王順成，戚文軍，鄭開(kāi)宏，李建湘，寧長(zhǎng)維

1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650；2.廣東和勝工業(yè)鋁材股份有限公司，廣東 中山 528463；3.佛山市南海三湘鋁業(yè)材料有限公司，廣東 佛山 528225

晶粒細(xì)化可改善鋁及鋁合金的加工性能，提高鋁材的質(zhì)量與性能.Al－5Ti－1B合金是目前鋁加工企業(yè)最常用的晶粒細(xì)化劑，全世界約有75%的鋁加工材和鑄造鋁產(chǎn)品在鑄造過(guò)程中需要添加Al－5Ti－1B合金［1］.隨著我國(guó)鋁箔、易拉罐料及PS版基等高端鋁材產(chǎn)品的發(fā)展［2］，對(duì)高品質(zhì) Al－5Ti－1B合金的需求量越來(lái)越大，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高.既要求Al－5Ti－1B合金具有優(yōu)異的晶粒細(xì)化能力，還要求Fe，Si和 V等雜質(zhì)元素含量低，以及TiAl3相和TiB2粒子的尺寸細(xì)小和分布均勻.高品質(zhì)Al－5Ti－1B合金的生產(chǎn)難度較大，目前僅有美國(guó)的KBA、荷蘭的KBM和英國(guó)的LSM等少數(shù)公司能夠生產(chǎn)［3］.生產(chǎn)方法是先采用氟鹽鋁熱反應(yīng)法制備Al－5Ti－1B合金熔體［4］，然后再通過(guò)連鑄連軋或連續(xù)擠壓得到Al－5Ti－1B合金線［5］.

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所經(jīng)過(guò)多年的研究，開(kāi)發(fā)出了Al－5Ti－1B合金的電磁攪拌連續(xù)鑄擠成形技術(shù).該技術(shù)利用中頻感應(yīng)電爐采用氟鹽鋁熱反應(yīng)法制備Al－5Ti－1B合金熔體，然后通過(guò)電磁攪拌中間包對(duì) Al－5Ti－1B 合金熔體進(jìn)行電磁攪拌［6］，最后再連續(xù)鑄擠成Al－5Ti－1B合金線.連續(xù)鑄擠是集金屬液態(tài)連續(xù)鑄造和連續(xù)擠壓為一體的成形技術(shù)，該技術(shù)具有生產(chǎn)工藝流程短及高效節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)［7］.本文采用電磁攪拌連續(xù)鑄擠法生產(chǎn)Al－5Ti－1B合金，對(duì)其化學(xué)成分、顯微組織和晶粒細(xì)化效果進(jìn)行了研究，并與美國(guó)KBA、荷蘭KBM、英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金進(jìn)行了比較，以及對(duì)電磁攪拌連續(xù)鑄擠法生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)純鋁（w（Al）＝99.7%）、純度為98%的K2TiF6和KBF4粉末.

在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)加熱熔化工業(yè)純鋁，過(guò)熱至850℃后將K2TiF6和KBF4混合粉末加入爐內(nèi)進(jìn)行鋁熱反應(yīng)，待反應(yīng)完成后進(jìn)行精煉和扒渣，然后將熔體轉(zhuǎn)移至電磁攪拌定量澆注中間包并保溫至780℃，同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌，最后連續(xù)鑄擠成直徑為9.5 mm的Al－5Ti－1B合金線.實(shí)驗(yàn)設(shè)備為50kg中頻感應(yīng)電爐、電磁攪拌定量澆注中間包、DZJ－350型連續(xù)鑄擠機(jī)、合金線冷卻槽和卷曲機(jī).電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的工藝流程如圖1所示.

圖1 電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的工藝流程示意圖Fig.1 Schematic illustration of continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring for Al－5Ti－1Bgrain refiner

對(duì)電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金進(jìn)行取樣，在JY－ULTIMA2型等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，在D／MAX－RC型X射線衍射儀上進(jìn)行合金物相組成分析.試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在NANO430型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行組織觀察，并測(cè)量TiAl3相和TiB2粒子的尺寸.為了進(jìn)行比較，對(duì)美國(guó)KBA、荷蘭KBM、英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金也進(jìn)行同樣的分析檢測(cè).

