不同晶粒细化剂对5083 铝合金铸锭晶粒细化对比研究

黄 亮，赵启忠，杨鸿驰，何克准

（1.广西南南铝加工有限公司，广西 南宁 530000；2.广西铝合金材料与加工重点实验室，广西 南宁 530031）

5083 铝合金属于Al-Mg 系高Mg 铝合金，不可热处理强化，具有良好的耐腐蚀性能，同时又具有较高的强度、良好的塑性等优点，广泛应用于海洋运输、工模具、航空航天、化工运输、装甲车、压力容器等行业[1-3]，随着市场的发展，其应用领域也越来越广泛。5083 铝合金合金化元素比较多，主要合金成分为Mg、Mn 等元素，对5083 铝合金晶粒、力学性能起主要影响作用[4-5]，而国内目前还很少有研究晶粒细化剂对5083 铝合金铸锭的影响，只有孙洪胤等[6]研究了晶粒细化剂对5 系铝合金组织和性能的影响，Chengguo MA 等[7]对晶粒细化剂对5083 铝合金熔炼净化及精炼效果进行研究，但对不同晶粒细化剂的添加研究影响文献较少。为此，本文研究添加不同晶粒细化剂对5083 铝合金微观组织的影响，旨在为高Mg 铝合金熔炼铸造的晶粒细化工艺提供理论依据。

1 实验材料与方法

本实验所用5083 铝合金材料是采用40 kg 坩埚熔炼炉以及自主设计铸锭冷却系统制备而成，实验用5083 铝合金铸锭的化学成分如表1 所示。实验铸锭晶粒细化剂添加量根据传统半连续铸造过程中晶粒细化剂添加量换算而成，具体添加量如表2 所示。首先空炉升温至500 ℃烘炉30 min，然后装上铝锭后继续升温700 ～750 ℃，待铝锭全部熔化后添加AlMn10、AlCr5 以及AlTi6 等中间合金，待中间合金熔化后添加Mg 锭，最后添加晶粒细化剂进行除气除渣以及铸造。分别取样检测显微组织、成分检测和室温拉伸性能，其中金相样品经过阳极覆膜处理后采用Zeiss axio vert.a1 观察偏光显微组织，成分检测采用ARL3460 直读光谱仪对铸锭截面进行分析检测，而力学样品则加工成φ10 mm 圆形拉伸试样后，采用CMT5305 材料试验机检测室温拉伸性能。

表1 5083 铝合金化学成分范围（wt.%）

表2 不同细化剂在5083 铝合金铸锭生产中的试验条件

2 实验结果与分析

2.1 细化剂对合金组织的影响

2.1.1 金相样品来源

采用40 kg 坩埚熔炼炉以及在自主设计模具及冷却系统铸造所得铸锭如图1 所示，铸锭呈圆锥型，顶部直径较大，底部直径较小。截取长度方向距底部铸锭三分之一处取样进行分析。

图1 实验显微组织取样位置

2.1.2 金相样品实验结果

5083 合金铸锭的组织中主要为α（Al 基体）相，β（Mg2Al3）、（FeMn）Al6和Mg2Si，采用不同晶粒细化剂对合金的铸态显微组织和形态有显著影响。图2 为添加不同晶粒细化剂的5083 合金铸锭显微组织图。从图中可以看出，晶粒细化剂加入后，晶粒尺寸得到明显细化，在不加入晶粒细化剂前为粗大的枝晶，由中心向四周呈放射状，晶粒尺寸不均匀为毫米级，加入细化剂后，晶粒尺寸显著降低。但是晶粒细化效果有较大差别，Al-Ti5-B1 的晶粒细化效果较好，晶粒为细小的等轴晶，有部分球状晶存在。而Al-Ti3-C0.15晶粒细化的组织相对粗大。从表3 可以看出，铸锭晶粒尺寸从大到小的顺序是不添加晶粒细化剂，Al-Ti5-B1 细化剂，Al-Ti3-C0.15 细化剂。因此从细化晶粒角度讲，Al-Ti5-B1 细化效果最好，Al-Ti3-C0.15稍好于不添加晶粒细化剂。

