中国有色金属学报 2004,(02),250-254 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.02.018
电解加钛与熔配加钛对工业纯铝晶粒细化的作用
郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室,郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室,郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室,郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室,郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室,郑州大学物理工程学院河南省材料物理重点实验室 郑州450052 ,郑州450052 ,郑州450052 ,郑州450052 ,郑州450052 ,郑州450052
摘 要:
对比研究了电解加钛, 以Al Ti和Al Ti B中间合金方式向工业纯铝熔配加钛以及向电解低钛铝合金中再熔配加Al B中间合金的细化效果。结果表明, 不同加钛方式对纯铝都有较强的细化作用;在钛含量相同的条件下, 电解加钛的晶粒细化能力明显高于熔配加Al Ti中间合金的;钛含量较低时, 熔配加Al Ti B中间合金的细化效果略好于电解加钛的, 钛含量较高时, 二者的细化能力相当。向电解生产的低钛铝合金中再熔配加入Al B中间合金, 可明显改善晶粒细化效果, 尤其在较低的钛含量时表现得非常明显。
关键词:
中图分类号: TF821
收稿日期:2003-06-18
Grain refinement effects of titanium added to commercial pure aluminum by electrolysis and by master alloys
Abstract:
The grain refinement effect of titanium added to commercial pure aluminum by electrolysis and by Al-Ti-B and Al-Ti master alloys was investigated. The grain refinement effects of electrolytic low-titanium aluminum with boron, which was added to the alloys through Al-B master alloy, were also studied. The experimental results show that the grain refinement effects of titanium added to pure aluminum by different methods are all very obvious. The grain refinement effect of titanium added by electrolysis is better than that by Al-Ti master alloy when the titanium content is the same. When the titanium content is low, the grain refinement effect of Al-Ti-B master alloy is slightly superior to that of electrolytic low-titanium aluminum alloys, but when the titanium content is high, they have almost the same grain-refining ability. If Al-B master alloy is added into electrolytic low-titanium aluminum alloys, the grain refinement effect can be further improved, especially for the alloys with very low titanium content.
Keyword:
electrolytic low-titanium aluminum alloy; master alloy; grain refinement;
Received: 2003-06-18
向铝及其合金中加入少量的钛可使晶粒细化, 从而明显提高材料的强度、 塑性和改善铝材质量。 因此, 使用不同的加钛方式使晶粒细化是铝铸造及铝加工行业广泛重视的研究课题。 目前, 工业生产上常用的加钛方法是在浇铸之前向铝熔体中加入含钛 (硼) 中间合金
利用现有的纯铝生产设备, 直接电解生产低钛铝合金, 是一种全新的加钛方式。 理论和试验
1 实验
实验所用材料为电解法生产的不同钛含量的低钛铝合金、 工业纯铝、 国产Al-5Ti-1B块状中间合金、 Al-4.75Ti中间合金以及Al-0.2B中间合金。 电解低钛铝合金的成分如表1所示。
样品的制备均在7.5 kW电阻炉中进行。 将不同钛含量的电解低钛铝合金放入石墨坩锅, 加热熔化后升温至730 ℃, 用六氯乙烷精炼除气, 经充分搅拌后, 于720 ℃时浇入预热温度为150 ℃的石墨模具中, 模具外形尺寸为d 70 mm×90 mm、 壁厚20 mm、 内深65 mm 。 采用中间合金进行细化的试样制备过程是: 先将纯铝或低钛铝合金熔化, 再分别加入Al-Ti-B、 Al-Ti和Al-B中间合金, 将温度升至730 ℃除气, 浇铸条件、 所用模具与上述的相同。 加钛量与电解法生产的低钛铝合金的钛含量相当, 向电解低钛铝合金中加入的B量是按Ti和B质量比5∶1的比例计算得出的。 用ARUN METALSCAN DESKTOP METALS ANALYSER分析样品的成分。 宏观和微观金相试样均取自距浇铸样品底部 40 mm处, 经粗磨、 细磨后, 用混合酸腐蚀制成宏观金相样品; 经粗磨、 细磨、 抛光后, 用加水稀释的混合酸腐蚀制成微观金相试样, 用Nikon MBA2100型金相显微镜进行微观组织的定量分析。 晶粒尺寸在WD-5电镜联机及光镜图文管理系统上用截线法进行测量。