1.2 晶粒細(xì)化

晶粒細(xì)化對(duì)象為工業(yè)純鋁，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為7.5kW井式電阻爐和石墨坩堝.將工業(yè)純鋁置于坩堝爐內(nèi)加熱至熔化，過(guò)熱至720℃后進(jìn)行精煉和扒渣，然后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金和美國(guó)KBA、荷蘭 KBM、英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金，待攪拌均勻并靜止2 min后，澆注到置于耐火磚上外徑75mm、高25 mm、壁厚5mm的環(huán)狀鋼模［8］內(nèi)，鑄造成直徑65 mm、高25mm的鋁錠試樣.沿鋁錠試樣高度中間部位鋸開(kāi)，經(jīng)磨制、拋光并用混合酸溶液（HCl為70 mL，HNO3為25mL，HF為5mL）腐蝕后，直接觀察鋁錠試樣的宏觀晶粒組織，采用截線法測(cè)量晶粒的平均直徑.

2 結(jié)果與分析

2.1 Al－5Ti－1B合金的化學(xué)成分

Ti和B元素含量穩(wěn)定是保證Al－5Ti－1B合金的冶金質(zhì)量和晶粒細(xì)化效果的基礎(chǔ)，也是對(duì)高品質(zhì)Al－5Ti－1B合金的基本要求.為了避免加入 Al－5Ti－1B合金后對(duì)鋁熔體造成二次污染而影響鋁材的質(zhì)量和性能，生產(chǎn)高端鋁材產(chǎn)品時(shí)對(duì)Al－5Ti－1B合金的純凈度要求較高，其中Fe，Si和V等雜質(zhì)元素的含量越低越好.

電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金以及美國(guó)KBA、荷蘭 KBM、英國(guó)LSM 公司生產(chǎn)的 Al－5Ti－1B合金的化學(xué)成分列于表1.由表1可知，電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金中的Ti和B元素含量分別為5.08%和1.02%.多批次 Al－5Ti－1B合金的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明，合金中Ti和B元素的含量均較為穩(wěn)定.由表1還可知，電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金中的Fe，Si及V雜質(zhì)元素含量分別為0.11%，0.087%和0.011%，整體上雜質(zhì)元素的含量比美國(guó)KBA、荷蘭KBM、英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金的低，表明電磁攪拌連續(xù)鑄擠 Al－5Ti－1B合金具有較高的純凈度.

表1 Al－5Ti－1B合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of Al－5Ti－1Bgrain refiner w／%

為了提高電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金中Ti和B元素的反應(yīng)收得率和含量的穩(wěn)定性，本文采用中頻感應(yīng)電爐氟鹽鋁熱反應(yīng)法制備Al－5Ti－1B合金熔體，利用中頻感應(yīng)電爐對(duì)熔體的電磁攪拌作用，使粉末K2TiF6和KBF4與鋁液的反應(yīng)更加充分徹底，提高Ti和B元素的反應(yīng)收得率.圖2為電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的X射線衍射譜圖.從圖2可見(jiàn)，Al－5Ti－1B合金由α－Al，TiAl3和 TiB2三相組成，未見(jiàn)其它化合物存在，表明K2TiF6和KBF4與鋁液已充分反應(yīng)生成了TiAl3和TiB2.

圖2 電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的X射線衍射譜圖Fig.2 XRD pattern of Al－5Ti－1Bgrain refiner produced by continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring

由于 TiB2粒子的密度（4.52g／cm3）較大且數(shù)量巨大，因此易發(fā)生團(tuán)聚和沉淀.為了防止TiB2粒子的沉淀而導(dǎo)致Ti和B元素含量的下降，在中間包對(duì)Al－5Ti－1B合金熔體進(jìn)行電磁攪拌，使熔體進(jìn)行前后和上下的往返運(yùn)動(dòng)，阻止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，從而保證Al－5Ti－1B合金中Ti和B元素含量的穩(wěn)定.為了降低Al－5Ti－1B合金中Fe，Si及V等雜質(zhì)元素的含量，提高合金的純凈度，首先采用較高純度的K2TiF6和KBF4作為原材料.其次是用鈦合金的熔煉工具，防止熔煉工具與熔體接觸而引入Fe，Si及V等雜質(zhì)元素，以及加強(qiáng)對(duì)Al－5Ti－1B合金熔體的精煉和除雜.

