晶粒細化對Al-Mg-Si-Cu合金組織與性能的影響

覃建波

（東莞市鋁美鋁型材有限公司，廣東 東莞 523960）

Al-Mg-Si-Cu合金具有優(yōu)良加工性能、焊接性能、電鍍性能、抗腐蝕性以及加工后不變形、材料致密無缺陷、易于拋光、上色膜容易、氧化效果好等優(yōu)點，廣泛應用于裝飾、包裝、建筑、運輸、電子、航空、航天、兵器等領域[1]。但Al-Mg-Si-Cu合金的元素較多，元素含量較高，結晶溫度范圍較寬，導致鑄造過程中容易產(chǎn)生成分偏析等問題，嚴重影響加工性能及產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

晶粒細化可以提高鋁合金的強度和塑性，抑制鋁合金成分偏析和提升鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量[3,4]。在鋁合金鑄造過程中添加鋁鈦硼細化劑是目前鋁合金生產(chǎn)中最常用的晶粒細化方法[5]。因此，本文采用鋁鈦硼細化劑對Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金進行晶粒細化，研究了晶粒細化對Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金組織與性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金，采用鋁錠、鎂錠、結晶硅和鋁銅合金熔煉配制，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的化學成分為（質(zhì)量分數(shù)，下同）：Mg 1.19%、Si 0.79%、Cu 0.39%、Cr 0.03%、Fe 0.14%、Zn 0.05%、余量為Al。鋁鈦硼細化劑的化學成分為：Ti 5.08%、B 1.02%、Fe 0.17%、Si 0.09%、V 0.01%、余量為Al。

熔煉設備為7.5 kW石墨坩堝電阻爐。將Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金加熱熔化成鋁合金液并升溫至760 ℃，采用精煉劑對鋁合金液進行除氣除雜，再加入鋁鈦硼細化劑進行細化處理，通過機械攪拌使鋁合金液的成分均勻，靜置保溫使鋁合金液的溫度降至720 ℃，最后澆注到預熱溫度為100 ℃不銹鋼模具內(nèi)，鑄成高200 mm、直徑100 mm的Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金圓棒。

在Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金圓棒上取樣，采用砂紙對試樣進行磨制，采用金剛石拋光膏對試樣進行拋光，然后用混合酸溶液對試樣進行腐蝕，最后在LEICA-DMI3000M金相顯微鏡上對試樣顯微組織進行觀察，并測量晶粒的平均尺寸。在合金圓棒上取樣，并加工成標準拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸試驗機上對試樣進行室溫拉伸，檢測合金的抗拉強度和伸長率，拉伸速度為2 mm/min。

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為鋁鈦硼細化劑添加量對Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金顯微組織的影響，圖2是Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸隨鋁鈦硼細化劑添加量的變化曲線。從圖1和圖2可看到，隨著鋁鈦硼細化劑添加量的逐漸增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸逐漸減小。沒有添加鋁鈦硼細化劑時，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織是粗大的樹枝晶，晶粒尺寸達到171μm，如圖1(a)所示。

添加0.1%的鋁鈦硼細化劑后，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織被細化為70μm的等軸晶，如圖1(b)所示。隨著鋁鈦硼細化劑添加量的繼續(xù)增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸進一步減小，如圖2所示。從圖1(f)可看到，當鋁鈦硼細化劑的添加量增加至0.5%時，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織被細化為37μm的等軸晶，晶粒大小分布均勻。

圖1 鋁鈦硼細化劑添加量對Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金顯微組織的影響

圖2 Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸隨鋁鈦硼細化劑添加量的變化曲線

2.2 力學性能

圖3為鋁鈦硼細化劑添加量對 Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金拉伸力學性能的影響。從圖3可看見，隨著鋁鈦硼細化劑添加量的逐漸增加，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉強度和伸長率均逐漸提高。

沒有添加鋁鈦硼細化劑時，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織為粗大的樹枝晶，導致合金的拉伸力學性能較低，其抗拉強度為170 MPa，伸長率為5.5%。添加0.1%的鋁鈦硼細化劑后，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織被細化為等軸晶，使合金的拉伸力學性能得到明顯提高，其抗拉強度提高到215MPa，伸長率提高到 8.3%。繼續(xù)增加鋁鈦硼細化劑的添加量，由于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的晶粒尺寸進一步減小，使合金的拉伸力學性能進一步得到提高。

當鋁鈦硼細化劑的添加量增加到0.5%時，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉強度提高到243MPa，伸長率提高到10.5%，與沒有添加鋁鈦硼細化劑的Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金相比，此時Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉強度提高了43%，伸長率提高了90.9%。

圖3 鋁鈦硼細化劑添加量對 Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金拉伸力學性能的影響

3 結論

（1）添加微量的鋁鈦硼細化劑，可使Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的顯微組織從粗大的樹枝晶細化為等軸晶，當添加0.5%的鋁鈦硼細化劑時，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金被細化為平均直徑為37μm的等軸晶。

（2）添加0.5%的鋁鈦硼細化劑，Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金的抗拉強度為243MPa，伸長率為10.5%，與沒有添加鋁鈦硼細化劑相比。