Ti-TiCN細(xì)化劑的含量對(duì)Al-Mg-Si合金組織和性能的影響

項(xiàng)雁玲　錢平平

摘 要：本文研究了該Ti-TiCN復(fù)合細(xì)化劑對(duì)Al-Mg-Si合金組織和性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：Ti-TiCN細(xì)化劑的加入使Al-0.6Mg-0.4Si的晶粒由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。當(dāng)細(xì)化劑含量增加至0.25%wt，α-Al晶粒尺寸變小，樹枝晶也變得更加細(xì)小。在性能方面，合金硬度隨Ti-TiCN含量增加一直提高，添加0.5%wt細(xì)化劑后維氏硬度達(dá)到78HV，比未添加時(shí)提升了41.8%;未添加細(xì)化劑時(shí)Al-0.6Mg-0.4Si合金的抗拉強(qiáng)度為175MPa，當(dāng)添加0.25%wt的細(xì)化劑時(shí)增加至212MPa，但細(xì)化劑含量繼續(xù)增加時(shí)，抗拉強(qiáng)度又有所下降。

關(guān)鍵詞：Ti-TiCN細(xì)化劑;Al-Mg-Si合金;晶粒細(xì)化

1 試驗(yàn)方法

將TiCN-Ti混合粉末進(jìn)行球磨，使粉末充分混合。球磨后的粉體經(jīng)再次烘干后，分別加入鋁粉、鉀鹽、氯鹽作為助熔劑，再次混合后放入模具中制備出Ti-TiCN復(fù)合細(xì)化劑。

將熔煉爐和坩堝進(jìn)行烘爐處理，澆注用模具表面涂抹ZnO并預(yù)熱至300℃。清潔工業(yè)純鋁表面，對(duì)Ti-TiCN細(xì)化劑、覆蓋劑、精煉劑均進(jìn)行烘干處理。最后分別熔煉未添加細(xì)化劑以及分別添加0.1%wt、0.25%wt和0.5%wt的Ti-TiCN復(fù)合細(xì)化劑的Al-0.6Mg-0.4Si樣品。將鋁錠放入熔煉爐加熱至融化后使用精煉劑除雜，加入覆蓋劑防止氧化。升溫至730℃保溫1h，用鐘罩將細(xì)化劑塊壓入鋁熔體中，保溫一段時(shí)間后扒渣并澆注到模具中。將得到的樣品進(jìn)行微觀組織分析和力學(xué)性能分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 細(xì)化劑對(duì)微觀組織的影響

采用添加納米顆粒的方式是有效的鋁合金細(xì)化方法。納米顆粒是否能在鋁熔體中作為非均勻形核襯底，首先需要結(jié)晶相在納米顆粒上形成盡可能小的潤(rùn)濕角，其次加入的納米顆粒還應(yīng)該在金屬熔體中保持相對(duì)穩(wěn)定。TiCN是一種具有優(yōu)異性能的非氧化物材料，它具有熔點(diǎn)高、硬度高、抗氧化性好及化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在700℃以上的鋁熔體中保溫時(shí)，TiCN顆粒不會(huì)與鋁熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1]。晶體結(jié)構(gòu)方面，TiCN與鋁都屬于立方結(jié)構(gòu)，并且它們的晶格常數(shù)十分接近，Al的晶格常數(shù)為0.4049nm，本實(shí)驗(yàn)所使用的TiC0.3N0.7晶格常數(shù)為0.4264nm。對(duì)于給定的納米陶瓷顆粒，其與鋁液的潤(rùn)濕角θ主要取決于結(jié)晶相與陶瓷顆粒之間的單位面積界面能σC/S。為了獲得σC/S最低的界面，需要實(shí)現(xiàn)界面共格對(duì)應(yīng)，這時(shí)界面能主要來自兩側(cè)點(diǎn)陣失配引起的點(diǎn)陣畸變，用錯(cuò)配度衡量[2]。經(jīng)計(jì)算，（111）α-Al∥（111）TiCN和（001）α-A∥（001）TiCN的錯(cuò)配度低于10%，其界面能σC/S較低，所以Ti（C，N）顆粒有成為а-Al形核襯底的可能。

