摘　要：采用鋁業(yè)協(xié)會制訂的TP-1型標(biāo)準(zhǔn)測試法，對Al-10RE、Al-5Ti-1B、Al-5Ti-1B-10RE等中間合金對A356.2合金的細(xì)化效果進(jìn)行評價，以優(yōu)化鋁合金輪轂制造過程中合金熔體細(xì)化處理工藝。結(jié)果表明， Al-5Ti-1B-10RE中間合金中的RE不僅可以有效抑制晶粒尺寸的衰退，而且在一定程度上改善Ti、B、Sr對A356.2合金顯微組織的細(xì)化和變質(zhì)效果；TP-1型晶粒度檢測法一種簡單、直觀、準(zhǔn)確的中間合金細(xì)化效果在線評價方法。 

關(guān)鍵詞：TP-1型標(biāo)準(zhǔn)測試法　中間合金　鋁合金　細(xì)化處理 

細(xì)化處理不僅可以細(xì)化晶粒，使組織致密，而且可以減輕鑄件的熱裂和偏析傾向，降低氣孔率，從而顯著提高鋁合金鑄件的力學(xué)性能。近年來，隨著晶粒細(xì)化理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多細(xì)化處理方法，其中最有效、最實用的方法是添加中間合金細(xì)化劑。除最常用的Al-Ti-B中間合金外，目前RE元素的變質(zhì)細(xì)化作用逐漸引起研究者和生產(chǎn)廠家的重視。大量實踐證明細(xì)化處理工藝及中間合金的質(zhì)量對細(xì)化效果具有重要影響［1～3］。為了提高A356.2鋁合金汽車輪轂的質(zhì)量，采用 國際鋁業(yè)協(xié)會(Aluminum Association,以下簡稱AA)制訂的TP-1型晶粒度標(biāo)準(zhǔn)測試法，對幾種中間合金的細(xì)化效果進(jìn)行了評價，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了合金熔體的細(xì)化處理工藝。

1　試驗條件和方法 

1.1　TP-1型晶粒度標(biāo)準(zhǔn)測試法簡介 

AA的中間合金分會(Master Alloys Division)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(Technical Committee on Product Standards)于1990年8月17日頒布了經(jīng)過修訂的標(biāo)準(zhǔn)，即TP-1型晶粒度測試標(biāo)準(zhǔn)，并向中間合金制造和應(yīng)用廠商推薦。圖1為TP-1型標(biāo)準(zhǔn)測試法樣杯及典型晶粒度樣品［4］。Boone等 ［4］研究了TP-1型晶粒度標(biāo)準(zhǔn)測試法的精度、再現(xiàn)性和線性度，結(jié)果表明當(dāng)添加中間合金獲得均勻的等軸晶粒時，該方法能夠獲得精確的可再現(xiàn)結(jié)果。目前，TP-1型晶粒度標(biāo)準(zhǔn)測試法已經(jīng)被AA的中間合金制造商和應(yīng)用廠商廣泛采用。 

圖1　鋁業(yè)協(xié)會TP-1型標(biāo)準(zhǔn)樣杯以及晶粒度試樣

1.2　試驗材料和條件 

試驗材料為A356.2合金，熔化采用30號石墨坩堝，在7.5 kW立式電阻爐中進(jìn)行。熔體溫度采用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量，精度±1 ℃。熔體經(jīng)ZnCl2除氣精煉、Al-10%Sr中間合金變質(zhì)處理后，分別采用Al-5Ti-1B、Al-10RE及Al-5Ti-1B-10RE三種中間合金進(jìn)行細(xì)化處理，具體方案見表1。三種中間合金的顯微組織如圖2所示。 

表1　試驗方案中的中間合金及其加入量 

方案ⅠⅡⅢⅣ中間合金0.2%0.2%0.4%0.2%Al-5Ti-1B-10RE及其加入量Al-5Ti-1BAl-5Ti-1B-10REAl-10RE 0.2%Al-10RE

圖2　三種中間合金的顯微組織

TP-1型標(biāo)準(zhǔn)試樣澆注溫度為690 ℃，用晶粒平均直徑評價細(xì)化效果。金相樣品在金屬型力學(xué)性能試樣上截取，經(jīng)電解拋光、腐蝕后在掃描電鏡上觀察分析。 

2　結(jié)果和討論 

2.1　細(xì)化處理工藝對晶粒度的影響 

精煉處理前合金的平均晶粒直徑為3 mm，精煉處理后增大為4 mm。 是由于重熔后精煉處理去掉部分起到異質(zhì)核心作用的夾雜物，從而導(dǎo)致合金晶粒尺寸有所增大。 

圖3為合金經(jīng)不同方案細(xì)化處理后在靜置過程中平均晶粒直徑的變化，結(jié)果說明如下。 

圖3　不同中間合金細(xì)化處理后靜置過程中合金TP-1型試樣的晶粒度

(1) 方案Ⅲ盡管在初期有較明顯的細(xì)化作用，但是隨著靜置時間延 晶粒尺寸急劇增大，靜置4 h后便完全失去細(xì)化作用。 

(2) 方案Ⅱ可以有效地抑制晶粒尺寸的衰退現(xiàn)象，在靜置6 h過程中隨著時間的延長，晶粒尺寸一直在減小。與之相比，方案Ⅰ加入0.2%Al-5Ti-1B在靜置2 h后出現(xiàn)細(xì)化衰退現(xiàn)象，而同時加入0.2%Al-5Ti-1B-10RE和0.2%Al-10RE(方案Ⅳ)的細(xì)化衰退現(xiàn)象更為明顯。 

