标题 | 晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金组织性能的影响 |
范文 | 牛艳萍+杨勇+唐维学+王彩华+管尽琼 摘要: 采用Al5Ti1B合金细化剂对Al3.2Si0.8Mg合金进行晶粒细化,采用金相显微镜、激光导热仪和拉伸试验机等研究晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金微观组织、铸造流动性、力学性能与导热系数的影响.结果表明:随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,Al3.2Si0.8Mg合金的αAl晶粒逐渐细化,铸造流动性、抗拉强度和伸长率逐渐升高,但导热系数略有下降.当Al5Ti1B合金细化剂的质量分数增加到0.5%时,Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被细化至平均直径约为90.9 μm,铸造流动性试样长度为867 mm,抗拉强度为234 MPa,伸长率为10.1%,导热系数为182.7 W·m-1·K-1. 关键词: AlSiMg合金; 晶粒细化; 铸造流动性; 导热系数 中图分类号: TG 146.2 文献标志码: A Effects of Grain Refinement on Microstructures and Properties of Al-3.2Si-0.8Mg Alloy NIU Yanping, YANG Yong, TANG Weixue, WANG Caihua, GUAN Jinqiong (Guangdong Center of Industrial Analysis and Testing, Guangzhou 510651, China) Abstract:The Al-3.2Si-0.8Mg alloy was refined through adding Al-5Ti-1B alloy refiner.The effects of grain refinement on casting fluidity,thermal conductivity and mechanical properties of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were studied by metallurgical microscope,flash thermal conductivity meter and tensile testing machine,respectively.The results show that with the increasing amount of Al-5Ti-1B alloy refiner,the α-Al grains of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were more refined.In addition,the casting fluidity,tensile strength and elongation of Al-3.2Si-0.8Mg alloy were improved,and the thermal conductivity was reduced.When the amount of Al-5Ti-1B alloy refiner was 0.5%,the grains size was able to be refined to 90.9 μm for Al-3.2Si-0.8Mg alloy with casting fluidity of length 867 mm,tensile strength of 234 MPa,elongation of 10.1%,and thermal conductivity of 182.7 W·m-1·K-1. Keywords:Al-Si-Mg alloy; grain refinement; casting fluidity; thermal conductivity 鋁合金具有密度小、比强度高、塑性好、耐腐蚀等优点,被广泛用于制造对散热功能有一定要求的零部件,如电子产品的外壳、LED散热片、无线通讯基站散热基板等[1-2].这类零部件的传统生产方法是采用AlMgSi系变形铝合金为材料,先铸造成锭坯,经挤压或轧制成板坯后,再机械加工成零部件.但这种方法的生产效率较低,生产成本较高,难以满足大批量的生产要求[3].铸造是铝合金零部件最常用的生产方法,如压铸、挤压铸造,具有生产效率高、成本低、可成形结构复杂的薄壁零件等特点[4].AlSi系合金,如A356、ADC12铝合金等具有优良的铸造流动性和机械加工性能,占现有铸造铝合金总产量的85%以上,但其导热性能较差,难以满足零部件对散热性能的要求[5].AlMgSi系变形铝合金,如6063、6061铝合金等具有较好的强度、塑性和导热性能,但其铸造流动性较差,热裂倾向大,用于铸造生产时,容易产生疏松和收缩裂纹等缺陷,无法满足铸造生产的要求[6].本课题组在前期工作中开发了具有较好铸造流动性和导热性的Al3.2Si0.8Mg合金[7].对铝合金进行晶粒细化,获得细小均匀的晶粒组织,是进一步提高合金铸造流动性和力学性能的重要方法[8].