2.2 Al－5Ti－1B合金的顯微組織

TiAl3相和TiB2粒子的大小和分布狀態(tài)，對(duì)Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力以及最終鋁材的質(zhì)量都有很大地影響.TiAl3相和TiB2粒子的尺寸越細(xì)小、分布越均勻，Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力越強(qiáng).而粗大的TiAl3相和TiB2粒子則會(huì)降低Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力，若TiB2粒子形成團(tuán)聚塊會(huì)加速TiB2粒子在鋁熔體中的沉淀速度，從而加速Al－5Ti－1B合金晶粒細(xì)化能力的衰退.另外，如果TiB2粒子形成粗大的團(tuán)聚塊，還會(huì)導(dǎo)致鋁箔、易拉罐料、高檔PS版基等高端鋁材表面產(chǎn)生針孔、撕裂、劃傷等缺陷，影響鋁材表面的質(zhì)量.

表2為 Al－5Ti－1B合金中 TiAl3相和 TiB2粒子的平均尺寸.圖3為電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金以及美國(guó)KBA、荷蘭KBM、英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金的顯微組織.從圖3和表2可知：電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金中TiAl3相呈塊狀，平均尺寸為15.7μm.TiB2粒子呈細(xì)小的顆粒狀均勻分布于α－Al基體中，平均尺寸為0.74μm；美國(guó)KBA和荷蘭KBM 公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金中TiAl3相尺寸較大，TiB2粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象較為明顯，而英國(guó)LSM 公司生產(chǎn)的 Al－5Ti－1B合金中TiAl3相和TiB2粒子的尺寸最大，且TiB2粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象非常嚴(yán)重.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金中的 TiAl3相和 TiB2粒子的平均尺寸更小、分布也更均勻.

表2 Al－5Ti－1B合金中TiAl3相和TiB2粒子的平均尺寸Table 2 Average size of TiAl3and TiB2in Al－5Ti－1Bgrain refiner

電磁攪拌連續(xù)鑄擠 Al－5Ti－1B合金中TiAl3相和TiB2粒子的尺寸更加細(xì)小、分布更加均勻，主要得益于以下兩個(gè)方面：一是采用了中間包電磁攪拌技術(shù)，通過(guò)在中間包對(duì)Al－5Ti－1B合金進(jìn)行電磁攪拌，使熔體進(jìn)行前后和上下的往返運(yùn)動(dòng)，阻止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，使TiB2粒子在熔體中分布均勻；二是得益于連續(xù)鑄擠技術(shù)的特殊凝固成形.

圖3 Al－5Ti－1B合金晶粒細(xì)化劑的顯微組織（a1）和（a2）電磁攪拌連續(xù)鑄擠；（b1）和（b2）美國(guó) KBA公司；（c1）和（c2）荷蘭 KBM 公司；（d1）和（d2）英國(guó)LSM 公司Fig.3 Microstructure of Al－5Ti－1Bgrain refiner（a1）and（a2）continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring；（b1）and（b2）America KBA company；（c1）and（c2）Holland KBM company；（d1）and（d2）British LSM company

圖4為Al－5Ti－1B合金連續(xù)鑄擠凝固與成形過(guò)程的示意圖.經(jīng)電磁攪拌后的Al－5Ti－1B合金熔體通過(guò)導(dǎo)流槽定量澆入鑄擠機(jī)中由鑄擠輪和鑄擠靴形成的型腔內(nèi)，在輪－靴型腔內(nèi)Al－5Ti－1B合金依次經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)凝固形核、半固態(tài)剪切攪拌［9］和劇塑性變形［10］三個(gè)階段.在輪－靴型腔入口段，熔體不斷在旋轉(zhuǎn)鑄擠輪表面和靜止鑄擠靴表面凝固形核，從而增加了合金凝固結(jié)晶的晶核數(shù)量；在輪－靴型腔中間段，熔體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)合金漿料，在旋轉(zhuǎn)鑄擠輪的作用下，半固態(tài)合金漿料受到強(qiáng)烈剪切攪拌作用，晶粒被破碎細(xì)化；在輪－靴型腔出口段，已完全凝固的合金條（斷面為15mm×15mm）在經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)角后被擠出?？?，成形為直徑9.5mm的Al－5Ti－1B合金線.動(dòng)態(tài)凝固形核、強(qiáng)烈的半固態(tài)剪切攪拌和大擠壓比及90°轉(zhuǎn)角的劇烈塑性變形，可顯著破碎細(xì)化TiAl3相和TiB2粒子，使TiAl3相和TiB2粒子更加均勻地分布于α－Al基體中，最終使電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的TiAl3相和TiB2粒子的尺寸更細(xì)小、分布更均勻.