文獻(xiàn)［2］認(rèn)為Al-Ti-B-RE中間合金中的RE可以有效抑制細(xì)化衰退現(xiàn)象，其原因是加入適量的稀土元素能阻止TiB2發(fā)生聚集、沉淀，從而延緩衰退；此外，稀土元素La、Ce等能降低鋁熔體的表面張力，增加鋁熔體對TiB2顆粒表面的擴(kuò)張系數(shù)，既能充分發(fā)揮TiB2的異質(zhì)形核作用，又能防止TiB2的聚集長大。但是，試驗方案Ⅳ盡管初期具有明顯的細(xì)化效果，但細(xì)化衰退現(xiàn)象比較顯著，表明過量的RE也會干擾細(xì)化效果。其原因可能是一方面過量的RE會促進(jìn)偏聚物的形成，形成夾雜物，從而影響細(xì)化效果；另一方面，Al-10RE中間合金中富RE相尺寸明顯大于Al-5Ti-1B-10RE中的富RE相(如圖2所示)，細(xì)化相的原始狀態(tài)對細(xì)化效果會產(chǎn)生一定影響，超過某一臨界尺寸的富RE相可能不會有細(xì)化作用。 

2.2　RE對顯微組織的影響 

文獻(xiàn)［6］總結(jié)了RE元素對鋁合金顯微組織的影響。加入RE元素可以增加鋁硅合金共晶轉(zhuǎn)變的過冷度，從而使二次枝晶臂減?。豢梢越档腿垠w的表面張力，增加合金凝固時的過冷，從而使枝晶細(xì)化；稀土含量只有大于某一臨界值(在鋁硅合金中約為0.1%～0.15%)后才會在細(xì)化晶粒的同時細(xì)化枝晶組織，若含量小于臨界值，盡管可以顯著減小晶粒尺寸，卻粗化枝晶組織，并且形成的粗大共晶相在后續(xù)熱處理過程中也難以消除；RE元素可使鋁硅合金的共晶硅相由片條狀變成球粒狀，并且稀土變質(zhì)劑具有很好的長效性和重熔穩(wěn)定性。但是，RE元素對Ti、B的細(xì)化作用和Sr的變質(zhì)作用的影響方面的研究較少。 

試驗比較了采用方案Ⅰ、Ⅱ獲得的合金顯微組織如圖4和圖5所示。 

 圖4　Al-5Ti-1B細(xì)化處理后分別靜置10 min和6 h合金的顯微組織

圖5　Al-5Ti-1B-10RE細(xì)化處理后分別靜置10 min和6 h合金的顯微組織

(1) 經(jīng)方案Ⅱ處理的合金在靜置過程中晶粒尺寸減小(如圖3所示)的同時伴隨著顯微組織的粗化，即隨著靜置時間的延長初生α-Al的枝晶形態(tài)明顯退化，共晶硅尺寸增大；與方案Ⅰ相比，在靜置過程中二次枝晶臂間距略細(xì)小。 

(2) Al-5Ti-1B-10RE中間合金中的RE對共晶硅相的形態(tài)也有所影響。與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ處理后靜置10 min時共晶硅形態(tài)由僅用Sr變質(zhì)時的粒狀變?yōu)榧?xì)小蠕蟲狀，靜置6 h后共晶硅形態(tài)比未加RE的大塊層片狀也有所改善。 

3　結(jié)　論 

(1) Al-5Ti-1B-10RE中間合金可有效抑制鋁硅合金長時間靜置過程中晶粒尺寸的衰退，適合于大批量汽車鋁合金鑄件的生產(chǎn)。 

(2) 在試驗條件下，Al-5Ti-1B-10RE細(xì)化處理后在靜置過程中A356.2合金晶粒尺寸減小的同時伴隨著顯微組織的粗化；Al-5Ti-1B-10RE中間合金中的RE對Ti、B的細(xì)化作用和Sr的變質(zhì)作用均有一定的促進(jìn)作用。 

(3) TP-1型檢測法操用簡單，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，是一種中間合金細(xì)化效果在線檢測的有效方法。 

作者簡介：李雙壽,男,1968年出生,博士,清華大學(xué)機(jī)械系鑄造教研室,北京(100084) 

作者單位：李雙壽(清華大學(xué)) 

朱躍峰(清華大學(xué)) 

曾大本(清華大學(xué)) 

王曉強(qiáng)(清華大學(xué)) 

吳群虎(戴卡輪轂制造有限公司) 

李慶榮(戴卡輪轂制造有限公司) 

考文獻(xiàn)： 

［1］劉相法，邊秀房，李輝等.AlTiB中間合金細(xì)化效果的組織遺傳效應(yīng).金屬學(xué)報，1996(2)：149～151 

［2］黃良余.鋁及其合金的晶粒細(xì)化處理簡述.特種鑄造及有色合金，1997(3)：41～43 

［3］顧景誠，孫興信.原料組織遺傳性對鋁及鋁合金顯微組織的影響.輕合金加工技術(shù)，1995(4):32～35 

［4］Boone GW,Wilson BH,Carver RF et al.Precision and Reproducibility of the Aluminum Association Standard Test Procedure for Aluminum alloy Grain Refiners.Light Metals,1991:1 086～1 090 

［5］Roger AP.Recent Developments in Grain Refining Technology & Standardization.Light Metal Age,1997(6):66～70 

［6］孫偉成，張淑榮，候愛芹.稀土在鋁合金中的行為.北京：兵器工業(yè)出版社.1992.