因此,本文研究晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金显微组织、铸造流动性、力学性能和导热性能的影响. 第2期牛艳萍,等:晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金组织性能的影响 有 色 金 属 材 料 与 工 程2017年 第38卷 1 试验材料和方法 试验材料为Al3.2Si0.8Mg合金,采用工业纯铝(99.7%,本文中表示含量的%均为质量分数)、工业纯镁(99.8%)、速溶硅配制熔炼,熔炼设备为100 kg铝合金熔炼炉,经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定,其化学成分为:3.21%Si,0.79%Mg,0.14%Fe,0.02%Mn,0.03%Cu,0.02%Cr,余量为Al.细化剂为国内某厂的Al5Ti1B合金杆,其化学成分为:5.12%Ti,1.09%B,0.11%Fe,0.08%Si,0.01%V,余量为Al. 在7.5 kW井式坩埚电阻炉内于760 ℃加热熔化Al3.2Si0.8Mg合金,精炼除气除杂后,将铝合金液降温至720 ℃,然后分别加入0.1%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%的Al5Ti1B合金细化剂进行晶粒细化处理,搅拌并静置30 min后,取铝合金液浇注到预热温度为200 ℃的螺旋式流动性试验模具内,凝固冷却后测量试样的长度.将铝合金液浇注到预热温度为200 ℃的不锈钢模具内,铸造成直径为100 mm,高250 mm的铝合金铸锭. 在铝合金铸锭横截面1/2半径处取样,试样经磨制、抛光和腐蚀后,在LEICADMI3000M金相显微镜下进行组织观察.沿铝合金铸锭高度方向的相同位置取样,并加工成直径6 mm、标距30 mm的标准拉伸试样,在DNS200电子拉伸机上进行室温拉伸,拉伸速率为2 mm/min,测试铝合金的抗拉强度和伸长率.在LGD2000型激光导热仪上测试铝合金的室温导热系数. 2 试验结果与分析 2.1 显微组织 图1为铸态Al3.2Si0.8Mg合金组织的金相照片,图2为铸态Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒平均直径与Al5Ti1B合金细化剂添加量之间的变化曲线. 由图1和图2可见,铸态Al3.2Si0.8Mg合金的微观组织由αAl和(Al+Si)共晶相组成.未添加Al5Ti1B合金细化剂时,铸态Al3.2Si0.8Mg合金的组织为发达的αAl枝晶,枝晶臂相互搭接,晶粒粗大,平均晶粒直径约为210.3 μm,如图1(a)所示.随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,αAl枝晶开始逐渐细化,晶粒尺寸逐渐减小, 趋于更加均匀,晶间的(Al+Si)共晶相分布也更加均匀.当Al5Ti1B合金细化剂添加量增加到0.5%时,与未添加Al5Ti1B合金细化剂相比,此时的Al3.2Si0.8Mg合金组织中的αAl相被明显细化,平均尺寸约为90.9 μm,如图1(f)所示. Al5Ti1B合金细化剂是由TiAl3相、TiB2粒 子和Al基体组成,向Al3.2Si0.8Mg合金熔体中添加Al5Ti1B合金细化剂后,TiAl3相逐渐熔解释放出Ti原子,高熔点TiB2粒子直接保留在整个熔体中.当Al3.2Si0.8Mg合金冷却凝固结晶时,Ti原子在TiB2粒子表面偏聚形成TiAl3相,TiAl3相再与Al3.2Si0.8Mg合金熔体发生包晶反应生成αAl晶核[9].Al5Ti1B合金细化剂添加量越多,Al熔体中Ti原子浓度越高,TiB2粒子的数量也越多,提供的异质形核质点越多,晶粒细化效果越显著,因而铸态Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒越细小. 2.2 铸造流动性 图3为Al3.2Si0.8Mg合金铸造流动性试样的形貌图. 长度与Al5Ti1B合金细化剂添加量之间的 關系曲线.由图3和图4可见,未添加Al5Ti1B 合金细化剂时,铝合金熔体的流动性较差,铸造流动 性试样长度为782 mm.随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被逐渐细化,铝合金熔体的流动性不断改善,铸造流动性试样的长度逐渐增长.当Al5Ti1B合金细化剂添加量为0.5%时,Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被明显细化,铸造流动性试样长度达到867 mm,与未添加Al5Ti1B合金细化剂相比,此时Al3.2Si0.8Mg合金的铸造流动性提高了10.9%.上述结果表明,添加Al5Ti1B合金细化剂对Al3.2Si0.8Mg合金进行晶粒细化处理,可以提高铝合金的铸造流动性. Al3.2Si0.8Mg合金铸造凝固结晶过程中,首先形成αAl枝晶,最后晶间低熔点共晶液相发生凝固[10-11].未添加Al5Ti1B合金细化剂时,凝固过程中首先形成粗大的αAl枝晶骨架,枝晶臂相互搭接后阻碍晶间低熔点共晶液相的流动补缩,因此铝合金的铸造流动性较差[12].