①②③④
304
2 结果与讨论
2.1 正交设计
通过两因素三水平正交设计实验的方差分析, 如表4所示。 分析结果表明: Ti/B>RE, 即Ti/B对细化效果的影响显著, RE的影响次之, 最优元素的组合为Ti/B=10/1, Ti=0.01%, RE=0.1%。
2.2 混料设计
2.2.1 非线性方程的建立 最小二乘法求得二次多项式回归方程为:
Y Grain =-10W RE +1300W B +230W RE W B +2W
2 R E -91085W
2 B
表4 方差分析表
Table 4 Variance analysis parameters of influencing factors
Variance
Sum of
Free of
Mean
F valueSignificance
A 2206.48
2
1103.24
6.26
(*)
B 924.37
2
462.19
2.56
[*]
E (E 1, E 2)722.24
4
180.56
T 2500.44
8
Fa ∶F0.25 (2,4)=2.00;F0.10 (2,4)=4.32;F0.05 (2,4)=6.26
2.2.2 成分优化 最优化问题的建立
min Y Grain =-10W RE +1300W B +230W RE W B +2W
2 R E -91085W
2 B
s. t. 0.05≤w RE ≤0.3
0.0005≤w B ≤0.002
最优点为(0.05, 0.0013)
由此可得, 当取Ti=0.01%, RE=0.05%, B=0.001%, Ti/B=10/1时, 得到Ti, B, RE的最优化组合。
2.3 实验结果分析
通过对比分析正交设计实验和混料设计实验所得到的Ti, B, RE的最优组合工艺, 可以发现它们的Ti/B是相同的, 均为10/1; 而Ti/RE不同, 前者是1/10, 后者是1/5。 又根据表4的方差分析表可知, 对细化效果的影响显著的是Ti/B, 而Ti/RE次之。 因此, 在Ti/B相同、 Ti/RE相差不到一个数量级时, 可以近似地认为正交设计实验和混料设计实验所得结果一致。 这与左秀荣等
[20 ,21 ]
报道0.024%Ti+0.0024%B+0.29%RE对6063铝合金的细化效果优于Al-5Ti-1B中间合金的实验, 其中的Ti/B为10/1, Ti/RE为1/10是一致的, 这也表明了Ti, B, RE的最优组合工艺具有优异的细化能力。
为了进一步验证正交设计实验和混料设计实验所得到的Ti, B, RE的最优组合工艺, 可以将实验结果制备成6063铝合金, 并且与其他3种方法制备的6063铝合金进行比较(见表5)。
6063铝合金样品的制备均在7 kW电阻炉中进行。 样品的熔炼工艺与前面所述的基本一致, 不同的是模具的尺寸为高60 mm、 宽40 mm、 外径70 mm。 试样通过机械抛光、 用加水稀释的混合酸腐蚀后可以观察其宏观组织, 然后从每个试样中选取1张宏观金相组织图像, 进行宏观组织的对比分析。
图1 不同细化方法得到的6063铝合金宏观组织
Fig.1 Macrostructures of the 6063 aluminum alloy samples prepared with different refining effect methods
(a) GRAI, 0.01%Ti+0.001%B+0.1%RE; (b) GRAI, 0.01%Ti; (c) GRAI, 0.01%Ti+0.3%RE; (d) Al-5Ti-B, 0.01%Ti
表5 不同细化方法的化学成分(%, 质量分数)
Table 5 Chemical compositions of alloys refined with different grain refining methods (%, mass fraction )
Experimental number
Grain-refining methods
Ti
B
RE
# Ti+B+RE
0.01
0.001
0.1
# Ti
0.01
-
-
# Ti+RE
0.01
-
0.3
# Al-5Ti-B
0.01
0.002
-
4个试样的宏观金相组织如图1所示。 研究认为: 所有的宏观组织均为等轴晶结构, 这主要是由于含Ti元素的缘故, 但是它们的细化效果仍有区别。 比较发现: 含Ti, B, RE细晶铝锭的宏观金相组织的晶粒最紧密, 表明含Ti, B, RE的细晶铝锭对6063铝合金的细化效果最好, Al-5Ti-B的细化效果次之。
3 结 论
1. 正交设计实验和混料设计实验所得到的Ti, B, RE联合细化细晶铝锭的最优工艺是基本一致, 即Ti=0.01%, B=0.001%, RE=0.1%, Ti/B=10/1, Ti/RE=1/10。
2. 在细化6063铝合金的对比研究中, 含0.01%Ti+0.1% RE+0.001%B的细晶铝锭的细化效果优于含0.01%Ti的细晶铝锭、 含0.01%Ti+0.3%RE的细晶铝锭和Al-5Ti-B中间合金。
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