简介概要

细化剂和冷却速率对Al-Mg-Mn合金凝固组织的影响

来源期刊：稀有金属2008年第5期

论文作者：屈福赵志浩左玉波王向杰崔建忠朱庆丰

关键词：细化剂; 冷却速率; 组织; 铝合金;

摘要：细化剂含量和冷却速率对凝固过程具有重要影响.分别加入不同含量的Al-3Ti-B晶粒细化剂,研究其对一种Al-Mg-Mn合金晶粒组织的影响.结果表明,随着晶粒细化剂含量的增加,晶粒愈加细小,在本实验范围内当细化剂含量为0.1%Ti时,组织最为均匀细小.采用连续测温的方法,测定了使用不同铸模时,铸锭的冷却速率,并分析了冷却速率对凝固组织的影响.与使用耐火材料铸模相比,使用石墨铸模时,铸锭的冷却速率提高1～2个数量级,铸态组织得到显著细化,平均晶粒尺寸由138μm细化到35μm.

稀有金属 2008,(05),589-592 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.05.014

细化剂和冷却速率对Al-Mg-Mn合金凝固组织的影响

崔建忠赵志浩朱庆丰屈福王向杰

东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室

摘要：

细化剂含量和冷却速率对凝固过程具有重要影响。分别加入不同含量的Al-3Ti-B晶粒细化剂, 研究其对一种Al-Mg-Mn合金晶粒组织的影响。结果表明, 随着晶粒细化剂含量的增加, 晶粒愈加细小, 在本实验范围内当细化剂含量为0.1%Ti时, 组织最为均匀细小。采用连续测温的方法, 测定了使用不同铸模时, 铸锭的冷却速率, 并分析了冷却速率对凝固组织的影响。与使用耐火材料铸模相比, 使用石墨铸模时, 铸锭的冷却速率提高1～2个数量级, 铸态组织得到显著细化, 平均晶粒尺寸由138μm细化到35μm。

关键词：

细化剂;冷却速率;组织;铝合金;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2007-11-20

基金：国家“973”项目 (2005CB623707) 资助;

Effects of Refiner and Cooling Rate on Microstructure of an Al-Mg-Mn Alloy

Abstract：

Refiner content and cooling rate have important effects on solidification process. Al-3Ti-B refiners in different contents were added in the alloy to study the effects on grain size of Al-Mg-Mn alloy. The results showed that the grain size become smaller and smaller with increasing refiner content. In this experiment the smallest grain size was obtained as the refiner content being 0.1%Ti. The cooling rates in different molds were continuously measured and the effects of cooling rate on microstructure were studied. The results indicated that the cooling rate in graphite molds was one to two orders of magnitude higher than that in refractory mold. The average grain size of the ingot made in graphite mold was about 35 μm which was much finer than that of the ingot made in refractory mold (138 μm) .

Keyword：

refiner; cooling rate; microstructure; aluminum alloy;

Received： 2007-11-20

5xxx系铝合金属于中强、耐蚀、可焊铝合金, 广泛应用于航空、交通等领域。聂祚仁等 ^[1,2] 在普通5xxx系合金基础上加入了Er, Zr等合金元素, 以提高合金的综合性能, 并取得较好的效果。通常, 制备5xxx系铝合金时, 加入一定量的Al-Ti-B细化剂来细化铸态组织, 但合金中含有Zr时, Zr抑制Al-Ti-B细化剂的细化效果 ^[3,4] , 容易造成晶粒粗大、不均匀和出现羽毛状晶。因此有必要研究存在Er, Zr等合金元素的情况下, Al-Ti-B细化剂含量对5xxx系铝合金铸态组织的影响规律。冷却速率是决定合金凝固组织的关键因素, 对晶粒形貌、晶粒尺寸, 二次枝晶臂间距具有重要影响。特别是对于多元多相合金, 冷却速率不仅决定着凝固组织形态, 而且对相的析出次序、种类及数量具有重要的影响 ^[5,6,7] 。对357铝合金 ^[5] 研究表明, 随着冷却速率的增加, 宏观晶粒显著细化、二次枝晶间距减小, 而且共晶硅相变得细小, 分布更加弥散, 合金微观硬度也随冷却速率的增大而提高。在实际铸造生产中, 铸型的形状和铸造方法影响着铸件的冷却速率, 对于同一种铸型, 在不同的凝固阶段, 冷却速率不断地发生变化。所以, 定量准确地研究冷却速率, 正确理解冷却速率对合金凝固组织的影响非常必要。本文研究了细化剂含量对铸态组织的影响规律, 并采用不同铸模进行凝固实验, 准确确定凝固过程的冷却速率, 分析冷却速率对Al-Mg-Mn系铝合金凝固组织的影响。