添加Al5Ti1B合金细化剂对Al3.2Si0.8Mg合金进行细化处理后,初生αAl枝晶退化,晶粒尺寸减小,为晶间低熔点共晶液相提供了更多、更顺畅的流动补缩通道,因而Al3.2Si0.8Mg合金的铸造流动性有所提高. 2.3 力学性能 图5为Al3.2Si0.8Mg合金的拉伸力学性能与Al5Ti1B合金细化剂添加量之间的变化曲线.由图5可见,未添加Al5Ti1B合金细化剂进行晶粒细化处理时,由于Al3.2Si0.8Mg合金的铸态组织为粗大的枝晶,拉伸力学性能较差,抗拉强度和伸长率分别为221 MPa和9.2%.当添加Al5Ti1B合金细化剂后,由于Al3.2Si0.8Mg合金的铸态晶粒组织被细化,合金的拉伸力学性能得到明显提高,并且随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率逐渐升高.当Al5Ti1B合金细化剂添加量增加到0.5%时,Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率分别提高到234 MPa和10.1%.与未添加Al5Ti1B合金细化剂相比,此时的Al3.2Si0.8Mg合金的抗拉强度和伸长率分别提高了5.9%和9.8%. 2.4 导热系数 铝合金导热的物理过程本质上依赖于电子的运动,由一定的温度梯度作为驱动力,电子在定向运动的过程中通过不断碰撞将所携带的能量进行传递[13].电子在两次碰撞中运动的平均距离称为平均自由程,铝合金中电子的平均自由程受晶体结构完整程度的限制.温度梯度一定时,平均自由程越长则材料的导热能力越强[14].铝合金中缺陷和晶间第二相数量越多,元素固溶度越高,引起铝基体晶格畸变越严重,破坏了铝基体中原子的有序程度和原有周期性电场的分布,产生缺陷和应力场,对电子的散射增强,平均自由程减小,导致铝合金导热性能下降[15]. 图6为Al3.2Si0.8Mg合金导热系数与Al5Ti1B合金细化剂添加量之间的关系曲线.由图6可见,随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,Al3.2Si0.8Mg合金的导热系数逐渐下降. 未添加Al5Ti1B合金细化剂时,Al3.2Si0.8Mg合金的导热系数为188.2 W·m-1·K-1.添加Al5Ti1B合金细化剂后,Al3.2Si0.8Mg合金微观组织得到明显细化,晶粒平均直径减小.晶界是一种面缺陷,对自由电子的运动有阻碍作用,导致能量传输效率降低,从而引起铝合金的导热系数下降.当Al5Ti1B合金细化剂添加量增至0.5%时,Al3.2Si0.8Mg合金的导热系数为182.7 W·m-1·K-1,与未添加Al5Ti1B合金细化劑相比,导热系数下降2.9%. 3 结 论 (1) 随着Al5Ti1B合金细化剂添加量的增加,Al3.2Si 0.8Mg合金的晶粒逐渐细化,合金铸造流动性、抗拉强度和伸长率逐渐提高,但导热系数略有下降. (2) 当Al5Ti1B合金细化剂添加量增至0.5%时,Al3.2Si0.8Mg合金的晶粒被细化至平均直径约为90.9 μm,铸造流动性试样长度为867 mm,抗拉强度为234 MPa,伸长率为10.1%,导热系数为182.7 W·m-1·K-1. (3) 与未添加Al5Ti1B合金细化剂相比,添加0.5%的Al5Ti1B细化剂的Al3.2Si0.8Mg合金的铸造流动性、抗拉强度和伸长率分别提高了10.9%,5.9%和9.8%,但导热系数下降了2.9%. 参考文献: [1] KIN D,LEE J,KIM J,et al.Enhancement of heat dissipation of LED module with cupric-Oxide composite coating on aluminum-alloy heat sink[J].Energy Conversion and Management,2015,106:958-963. [2] 罗淞,林高用,曾菊花,等.硬质相对6061铝合金异型散热型材表面质量的影响[J].中国有色金属学报,2011,21(7):1521-1526. [3] 罗国军,袁子良.6061铝合金温挤压工艺[J].热加工工艺,2012,41(1):178-180. [4] 李平,王祝堂.汽车压铸及铸造铝合金[J].轻合金加工技术,2011,39(12):1-19. [5] ZHANG P,LI Z M,LIU B L,et al.Improved tensile properties of a new aluminum alloy for high pressure die casting[J].Materials Science and Engineering:A,2016,651:376-390. [6] 牛艳萍,赵禹凯,王顺成,等.Si含量对AlSiMg合金铸造流动性、热导率和力学性能的影响[J].铸造,2016,65(4):366-370. [7] 齐丕骧.变形铝合金挤压铸造[J].特种铸造及有色合金,2008,28(10):769-772. [8] 相志磊,马腾飞,陈子勇,等.铸造铝合金的细化机理[J].材料导报,2013,27(5):110-114,134. 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