圖4 Al－5Ti－1B合金連續(xù)鑄擠凝固與成形過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic illustration of Al－5Ti－1Bgrain refiner solidification and forming during continuous casting and extrusion process

2.3 Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力

圖5 為未添加Al－5Ti－1B合金時(shí)純鋁的鑄態(tài)組織.從圖5可見(jiàn)，未添加 Al－5Ti－1B合金時(shí)，純鋁鑄態(tài)組織中柱狀晶發(fā)達(dá)，受鋼模激冷作用，在距離試樣表層約5mm的區(qū)域內(nèi)為細(xì)小的柱狀晶，在距試樣中心約10mm的區(qū)域內(nèi)為粗大等軸晶，其余均為粗大的柱狀晶，晶粒平均尺寸達(dá)到2800μm.

圖5 未添加Al－5Ti－1B合金的純鋁的鑄態(tài)組織Fig.5 Microstructure of casting pure Al without adding Al－5Ti－1Bgrain refiner

圖6 為分別添加0.2%的電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合 金、美 國(guó) KBA、荷 蘭 KBM 和 英國(guó)LSM公司生產(chǎn)的Al－5Ti－1B合金后純鋁的鑄態(tài)組織.從圖6可見(jiàn)，添加 Al－5Ti－1B合金后，純鋁的鑄態(tài)組織均從粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，晶粒平均尺寸分別為68μm，146μm，135μm和187 μm.比較后發(fā)現(xiàn)，添加電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金后純鋁的晶粒平均尺寸最小，表明電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力最強(qiáng).

根據(jù) Al－5Ti－1B合金對(duì)鋁晶粒的細(xì)化機(jī)理［11］，當(dāng) Al－5Ti－1B合金加入鋁熔體后，TiB2粒子不熔解而直接分散進(jìn)入鋁熔體中，而TiAl3相將逐漸熔解于鋁熔體中且釋放出Ti原子，Ti原子再逐漸在TiB2粒子表面上偏聚形成TiAl3包覆層.在鋁熔體凝固結(jié)晶過(guò)程中，TiB2粒子及其表面的TiAl3包覆層與鋁熔體發(fā)生包晶反應(yīng)形成α－Al晶粒，即TiB2粒子在鋁晶粒細(xì)化中扮演了異質(zhì)形核核心的作用.由于電磁攪拌連續(xù)鑄擠使 Al－5Ti－1B合金中的TiAl3相和TiB2粒子的尺寸更細(xì)小、分布更均勻，當(dāng)Al－5Ti－1B合金加入鋁熔體中后，TiAl3相更易熔解于鋁熔體中且釋放出游離Ti原子，而TiB2粒子也能更快、更均勻地分散于鋁熔體中，從而起到異質(zhì)形核核心的作用，使電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al－5Ti－1B合金的晶粒細(xì)化能力更強(qiáng).

圖6 添加Al－5Ti－1B合金后純鋁的鑄態(tài)組織（a）電磁攪拌連續(xù)鑄擠；（b）美國(guó) KBA公司；（c）荷蘭 KBM 公司；（d）英國(guó)LSM 公司Fig.6 Microstructure of casting pure Al with adding Al－5Ti－1Bgrain refiner（a）continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring；（b）America KBA company；（c）Holland KBM company；（d）British LSM company

3 結(jié) 論

（1）電磁攪拌連續(xù)鑄擠 Al－5Ti－1B合金中 Ti和B元素含量穩(wěn)定，分別為5.08%和1.02%.Fe，Si及V雜質(zhì)元素含量低，分別為0.11%，0.087%和0.011%.

（2）電磁攪拌連續(xù)鑄擠 Al－5Ti－1B合金中 TiAl3相和TiB2粒子細(xì)小均勻，TiAl3相呈塊狀，平均尺寸為15.7μm.TiB2粒子呈顆粒狀均勻分布于α－Al基體中，平均尺寸為0.74μm.

（3）電磁攪拌連續(xù)鑄擠 Al－5Ti－1B合金具有優(yōu)異的晶粒細(xì)化能力，添加0.2%的 Al－5Ti－1B合金，可使純鋁晶粒平均尺寸從2800μm細(xì)化到68μm.

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