2 实验结果
图1所示为纯铝的宏观金相照片。 可以看出, 晶粒形貌表现为发达的柱状晶结构。
图2所示为不同加钛方式、 不同钛含量时纯铝
图1 工业纯铝的宏观组织 Fig.1 Macrostructure of commercial pure aluminum
表1 实验用电解低钛铝合金的化学成分 Table 1 Chemical compositions of electrolytic low-titanium aluminum alloys (mass fraction, %)
Alloy | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Al |
Al-0.08Ti | <0.100 | 0.106 | <0.010 | <0.030 | <0.100 | <0.030 | 0.011 | 0.082 | Bal. |
Al-0.15Ti | <0.100 | 0.121 | <0.010 | <0.030 | <0.100 | <0.030 | <0.010 | 0.159 | Bal. |
Al-0.20Ti | <0.100 | 0.145 | <0.010 | <0.030 | <0.100 | <0.030 | <0.010 | 0.207 | Bal. |
Al-0.25Ti | <0.100 | 0.075 | <0.010 | <0.030 | <0.100 | <0.030 | <0.010 | 0.252 | Bal. |
Al-0.30Ti | <0.100 | 0.084 | <0.014 | <0.030 | <0.100 | <0.030 | 0.021 | 0.305 | Bal. |
图2 不同加钛方式及不同钛含量下纯铝的宏观组织 Fig.2 Macrostructures of pure aluminum with different titanium contents and different addition methods (a) —Direct electrolytic method (1—0.082%Ti; 2—0.159%Ti; 3—0.207%Ti; 4—0.305%Ti) ; (b) —Al-Ti-B master alloy (w (Ti) ∶w (B) =5∶1; 1—0.068%Ti; 2—0.161%Ti; 3—0.210%Ti; 4—0.284%Ti) ; (c) Al-Ti master alloy (1—0.083%Ti; 2—0.134%Ti; 3—0.198%Ti; 4—0.280%Ti) ; (d) Adding Al-B master alloy into direct electrolytic low-titanium alloys (w (Ti) ∶w (B) =5∶1; 1—0.071%Ti; 2—0.135%Ti; 3—0.181%Ti; 4—0.289%Ti)
的宏观组织。 从图2可以看出, 不论是哪一种加钛方式, 在很低的加钛量时, 都对纯铝有明显的细化作用。 晶粒形貌由不含钛时的柱状晶 (图1) 转变为等轴晶 (图2) , 而且随着钛含量的增加晶粒逐渐变小。 图3给出的是不同加钛方式样品的微观晶粒尺寸随钛含量的变化。 可以看出, 电解低钛铝合金中再熔配加入Al-B中间合金具有最强的细化晶粒作用, 而向纯铝中熔配加Al-Ti中间合金的细化作用最弱。 电解加钛和熔配加Al-Ti-B中间合金的细化作用处于二者之间。 当钛含量较低时, 熔配加Al-Ti-B中间合金的晶粒细化能力略高于电解加钛方式的, 但随着含钛量的增加, 二者的细化效果基本相当; 各种加钛方式下, 当钛含量低于0.2%时, 钛对晶粒的细化能力较强, 晶粒尺寸下降较快, 但当钛含量进一步增加时, 钛对晶粒的细化能力减弱, 晶粒尺寸的下降速度趋于平缓; 电解加钛、 熔
图3 不同加钛方式下晶粒尺寸与 钛加入量的关系 Fig.3 Curves of grain size versus titanium content with different Ti addition type
配加Al-Ti-B中间合金和电解低钛铝合金加Al-B中间合金似乎具有相同的极限晶粒尺寸, 并且比熔配加Al-Ti中间合金的小。
3 分析与讨论
铝合金的晶粒大小取决于形核的数量和晶粒生长速度。 对纯铝而言, 由于其中异质核心非常少, 来自模壁的热过冷是其形核的主要驱动力, 因而晶粒主要表现为柱状晶或胞状晶结构 (图1) 。
从试验结果可以看出, 以电解的方式加钛的材料表现出了良好的晶粒细化作用, 与目前工业上常用Al-Ti-B中间合金的细化作用基本相同。 在电解生产低钛铝合金的过程中, Ti4+获得电子后以原子的形式进入阴极铝液, 由于钛含量低, 而且受电解电流产生的磁场和阴极气体沸腾的作用, 铝液处在不停的运动搅拌之中, 钛元素进入铝液后, 能迅速溶入铝液, 并使铝液中的Ti成分分布均匀。 对于铝液中Ti含量超过钛在铝中溶解度 (0.15%) 的低钛铝合金, 在浇铸过程中, 随着温度的下降, 作为第二相的Al3Ti因其熔点较高而会提前析出, 由于电解加钛的特点, 钛在铝液中分布均匀, 因此, 析出的Al3Ti相弥散分布在整个熔体中, 而Al3Ti具有体心正方结构
对于熔配加钛, 若加入的是Al-Ti中间合金, 因其钛含量较高, 形成的Al3Ti相多以较大的针片状或块状形态存在
无论哪一种加钛方式, 在钛含量较低时, 随着钛含量的增加, 熔体中的溶质钛和各种第二相粒子都随之增加, 铝的结晶核心增多, 溶质钛抑制晶粒长大的作用增强, 细化能力增加迅速, 并且异质核心的细化作用起主导作用。 当钛含量增加到一定程度, 熔体中形成的第二相粒子的弥散度过高, 将导致第二相粒子的聚集长大、 下沉, 这时, 即使再增加钛含量, 熔体中的第二相粒子的数量也不会有大的增加, 所以, 细化效果随钛含量的增加趋于平缓, 从试验结果看 (图3) , 钛含量不超过0.30%就可获得满意的细化效果。
参考文献