晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金组织性能的影响

晶粒细化对Al3.2Si0.8Mg合金组织性能的影响作者：牛艳萍杨勇唐维学王彩华管尽琼来源：《有色金属材料与工程》2017年第02期摘要：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： AEffects of Grain Refinement on Microstructuresand Properties of Al-3.2Si-0.8Mg AlloyNIU 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铝合金具有密度小、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关系曲线.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合金细化剂相比，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，Al3.2Si0.8Mg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 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