浅议铝合金晶粒细化剂的研究及发展趋势

浅议铝合金晶粒细化剂的研究及发展趋势

摘要本文分析了铝合金晶粒细化剂的研究及发展趋势，为铝合金晶粒细化剂的研究走持续、稳定及健康的发展道路提供了一定的见解。

关键词铝合金；晶粒细化剂；研究；发展趋势

引言

如何有效地利用资源、减少污染、提高铝合金材料加工的技术水平是材料行业面临的重要课题。高品质铝钛硼细化剂、A1-Ti-C-Re、Al-Ti-B-Re能够满足国内铝加工行业对细化效果与质量越来越高的要求。但高品质铝钛硼细化剂对原料纯净度及生产过程控制提出更高的要求。多元相A1-Ti-C-Re、Al-Ti-B-Re还未得到应用。其需要相关人员在物理本质和基本规律上做深入研究，以突破制备及应用的关键技术。

1 对铝合金晶粒细化剂研究现状的分析与认识

目前，铝合金品粒细化有凝固细晶和变质细晶两个方向。

1.1 铝合金晶粒细化应用现状

（1）凝固细晶：主要有快速凝固细晶、机械场凝固细晶、磁场凝固细晶、电场凝固细晶、超声凝固细晶等五种。

（2）变质细化：变质细化包括磷及磷化物变质细化、钠盐变质细化、铝锶中间合金细化、铝锑中间合金细化、A1-Ti-B细化、A1-Ti-C细化等

（3）细化剂的制备：包括Al-Ti-B的制备和A1-Ti-C的制备，其中A1-Ti-C 的制备有熔铸-原位反应法、液态搅拌法、半固态复合铸造法、自蔓延复合技术、XD法、喷射共沉积法、粉末冶金法等。

2 依靠技术进步，以促进铝合金晶粒细化剂研究的可持续发展

2.1 铝合金晶粒细化的发展趋势

变质细化中的磷或磷化物、钠盐、铝锑中间合金、铝锶中间合金等的变质细化对细化温度及加入方式要求严格。其加入后容易产生大量气体，污染环境，使铝液吸气严重。同时其容易在铸件中形成针孔等缺陷，细化工艺过程复杂，且劳动强度大。随着人们对包括了铝及铝合金板、带、箔、管、棒、型材及铸件生产过程认识的深化，明确了在铝熔体中添加晶粒细化剂进行细化是目前铝加工行业中最实用最有效的晶粒细化方法。其具有晶粒细化效果好、作用快、操作方便、适应性强等优点。但是晶粒细化剂的细化效果和金属纯净度还有待提高。为此，

人们一直在寻找研究更有效的细化剂及其处理技术。

2.2 Al-Ti-C-Re及Al-Ti-B-Re中间合金细化效果及进展

A1-Ti-C-Re、A1-Ti-B-Re中间合金是近年来开发出的两种新型细化剂。其是分别将A1-Ti-B，Al-Ti-C的优点与RE的特点结合起来，以综合提升细化剂的性能。

由于C与A1液的润湿性差，制备A1-Ti-C晶粒细化剂的主要问题是难以实现C的合金化。而加入稀土元素能对反应物进行固化处理，促进Al熔体与Ti 源之间发生化学反应，并且在反应过程中可使石墨粉均匀分散，并充分和熔体接触。同时由于稀土改变了TiAl3形核相的形态和分布，细化了TiA13、TiC的尺寸，增加了TiC形核基底数，从而提高了中间合金的细化能力。

（1）AI-Ti-C的研究进展[1]

早在1949年，Cibula便发现石墨能在Al-Ti二元合金中生成TiC粒子，并建立了碳化理论：钛与铝熔体通常存在的碳反应形成TiC。这种TiC颗粒在铝熔体凝固期间，在钛浓度大大低于包晶成分（0.15%Ti（质量分数，下同））时，能使α-A1成核，导致晶粒细化。但因碳不能润湿铝熔体，使之合金化很困难及当时条件所限制，未能实现A1-Ti-C中间合金的工业化生产。直到1986年，Banerji 等人通过特殊工藝，成功地制造出Al-Ti-C中间合金细化剂。1986年美国KBA 和英国AB等公司进行了新一代A1-Ti-C中间合金的研制。其特点是碳的质量分数很低，诸如英国AB公司的Al-6%Ti-0.02%C等产品。20世纪90年代初KBA 公司所报告的KBX-22合金成分是Al-Ti（3%～6%）-C（0.01%～0.1%）。

1992年，KBA公司发表了Al-Ti中间合金加人第三元素的专利。第三元素包括0.003%～2%C，

0.03%～2%P，0.03%～2%S，0.01%～0.4%B，0.03%～2%N。

1993年，SMC公司开始研制较低Ti∶C比值的Al-Ti-C其要求保留很小的TiC尺寸，低的非金属夹杂，不存在未反应的碳和碳化铝。

1996年，埃及铝业公司Hadia和埃及大学Ghanny及Niazi研制了A1Ti5C1。其同时与A1Ti3.5C0.7和A1Ti3.5C0.5中间合金做了比较，对AlTiC发展进行了评价。指出其可能是铝晶粒细化发展的最新趋势。1997年Hoefs和Green等发表了“改善铝晶粒细化作用的一种A1TiC中间合金的报告”。一个由工业界和学术界组成的联合实验研究机构，包括德柏林大学、英国ISM，荷兰KBM，德国LAW 和德国Hoog overns铝轧板公司等。其研发计划主要是研究出一种有效的A1TiC 中间合金，并且研究其细化机理，评定A1TiC的细化作用与聚集行为以及A1TiC 的最佳碳含量。

（2）细化理论研究

细化剂对铝及铝合金的晶粒细化原理可简单地用一句话概括，即将有效的异质晶核分布于熔体中。目前，解释细化过程的理论很多，相互之间亦有很多矛盾之处。但比较一致的“认识”是：细化剂加入铝液中，当其中的铝基体被溶解后释放出金属间化合物粒子到熔体中，这些粒子随后起成核作用。关于细化剂确切的物理化学特性、与熔体怎样反应、为什么能起作用等，尚未有统一的说法。这是因为：

①细化过程很复杂，既与熔炼条件有关，又与铸造条件有关；

②不可控制的杂质有影响，铝合金中的某些元素的相互作用也有影响，其会增强或减弱晶粒细化效果[2]。

最近有研究[2]指出TiC颗粒的形状对异质形核有很大影响。其认为液体在异质晶核上结晶时，基底界面的曲率对晶胚的形成有强烈影响，即凹曲面的形核效能最高，平面居中，凸曲面的效能最低；若合成的TiC相质点表面积很大，则会降低形核能力。当TiC形成质点团时，其形核能力来自于凹陷处的物理化学作用。

3 结束语

铝合金在交通、化土、机械、电力、电子、仪表、建筑、农业及轻工业等部门中的广泛应用。其对铝合金的组织和性能提出了更高的要求。而熔铸出细小均匀的等轴品组织是获得优良性能的关键所在。晶粒细化成为创新冶金与铝合金新型材料研发的重要手段。

参考文献

[1] 王改田，彭志辉，曾渝.Al-Ti-C铝合金晶粒细化剂的研究进展[J].轻合金加工技术，2001，（05）：7-10.

[2] 杨明，钟毅.铝及铝合金晶粒细化剂的研究[J].有色金属加工，2006，35（01）：3-6.

徐晓光（1980-），男，工程师，主要从事有色金属材料研发及相关的生产管理工作。