7050鋁合金晶粒細化劑的選擇和應(yīng)用

袁冰梅

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西南寧 530031)

7050鋁合金屬于Al－Zn－Mg－Cu系超高強度鋁合金，具有高的抗拉強度和屈強比，綜合性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，成為該領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料［1］。隨著航空航天工業(yè)的科技發(fā)展，要求鋁合金材料具有更高的強度和韌性。晶粒細化是控制材料組織，改善材料性能的一個重要手段。通過晶粒細化，不僅使初晶α－Al由粗大樹枝晶變?yōu)榧毿〉容S晶，而且還起到以下作用:改善合金的補縮能力，使組織致密;使二次枝晶細小，第二相分布均勻，有利于抑制或減輕宏觀偏析、羽毛狀晶、浮游晶和粗大金屬間化合物的生成;減少針孔的尺寸和數(shù)量，使其分布更加均勻彌散;消除鋁合金表面缺陷和熱軋缺陷，克服熱裂缺陷和產(chǎn)生傾向，減少裂紋，改善和提高鑄錠的塑性加工變形能力及提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量等［2］。因此強化熔鑄過程中的晶粒細化處理，是控制鑄錠組織，獲得優(yōu)質(zhì)鋁材加工坯料，改善鋁合金冶金質(zhì)量的重要途徑。在生產(chǎn)實踐中，通常是在鑄造時在線連續(xù)向鋁熔體中添加中間合金晶粒細化劑進行晶粒細化，這也是目前效果最好，最實用的晶粒細化方法。

含有Zr元素的Al－Zn－Mg－Cu系超高強度鋁合金，如果使用Al－Ti－B細化晶粒，Zr會對晶粒細化劑產(chǎn)生“毒化”作用，即Zr元素會與TiB2反應(yīng)，使得Al－Ti－B中間合金的細化能力明顯減弱甚至消失，出現(xiàn)大晶粒或形成不均勻組織。這種由于其它元素的影響而出現(xiàn)的細化效果衰退現(xiàn)象被稱為細化“中毒”［3］。為了盡可能避免或減小Zr的“毒化”作用，生產(chǎn)7050鋁合金鑄錠時不宜使用Al－Ti－B中間合金作細化晶粒劑。

1 Al－Ti－B中間合金晶粒細化劑存在的問題

雖然Al－Ti－B晶粒細化劑具有很好的晶粒細化能力，是目前使用最多的鋁合金用晶粒細化劑。但實際應(yīng)用中仍存在一些問題:(1)Al－Ti－B中TiB2尺寸較大(0.5～3 μm)，在鋁熔體易聚集成團［4］，引起細化效果減弱;(2)在線連續(xù)添加時易堵塞過濾板;(3)中間合金中的TiB2顆粒硬度高，在后續(xù)的壓力加工中易產(chǎn)生缺陷，如會使板材表面產(chǎn)生劃痕或條紋，加工成鋁箔后出現(xiàn)縮孔和針孔，并且會損傷軋輥表面;(4)Zr會對Al－Ti－B晶粒細化劑產(chǎn)生“毒化”作用，使細化效果衰退甚至消失。國內(nèi)對經(jīng)過0.2%Al－5Ti－1B中間合金細化處理后的工業(yè)純鋁中加入Zr元素后晶粒尺寸的變化做的研究表明［3］，加入Zr元素后鑄錠組織明顯粗化，且隨著Zr含量的增加粗化作用明顯增加，當Zr含量大于0.06%后，Al－5Ti－1B的細化作用急劇降低，當Zr含量達到0.12%時，鑄錠組織的晶粒粗化至1 450 μm左右。提高澆鑄溫度會進一步加劇Zr的“毒化”作用，當澆鑄溫度提高到800℃時，0.12%的Zr將使0.2%Al－5Ti－1B完全失去細化作用。圖1為不同熔煉溫度下Zr含量對0.2%Al－5Ti－1B細化效果的影響。

圖1 Zr含量對0.2%Al－5Ti－1B中間合金細化效果的影響

2 Al－3Ti－0.15C中間合金對7050鋁合金的晶粒細化效果

針對Al－Ti－B中間合金在實際生產(chǎn)中存在的上述不足，人們研發(fā)出了Al－Ti－C中間合金晶粒細化劑并應(yīng)用于某些合金的晶粒細化。Al－Ti－C雖然也是通過TiAl3和TiC兩種粒子起到細化作用，且TiC質(zhì)點也有很高的熔點，但它本身不象TiB2那樣容易聚集，從而使上述Al－Ti－B的不足得以避免或減少。本試驗在生產(chǎn)7050鋁合金鑄錠時，選用Al－3Ti－0.15C中間合金作為晶粒細化劑。