1 实验

实验采用含有一定量Er和Zr的Al-4.7%Mg-0.7%Mn合金。铸造前分别加入相当于0.003% Ti, 0.02%和0.1%Ti含量的Al-3Ti-B来细化晶粒。实验铸模如图1所示, 模子底部孔腔直径55 mm, 顶部孔腔直径60 mm, 高100 mm。铸模材质分别采用石墨和耐火材料以获得不同的冷却速率。实验过程中使用细热电偶连续测温, 热电偶的位置如图1所示。沿铸锭的中部位置截取厚度约为15 mm的圆片, 然后在圆片1/2半径位置截取边长为15 mm的立方体试样。试样用400^#～2000^#砂纸水磨后, 分别在机械抛光机和鹿皮上进行粗抛和精抛, 然后对试样进行阳极化处理 (阳极覆膜) , 在偏振光下观察微观组织。

图1 铸模示意图

Fig.1 Schematic of mold

2 结果及分析

2.1 细化剂含量对凝固组织的影响

采用石墨铸模制备不同细化剂含量铸锭组织如图2所示。存在细化剂的情况下, 晶粒组织为等轴晶组织。随着细化剂含量的提高, 异质形核核心增加, 组织变得愈加细小。当细化剂含量为0.003% Ti时, 平均晶粒尺寸230 μm; 细化剂提高到0.02% Ti时, 平均晶粒尺寸132 μm; 细化剂含量提高到0.1%Ti时平均晶粒尺寸为35 μm。晶粒平均尺寸与细化剂含量关系如图2 (d) 所示。当细化剂含量由0.003% Ti提高到0.02% Ti时组织细化效果非常明显, 而由0.02% Ti提高到0.1% Ti时组织变化趋缓。细化剂对组织影响的基本规律为, 随着细化剂含量的增加, 组织愈加细小, 在本实验范围内当细化剂含量达到0.1%Ti时, 组织最为均匀细小。鉴于本实验合金允许细化剂含量上限为0.1%Ti, 因此, 建议细化剂使用量为0.02% Ti到0.1% Ti之间。

2.2 冷却速率对对凝固组织的影响

铸造过程中, 在铸锭中心处埋入热电偶进行连续测温, 获得铸锭 (或熔体) 的冷却曲线如图3所示。根据冷却曲线, 在630 ℃以上, 冷却速率较高, 而后冷却速率减慢, 这主要由于合金凝固过程中潜热释放引起。对于石墨铸模, 当温度低于530 ℃左右时, 冷却速率变得更低, 主要由于凝固过程基本结束, 由于凝固收缩使得铸锭与铸模分离, 热阻增加所致。比较两种铸模, 显而易见, 采用石墨铸模时的冷却速率要远远高于使用耐火材料铸模时的冷却速率。

根据冷却曲线和相应测量数据, 对使用耐火材料铸模和石墨铸模时铸锭 (或熔体) 的冷却速率进行了计算, 结果如表1所示。相同铸造条件下, 采用耐火材料铸模时铸锭冷却速率为0.01～0.33 ℃·s^-1, 而采用石墨模时铸锭冷却速率为1.36～3.36 ℃·s^-1。与采用耐火材料铸模相比, 采用石墨铸模时, 铸锭的冷却速率提高1～2个数量级。耐火材料的热传导率低, 保温效果好, 所以使用其作为铸模时冷却速率较石墨模小得多。

图2 细化剂量对微观组织的影响

Fig.2 Effect of refiner content on microstructures

(a) 0.003% Ti; (b) 0.02%Ti; (c) 0.1%Ti

本实验合金加入0.1%Ti细化剂, 分别采用耐火材料和石墨铸模制备铸锭。采用耐火材料铸模铸锭组织如图4所示, 采用石墨铸模铸锭组织如图2 (c) 所示。由于细化剂含量较高, 达到0.1%Ti, 两种铸模制备的铸锭组织都为非常均匀的等轴晶晶粒组织。使用耐火材料铸模制备铸锭平均晶粒尺寸为138 μm, 相比之下, 采用石墨铸模晶粒更为细小, 平均晶粒尺寸为35 μm。可见冷却速率较小的条件下晶粒明显粗大, 而用石墨模, 即冷却速率较大的条件下, 晶粒细小而且分布均匀。

图3 不同铸模冷却曲线图

Fig.3 Cooling curve of ingot in different molds

表1 采用耐火材料铸模和石墨铸模时铸锭的冷却速率

Table 1 Cooling rates of ingot in different molds

Temperature/ ℃	Cooling rate/ (℃·s^-1)
Temperature/ ℃	Refractory mold	Graphite mold
690～634	0.33	3.36
634～628	0.01	1.36
628～600	0.05	1.93
600～573	0.11	2.05
573～534	0.14	1.96