有色金属材料与工程  2017, Vol. 38 Issue (2): 73-77   PDF    
引用本文
牛艳萍, 杨勇, 唐维学, 王彩华, 管尽琼. 晶粒细化对Al-3.2Si-0.8Mg合金组织性能的影响[J]. 有色金属材料与工程, 2017, 38(2): 73-77.
NIU Yanping, YANG Yong, TANG Weixue, WANG Caihua, GUAN Jinqiong. Effects of Grain Refinement on Microstructures and Properties of Al-3.2Si-0.8Mg Alloy[J]. Nonferrous Metal Materials And Engineering, 2017, 38(2): 73-77.
晶粒细化对Al-3.2Si-0.8Mg合金组织性能的影响
牛艳萍, 杨勇, 唐维学, 王彩华, 管尽琼     
广东省工业分析检测中心, 广东 广州 510651
收稿日期：2016-12-29
作者简介：牛艳萍(1980—), 女, 工程师.研究方向:有色金属材料的开发与分析检测.E-mail:niuyanping1980@sina.com
摘要：采用Al-5Ti-1B合金细化剂对Al-3.2Si-0.8Mg合金进行晶粒细化，采用金相显微镜、激光导热仪和拉伸试验机等研究晶粒细化对Al-3.2Si-0.8Mg合金微观组织、铸造流动性、力学性能与导热系数的影响.结果表明：随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加，Al-3.2Si-0.8Mg合金的α-Al晶粒逐渐细化，铸造流动性、抗拉强度和伸长率逐渐升高，但导热系数略有下降.当Al-5Ti-1B合金细化剂的质量分数增加到0.5%时，Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒被细化至平均直径约为90.9 μm，铸造流动性试样长度为867 mm，抗拉强度为234 MPa，伸长率为10.1%，导热系数为182.7 W·m-1·K-1.
关键词：Al-Si-Mg合金    晶粒细化    铸造流动性    导热系数    
Effects of Grain Refinement on Microstructures and Properties of Al-3.2Si-0.8Mg Alloy
NIU Yanping, YANG Yong, TANG Weixue, WANG Caihua, GUAN Jinqiong     
Guangdong Center of Industrial Analysis and Testing, Guangzhou 510651, China
Abstract: The Al-3.2Si-0.8Mg alloy was refined through adding Al-5Ti-1B alloy refiner.The effects of grain refinement on casting fluidity, thermal conductivity and mechanical properties of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were studied by metallurgical microscope, flash thermal conductivity meter and tensile testing machine, respectively.The results show that with the increasing amount of Al-5Ti-1B alloy refiner, the α-Al grains of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were more refined.In addition, the casting fluidity, tensile strength and elongation of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were improved, and the thermal conductivity was reduced.When the amount of Al-5Ti-1B alloy refiner was 0.5%, the grains size was able to be refined to 90.9 μm for Al-3.2Si-0.8Mg alloy with casting fluidity of length 867 mm, tensile strength of 234 MPa, elongation of 10.1%, and thermal conductivity of 182.7 W·m-1·K-1.
Key words: Al-Si-Mg alloy     grain refinement     casting fluidity     thermal conductivity    

铝合金具有密度小、比强度高、塑性好、耐腐蚀等优点, 被广泛用于制造对散热功能有一定要求的零部件, 如电子产品的外壳、LED散热片、无线通讯基站散热基板等[1-2].这类零部件的传统生产方法是采用Al-Mg-Si系变形铝合金为材料, 先铸造成锭坯, 经挤压或轧制成板坯后, 再机械加工成零部件.但这种方法的生产效率较低, 生产成本较高, 难以满足大批量的生产要求[3].铸造是铝合金零部件最常用的生产方法, 如压铸、挤压铸造, 具有生产效率高、成本低、可成形结构复杂的薄壁零件等特点[4].Al-Si系合金, 如A356、ADC12铝合金等具有优良的铸造流动性和机械加工性能, 占现有铸造铝合金总产量的85%以上, 但其导热性能较差, 难以满足零部件对散热性能的要求[5].Al-Mg-Si系变形铝合金, 如6063、6061铝合金等具有较好的强度、塑性和导热性能, 但其铸造流动性较差, 热裂倾向大, 用于铸造生产时, 容易产生疏松和收缩裂纹等缺陷, 无法满足铸造生产的要求[6].本课题组在前期工作中开发了具有较好铸造流动性和导热性的Al-3.2Si-0.8Mg合金[7].对铝合金进行晶粒细化, 获得细小均匀的晶粒组织, 是进一步提高合金铸造流动性和力学性能的重要方法[8].因此, 本文研究晶粒细化对Al-3.2Si-0.8Mg合金显微组织、铸造流动性、力学性能和导热性能的影响.