2.1 試驗材料

試驗所用7050鋁合金按表1所示化學(xué)成分制備。

表1 7050合金化學(xué)成分 %

試驗所用Al－3Ti－0.15C為線材形式的中間合金晶粒細化劑，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 Al－3Ti－0.15C中間合金化學(xué)成分 %

2.2 試驗過程

在50 t熔保爐熔煉7050鋁合金，采用DC鑄造技術(shù)鑄造出3根厚520 mm，寬1 620 mm規(guī)格的扁鑄錠，在鑄造過程中，通過喂絲機向流槽中的鋁熔體連續(xù)添加Al－3Ti－0.15C晶粒細化劑，添加量為1.8 kg/t鋁，將鋁熔體溫度控制在710～730℃。

圖2 扁錠顯微組織金相圖

鑄造出來的扁錠經(jīng)均勻化熱處理后，從距底部400 mm處取橫向試樣，對同一橫斷面的扁錠中心部位、扁錠1/4對角線部位和扁錠邊部分別截取金相試樣，在金相顯微鏡下進行200倍放大觀察其微觀組織。

2.3 試驗結(jié)果

圖2為扁錠顯微組織金相圖，扁錠中心部位晶粒平均尺寸為101 μm，扁錠1/4對角線部位平均晶粒尺寸為85 μm，扁錠邊緣部位平均晶粒尺寸為50 μm，鑄錠未發(fā)現(xiàn)二次晶。

3 分析與討論

生產(chǎn)試驗結(jié)果表明，Al－3Ti－0.15C中間合金并沒有在含Zr的7050合金晶粒細化處理中發(fā)生細化“中毒”現(xiàn)象，晶粒細化效果明顯，經(jīng)過晶粒細化后，鑄造出來的大規(guī)格扁鑄錠組織均勻，晶粒細小。

已有研究證明Al－Ti－C中間合金具有以下優(yōu)點［5］:生產(chǎn)細化劑時無污染;生產(chǎn)細化劑時不會產(chǎn)生鹽類夾雜和其它夾雜物;TiC粒子比TiB2粒子尺寸小得多，而且可以進一步細化至納米級，因此在某些情況下，Al－Ti－C比Al－Ti－B能達到更好的細化效果。結(jié)合生產(chǎn)試驗分析結(jié)果，7050合金中的Zr對Al－3Ti－0.15C中間合金沒有產(chǎn)生“毒化”作用的主要原因是:

1.Al－Ti－B晶粒細化劑中的TiB2粒子易聚集成團，而Al－Ti－C晶粒細化劑中的TiC顆粒要比TiB2細小得多，不易聚集成團，加入熔體后可以充分擴散。Al－Ti－C有效地改善了Al－Ti－B的缺點，降低偏聚傾向，延長了細化衰退時間，并對“中毒”起抑制或免疫作用［6］，因此生產(chǎn)7050合金時在線添加Al－3Ti－0.15C晶粒細化劑取代傳統(tǒng)的Al－Ti－B晶粒細化劑，可以取得更好的晶粒細化效果。

2.Zr對晶粒細化劑的“毒化”作用隨著熔體溫度的提高和Zr含量增加到0.12%時而急劇增加，因此，生產(chǎn)中嚴格控制熔體溫度在730℃以下，將Zr含量控制在0.12%以下，避免了Zr可能對Al－3Ti－0.15C中間合金產(chǎn)生的“毒化”作用。

4 結(jié)束語

1.Zr對Al－Ti－B中間合金有嚴重的“毒化”作用，因此生產(chǎn)7050鋁合金不宜使用Al－Ti－B作晶粒細化劑。

2.Al－Ti－C可有效改善Al－Ti－B的缺點，降低偏聚傾向，延長細化衰退時間，并對“中毒”起抑制或免疫作用。

3.生產(chǎn)7050鋁合金鑄錠時，控制Zr含量小于0.12%，將鋁熔體溫度控制在730℃以下，使用Al－3Ti－0.15C中間合金細化晶粒不會產(chǎn)生細化“中毒”，可以鑄造出組織均勻，晶粒細小的大規(guī)格扁鑄錠。

［1］ 肖亞慶，謝水生，劉靜安，等.鋁加工技術(shù)實用手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］ 劉操.AlTiC、AlTiB晶粒細化劑對變形鋁合金的細化效果評定［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2006.

［3］ 劉相法，邊房秀.鋁合金組織細化用中間合金［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2012.

［4］ 胥福順，杜吉燦，李全.鋁－鈦－硼絲晶粒細化效果研究［J］.輕金屬，2013，(5):55－57.

［5］ 王淑俊.含Zr鋁合金的細化“中毒”現(xiàn)象及其細化新工藝研究［D］.濟南:山東大學(xué)，2009.

［6］ 任峻，陶欽貴.用于鋁合金晶粒細化的中間合金研究［J］.鑄造設(shè)備研究，2006，(3):51－53.