圖1為在730℃的Al-0.6Mg-0.4Si熔體中未添加及分別添加0.1%wt、0.25%wt、0.5%wt Ti-TiCN細(xì)化劑并保溫5min后試樣的微觀組織。由圖1（a）所示，當(dāng)合金中未添加細(xì)化劑時(shí)，它的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)是粗大的樹枝晶;而根據(jù)圖1（b～d）所示，隨著細(xì)化劑的添加量增多，樹枝晶會(huì)明顯地降低，尺寸也變得細(xì)小和分布均勻。從圖中可看到鑄態(tài)組織含有樹枝晶結(jié)構(gòu)，其中第二相大部分呈現(xiàn)連續(xù)，而部分粗大的第二相往往會(huì)聚集在晶界周圍。計(jì)算未添加和添加細(xì)化劑后組織的枝晶臂間距，發(fā)現(xiàn)未添加細(xì)化劑（圖1（a））的平均枝晶臂間距約為87μm。當(dāng)提高Ti-Ti（C，N）細(xì)化劑的添加量時(shí)，組織中的樹枝晶會(huì)減小且晶粒尺寸也變小，同時(shí)第二相變得細(xì)小和分散。當(dāng)細(xì)化劑添加量是0.1%wt時(shí)，晶粒開始表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶狀，當(dāng)添加量繼續(xù)增加時(shí)，α-Al晶粒尺寸變小，樹枝晶也變得更加細(xì)小，且枝晶偏析也得到改善。

在Al-Mg-Si合金中，其共晶相主要是α-Al和金屬間化合物。在鋁液開始結(jié)晶過程中，分散的Ti（C，N）顆粒會(huì)提供大量有效的非均勻形核核心。此時(shí)，α-Al晶胚開始形核并長(zhǎng)大成晶粒，數(shù)量急劇增多，然后鋁液又被分割成許多的小液池，使共晶反應(yīng)后得到的第二相變得細(xì)小且均勻。

2.2 細(xì)化劑對(duì)力學(xué)性能的影響

圖2為Al-Mg-Si合金的維氏硬度隨Ti-Ti（C，N）細(xì)化劑添加量的變化曲線。從圖中可以看出，添加細(xì)化劑后Al-Mg-Si合金的維氏硬度比未添加細(xì)化劑明顯地增加，其中添加05%細(xì)化劑后硬度達(dá)到78HV20，和未添加細(xì)化劑的情況比提升了41.8%。

材料硬度通常表示其抗塑性變形能力，與晶粒尺寸和第二相的分布有關(guān)。盡管Ti-Ti（C，N）細(xì)化劑的添加不影響相的成分，卻有利于晶粒尺寸以及第二相分布情況，晶界增多也影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力[3]。

因?yàn)樵阡X熔體中添加一定量的Ti-TiCN細(xì)化劑后，一部分的Ti（C，N）顆粒可以為α-Al的非均勻形核提供有效的異質(zhì)核心，在凝固階段形成大量細(xì)小的晶粒從而提高合金的硬度;而另一部分的Ti-TiCN顆粒由于偏聚作用將會(huì)被推送到晶界附近對(duì)晶界起到釘扎的作用，并抑制了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響了晶粒的長(zhǎng)大，獲得了較細(xì)的晶粒，從而增加了合金的硬度[4]。而添加量太多時(shí)，Al-Mg-Si合金的維氏硬度增加不明顯。這是因?yàn)榇藭r(shí)鋁熔體中的TiCN顆粒數(shù)達(dá)到了飽和狀態(tài)，對(duì)晶粒的形核與長(zhǎng)大反而不能起到良好的幫助，導(dǎo)致硬度的增幅不明顯。因此，在添加了Ti-TiCN細(xì)化劑后，Al-Mg-Si合金的維氏硬度在第二相和細(xì)晶強(qiáng)化下，會(huì)在獲得一定范圍的提高，而細(xì)化劑的含量反過來促進(jìn)這兩種機(jī)制的強(qiáng)化效果。

從圖3可以看出，Ti-TiCN細(xì)化劑的添加對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能指標(biāo)有較大的提升。隨著細(xì)化劑的添加量增加，Al-Mg-Si合金的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。尤其當(dāng)細(xì)化劑的添加量在0.25%wt時(shí)，其抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)最高點(diǎn)。但隨著細(xì)化劑的添加量進(jìn)一步增加達(dá)到0.5%wt時(shí)，其抗拉強(qiáng)度反而出現(xiàn)了降低。這是因?yàn)槿垠w中TiCN顆粒數(shù)量過多導(dǎo)致了顆粒之間出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，分布于晶界處，從而使抗拉強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）Ti-TiCN細(xì)化劑可以改善Al-Mg-Si合金的晶粒形態(tài)，減小晶粒尺寸，使樹枝晶變得更加細(xì)小、枝晶偏析得到改善。

（2）Ti-TiCN細(xì)化劑對(duì)Al-0.6Mg-0.4Si合金的性能具有一定的影響。隨著細(xì)化劑添加量的增加，合金的硬度呈增加趨勢(shì)，合金的抗拉強(qiáng)度先增加后減小。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Bramfitt，B.The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron[J].Met Trans，1970，1：1987-1995.

[3]王東，馬宗義.軋制工藝對(duì)7050鋁合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào)，2009，44（1）：49-54.

[4]梁振宇.合金元素對(duì)Al-Mg-Si合金導(dǎo)體材料組織與性能的影響研究[D].湖南大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)雁玲，女，漢族，安徽人，碩士研究生，助教，研究方向：鋁合金晶粒細(xì)化。