1 试验材料和方法

试验材料为Al-3.2Si-0.8Mg合金, 采用工业纯铝(99.7%, 本文中表示含量的%均为质量分数)、工业纯镁(99.8%)、速溶硅配制熔炼, 熔炼设备为100 kg铝合金熔炼炉, 经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定, 其化学成分为:3.21%Si, 0.79%Mg, 0.14%Fe, 0.02%Mn, 0.03%Cu, 0.02%Cr, 余量为Al.细化剂为国内某厂的Al-5Ti-1B合金杆, 其化学成分为:5.12%Ti, 1.09%B, 0.11%Fe, 0.08%Si, 0.01%V, 余量为Al.

在7.5 kW井式坩埚电阻炉内于760 ℃加热熔化Al-3.2Si-0.8Mg合金, 精炼除气除杂后, 将铝合金液降温至720 ℃, 然后分别加入0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%和0.5%的Al-5Ti-1B合金细化剂进行晶粒细化处理, 搅拌并静置30 min后, 取铝合金液浇注到预热温度为200 ℃的螺旋式流动性试验模具内, 凝固冷却后测量试样的长度.将铝合金液浇注到预热温度为200 ℃的不锈钢模具内, 铸造成直径为100 mm, 高250 mm的铝合金铸锭.

在铝合金铸锭横截面1/2半径处取样, 试样经磨制、抛光和腐蚀后, 在LEICA-DMI3000M金相显微镜下进行组织观察.沿铝合金铸锭高度方向的相同位置取样, 并加工成直径6 mm、标距30 mm的标准拉伸试样, 在DNS200电子拉伸机上进行室温拉伸, 拉伸速率为2 mm/min, 测试铝合金的抗拉强度和伸长率.在LGD2000型激光导热仪上测试铝合金的室温导热系数.

2 试验结果与分析 2.1 显微组织

图 1为铸态Al-3.2Si-0.8Mg合金组织的金相照片, 图 2为铸态Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒平均直径与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线.

图 1 添加不同量Al-5Ti-1B合金细化剂后Al-3.2Si-0.8Mg合金组织的金相照片 Fig. 1 Metallographs of Al-3.2Si-0.8Mg alloy samples with different amount of Al-5Ti-1B alloy refiner

图 2 Al-3.2Si-0.8Mg合金晶粒平均直径与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线 Fig. 2 Average grain diameter of Al-3.2Si-0.8Mg alloy versus the amount of Al-5Ti-1B alloy refiner

由图 1和图 2可见, 铸态Al-3.2Si-0.8Mg合金的微观组织由α-Al和(Al+Si)共晶相组成.未添加Al-5Ti-1B合金细化剂时, 铸态Al-3.2Si-0.8Mg合金的组织为发达的α-Al枝晶, 枝晶臂相互搭接, 晶粒粗大, 平均晶粒直径约为210.3 μm, 如图 1(a)所示.随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加, α-Al枝晶开始逐渐细化, 晶粒尺寸逐渐减小, 趋于更加均匀, 晶间的(Al+Si)共晶相分布也更加均匀.当Al-5Ti-1B合金细化剂添加量增加到0.5%时, 与未添加Al-5Ti-1B合金细化剂相比, 此时的Al-3.2Si-0.8Mg合金组织中的α-Al相被明显细化, 平均尺寸约为90.9 μm, 如图 1(f)所示.

Al-5Ti-1B合金细化剂是由TiAl3相、TiB2粒子和Al基体组成, 向Al-3.2Si-0.8Mg合金熔体中添加Al-5Ti-1B合金细化剂后, TiAl3相逐渐熔解释放出Ti原子, 高熔点TiB2粒子直接保留在整个熔体中.当Al-3.2Si-0.8Mg合金冷却凝固结晶时, Ti原子在TiB2粒子表面偏聚形成TiAl3相, TiAl3相再与Al-3.2Si-0.8Mg合金熔体发生包晶反应生成α-Al晶核[9].Al-5Ti-1B合金细化剂添加量越多, Al熔体中Ti原子浓度越高, TiB2粒子的数量也越多, 提供的异质形核质点越多, 晶粒细化效果越显著, 因而铸态Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒越细小.

2.2 铸造流动性

图 3为Al-3.2Si-0.8Mg合金铸造流动性试样的形貌图.

图 3 添加不同量Al-5Ti-1B合金细化剂后Al-3.2Si-0.8Mg合金铸造流动性试样的形貌 Fig. 3 Morphologies of Al-3.2Si-0.8Mg alloy casting fluidity samples with different amount of Al-5Ti-1B alloy refiner

图 4为Al-3.2Si-0.8Mg合金铸造流动性试样长度与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的关系曲线.由图 3和图 4可见, 未添加Al-5Ti-1B合金细化剂时, 铝合金熔体的流动性较差, 铸造流动性试样长度为782 mm.随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加, Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒被逐渐细化, 铝合金熔体的流动性不断改善, 铸造流动性试样的长度逐渐增长.当Al-5Ti-1B合金细化剂添加量为0.5%时, Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒被明显细化, 铸造流动性试样长度达到867 mm, 与未添加Al-5Ti-1B合金细化剂相比, 此时Al-3.2Si-0.8Mg合金的铸造流动性提高了10.9%.上述结果表明, 添加Al-5Ti-1B合金细化剂对Al-3.2Si-0.8Mg合金进行晶粒细化处理, 可以提高铝合金的铸造流动性.