图2 添加不同晶粒细化剂的5083 合金铸锭显微组织

Mc Cartney D G 等[8]研究发现TiAl3和TiB2/TiC在铝基体中都是潜在的结晶核心，在铸造过程中添加Al-Ti-B 或Al-Ti-C 晶粒细化剂能够有效的对铝合金显微组织起到细化作用。P.S.MOHANTY 和J.E.GRUZLESKI[9]也认为TiAl3和TiB2/TiC 在铝合金晶粒细化中起关键作用。许多研者的实验结果表明[10-12]细化剂中的TiAl3和TiB2颗粒越细小、越弥散，则可形成的非均匀形核核心越多，晶粒细化效果越显著。因此根据已有的理论可以判定晶粒细化剂的细化效果很大程度上受到TiB2/TiC 相的数量影响，对比Al-Ti5-B1 和Al-Ti3-C0.15 晶粒细化剂可以发现Al-Ti5-B1 中Ti 含量高于Al-3Ti3-C0.15，在晶粒细化过程中Al-Ti5-B1 所生成的TiB2高于Al-Ti3-C0.15 所生成的TiC 颗粒，因此添加Al-Ti5-B1 细化效果好于Al-Ti3-C0.15。

2.2 细化剂对合金合金成分的影响

化学成分样品取样位置为距离铸锭顶部四分之一处截面，每个样品成分测试标记如图3 所示。

图3 成分分析取样测试

从图4 可看出添加晶粒细化剂对于5083 合金成分偏析影响不大，主要原因是成分偏析是有溶质原始在固、液相间得溶解度差异造成，随着凝固的进行，溶质原子由固相被排到液相从而造成偏析[13]。5083 铝合金由Mg、Mn、Cr、Fe、Si 等多种元素组成，在合金凝固的过程中，由于不同元素在液相与固相的溶解度差异，从而导致5083 合金铸锭中中Mg、Mn、Cr、Fe、Si等元素成分差异。虽然添加晶粒细化剂能够促进熔体在凝固过程中的形核从而有一定作用抑制偏析，但对晶粒细化剂对5083 铝合金的偏析改善不明显。

图4 添加不同晶粒细化剂的5083 合金主要化学成分偏析

2.3 细化剂对合金铸态性能的影响

2.3.1 力学样品来源

力学样品取样位置及方式如图5 所示，最终加工成φ10mm 比例拉伸试样。

图5 拉伸取样位置

2.3.2 力学样品实验结果

采用不同晶粒细化剂对5083 合金铸锭的铸态性能有一定影响。表4 为添加不同晶粒细化剂的5083合金铸锭室温拉伸性能。从表中可以看出，添加了晶粒细化剂的铸锭力学性能也明显优于未添加细化剂铸锭，跟晶粒大小有直接关系，细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小，这是塑性增强的原因；晶粒越细小，位错集群中位错个数越小，应力集中越小，所以材料的强度越高；此外，细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值（d）越小，材料的屈服强度就越高，结合表3、表4 可知，添加Al-Ti5-B1、Al-Ti3-B0.15 细化剂的5083 铝合金注定力学性能优于未添加晶粒细化剂，且添加Al-Ti5-B1 细化剂的5083 铝合金铸锭由于晶粒更加细小，其力学性能优于添加Al-Ti3-C0.15 的5083 铝合金铸锭。

表4 铸锭室温拉伸性能结果

3 结论

（1）添加晶粒细化剂对铸锭晶粒细化都有一定的作用，Al-Ti5-B1 的晶粒细化效果较好，而Al-Ti3-C0.15 的晶粒细化效果欠佳。

（2）添加晶粒细化剂对于铸锭成分偏析改善不明显。

（3）添加晶粒细化剂，通过细化晶粒，提高晶界，从而提高5083 铝合金力学性能，为后续加工变形提供有利条件。