不同類別鋁鈦硼絲對高端鋁排產品質量影響的研究

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

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

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晶粒的細化效果起決定性作用。本文主要研究在鑄棒生產過程中加入不同類別的進口鋁鈦硼絲對鋁排產品質量的影響。

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/%）

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、硼化物的數量、大小等現象，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都未發現有團聚的現象，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，鑄棒規格為φ308mm。按照鑄棒正常生產工藝，如相同廢料添加比例、精煉次數，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的鋁排產品質量（鋁排產品黑線檢出率）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具有良好的化學穩定性，熔煉溫度下不與鋁熔體發生反應。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產品質量問題。

AlTi5B1的TiB2粒子數量是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，在鋁鈦硼絲生產過程中容易由于TiB2粒子的濃度過大而導致產生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，導致后續鋁排產品的黑線增加。

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粒子數量不足，在使用時，每噸鋁比AlTi5B1增加0.4kg。

（3）對于高端產品來說，如鋁排產品，鋁鈦硼絲優選AlTi5B0.2。