图 4 Al-3.2Si-0.8Mg合金铸造流动性试样长度与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线 Fig. 4 Length of Al-3.2Si-0.8Mg alloy as-cast fluidity samples versus amount of Al-5Ti-1B alloy refiner

Al-3.2Si-0.8Mg合金铸造凝固结晶过程中, 首先形成α-Al枝晶, 最后晶间低熔点共晶液相发生凝固[10-11].未添加Al-5Ti-1B合金细化剂时, 凝固过程中首先形成粗大的α-Al枝晶骨架, 枝晶臂相互搭接后阻碍晶间低熔点共晶液相的流动补缩, 因此铝合金的铸造流动性较差[12].添加Al-5Ti-1B合金细化剂对Al-3.2Si-0.8Mg合金进行细化处理后, 初生α-Al枝晶退化, 晶粒尺寸减小, 为晶间低熔点共晶液相提供了更多、更顺畅的流动补缩通道, 因而Al-3.2Si-0.8Mg合金的铸造流动性有所提高.

2.3 力学性能

图 5为Al-3.2Si-0.8Mg合金的拉伸力学性能与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线.由图 5可见, 未添加Al-5Ti-1B合金细化剂进行晶粒细化处理时, 由于Al-3.2Si-0.8Mg合金的铸态组织为粗大的枝晶, 拉伸力学性能较差, 抗拉强度和伸长率分别为221 MPa和9.2%.当添加Al-5Ti-1B合金细化剂后, 由于Al-3.2Si-0.8Mg合金的铸态晶粒组织被细化, 合金的拉伸力学性能得到明显提高, 并且随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加, Al-3.2Si-0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率逐渐升高.当Al-5Ti-1B合金细化剂添加量增加到0.5%时, Al-3.2Si-0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率分别提高到234 MPa和10.1%.与未添加Al-5Ti-1B合金细化剂相比, 此时的Al-3.2Si-0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率分别提高了5.9%和9.8%.

图 5 Al-3.2Si-0.8Mg合金拉伸力学性能与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线 Fig. 5 Tensile mechanical properties of Al-3.2Si-0.8Mg alloy versus amount of Al-5Ti-1B alloy refiner
2.4 导热系数

铝合金导热的物理过程本质上依赖于电子的运动, 由一定的温度梯度作为驱动力, 电子在定向运动的过程中通过不断碰撞将所携带的能量进行传递[13].电子在两次碰撞中运动的平均距离称为平均自由程, 铝合金中电子的平均自由程受晶体结构完整程度的限制.温度梯度一定时, 平均自由程越长则材料的导热能力越强[14].铝合金中缺陷和晶间第二相数量越多, 元素固溶度越高, 引起铝基体晶格畸变越严重, 破坏了铝基体中原子的有序程度和原有周期性电场的分布, 产生缺陷和应力场, 对电子的散射增强, 平均自由程减小, 导致铝合金导热性能下降[15].

图 6为Al-3.2Si-0.8Mg合金导热系数与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的关系曲线.由图 6可见, 随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加, Al-3.2Si-0.8Mg合金的导热系数逐渐下降.未添加Al-5Ti-1B合金细化剂时, Al-3.2Si-0.8Mg合金的导热系数为188.2 W·m-1·K-1.添加Al-5Ti-1B合金细化剂后, Al-3.2Si-0.8Mg合金微观组织得到明显细化, 晶粒平均直径减小.晶界是一种面缺陷, 对自由电子的运动有阻碍作用, 导致能量传输效率降低, 从而引起铝合金的导热系数下降.当Al-5Ti-1B合金细化剂添加量增至0.5%时, Al-3.2Si-0.8Mg合金的导热系数为182.7 W·m-1·K-1, 与未添加Al-5Ti-1B合金细化剂相比, 导热系数下降2.9%.

图 6 Al-3.2Si-0.8Mg合金导热系数与Al-5Ti-1B合金细化剂添加量之间的变化曲线 Fig. 6 Thermal conductivity of Al-3.2Si-0.8Mg alloy versus amount of Al-5Ti-1B alloy refiner
3 结论

(1) 随着Al-5Ti-1B合金细化剂添加量的增加, Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒逐渐细化, 合金铸造流动性、抗拉强度和伸长率逐渐提高, 但导热系数略有下降.

(2) 当Al-5Ti-1B合金细化剂添加量增至0.5%时, Al-3.2Si-0.8Mg合金的晶粒被细化至平均直径约为90.9 μm, 铸造流动性试样长度为867 mm, 抗拉强度为234 MPa, 伸长率为10.1%, 导热系数为182.7 W·m-1·K-1.

(3) 与未添加Al-5Ti-1B合金细化剂相比, 添加0.5%的Al-5Ti-1B细化剂的Al-3.2Si-0.8Mg合金的铸造流动性、抗拉强度和伸长率分别提高了10.9%, 5.9%和9.8%, 但导热系数下降了2.9%.

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