不同類別鋁鈦硼絲對高端鋁排產(chǎn)品質量影響的研究

趙斌南，蔣軍洪

（1.昆山市超群金屬制品有限公司，江蘇昆山215321；2.中南大學化學化工學院，湖南長沙410083）

0 前言

我國新材料產(chǎn)業(yè)正處于強勁發(fā)展的階段，并且已被列為國家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，預期未來我國新材料產(chǎn)業(yè)市場年增長速度將保持在20%以上。新材料行業(yè)規(guī)劃中重點發(fā)展領域就包括高端鋁材（如高端鋁排）的開發(fā)與應用，高端鋁合金的研發(fā)已上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略。

鋁合金在自然凝固過程中，晶粒組織非常粗大，會導致材料綜合性能降低。為改善其晶粒組織，一般的做法是在鑄造過程中進行晶粒細化。在鑄造過程中添加晶粒細化劑是一種快捷方便、經(jīng)濟有效的方法[1]。

鋁鈦硼絲細化劑受多方面因素影響，如添加方式、添加量、原始組織、鈦硼比例等，其對鋁合金的細化效果差異比較大。其中鋁鈦硼絲的組織和鈦硼比例對鑄態(tài)晶粒的細化效果起決定性作用。本文主要研究在鑄棒生產(chǎn)過程中加入不同類別的進口鋁鈦硼絲對鋁排產(chǎn)品質量的影響。

1 鋁鈦硼絲質量

取兩種不同進口鋁鈦硼絲試樣，對其化學成分、顯微組織及晶粒細化能力進行分析。

1.1 化學成分

兩種不同進口鋁鈦硼絲化學成分如表1所示。

表1 進口鋁鈦硼絲化學成分（質量分數(shù)/%）

從表1可以看到，兩種不同進口鋁鈦硼絲均符合國家標準（YS/T 447.1-2011）A級，AlTi5B0.2的Fe雜質含量比AlTi5B1稍高，兩種鈦絲的Si和V含量相當。

1.2 金相組織

兩種鋁鈦硼絲的金相組織如圖1和圖2所示。

通過對兩種鋁鈦硼絲金相顯微組織進行分析，總結TiAl3、TiB2、Al2O3及鹽類附著物、硼化物的數(shù)量、大小等現(xiàn)象，其結果見表2。

圖1 AlTi5B0.2典型顯微組織

圖2 AlTi5B1典型顯微組織

表2 兩種不同進口鋁鈦硼絲顯微組織分析

從表2可知，兩種鋁鈦硼絲的TiAl3的平均尺寸及單個最大尺寸大小相當，TiB2都未發(fā)現(xiàn)有團聚的現(xiàn)象，但是AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長度總和都遠遠超過AlTi5B0.2。

1.3 晶粒細化能力

檢驗方法：將鋁鈦硼絲樣品以0.2%的比例加入到Al99.70%的純鋁中，然后攪拌均勻，2min后，在710～720℃下澆鑄、取樣。樣塊中間橫截面為標準檢驗面，將樣品表面切削研磨拋光后，在顯微鏡下檢測晶粒的尺寸，加入兩種鋁鈦硼絲的金相組織見圖3和圖4。

圖3 加入AlTi5B0.2的金相圖片

圖4 加入AlTi5B1的金相圖片

從圖3和圖4金相圖片分析可知，加入AlTi5B0.2的合金的平均晶粒尺寸是126μm，而加入AlTi5B1的合金的平均晶粒尺寸是104μm，顯然AlTi5B1的晶粒細化能力比AlTi5B0.2強。

2 試驗及結果

2.1 試驗過程

試驗材料選擇6063合金，鑄棒規(guī)格為φ308mm。按照鑄棒正常生產(chǎn)工藝，如相同廢料添加比例、精煉次數(shù)，使用相同的除氣箱和過濾箱，對兩種不同進口鋁鈦硼絲的鋁排產(chǎn)品進行對比試驗（考慮AlTi5B0.2的晶粒細化能力相對較弱，試驗中適當加大其用量）。對比試驗結果見表3。

表3 兩種不同鋁鈦硼絲對比試驗結果

從表3可知，使用AlTi5B1的鋁排產(chǎn)品質量（鋁排產(chǎn)品黑線檢出率）明顯差于AlTi5B0.2。

3 分析與討論

鋁合金的晶粒細化是一個非常復雜的過程。對晶粒細化機理的觀點非常多，主要有：包晶反應理論、相圖理論、原子結構理論、碳化物/硼化物粒子理論等，這些理論從不同角度解釋晶粒細化現(xiàn)象，眾說紛紜。但有一點結論是肯定的：即鈦化合物是可以細化晶粒的，而硼元素的加入能顯著增加其晶粒細化效果，質點TiAl3、TiB2是α-Al基體的結晶中心[2]。

TiAl3粒子有片狀、花瓣狀和塊狀等，其中由于塊狀是三維尺寸生長成緊密形的等軸晶體，有三個晶面面向熔體，成核機會大幅增加，所以TiAl3塊狀粒子的細化效果是最好的。片狀TiAl3以二維枝晶方式長大，溶解速度慢、細化效果較差，而花瓣狀TiAl3的熔解和細化特性基本介于片狀和塊狀之間。TiAl3粒子越細小，分布越均勻，細化效果越好[3]。

TiB2具有良好的化學穩(wěn)定性，熔煉溫度下不與鋁熔體發(fā)生反應。由于TiB2對鋁熔體具有良好的潤濕性，鋁原子在其界面上堆積，鋁鈦硼絲加入后，TiAl3的熔解提供了過剩的鈦，由于鈦的化學活性非常高，在TiB2界面上偏析形成TiAl3沉淀薄層，此層經(jīng)過包晶反應使α-Al成核。TiB2越均勻細小，細化效果越好。但TiB2自身團聚，尺寸過大的話，就不能成為結晶核心，失去細化效果，同時也容易造成后續(xù)產(chǎn)品質量問題。

AlTi5B1的TiB2粒子數(shù)量是AlTi5B0.2的五倍，因此，其細化能力比較強，從而AlTi5B0.2的使用量相比AlTi5B1，需要增加。但正是由于AlTi5B1鈦絲的TiB2含量多，TiB2與Al2O3的親和力非常強，在鋁鈦硼絲生產(chǎn)過程中容易由于TiB2粒子的濃度過大而導致產(chǎn)生TiB2團聚及TiB2粒子和氧化鋁的附著物。從上述檢測分析報告也可以看出，AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長度總和都遠遠超過AlTi5B0.2。這些附著物隨著鈦絲的添加進入到鋁熔體中，導致后續(xù)鋁排產(chǎn)品的黑線增加。

4 結論

（1）兩種進口鈦絲化學成分、顯微組織和晶粒細化效果都符合我國有色行業(yè)標準，但AlTi5B1的Al2O3及鹽類附著物最大尺寸和長度總和都遠遠超過AlTi5B0.2。

（2） AlTi5B0.2中TiB2粒子數(shù)量不足，在使用時，每噸鋁比AlTi5B1增加0.4kg。

（3）對于高端產(chǎn)品來說，如鋁排產(chǎn)品，鋁鈦硼絲優(yōu)選AlTi5B0.2。