【材料学堂】变形铝合金铸态组织的晶粒细化方法

  铝及其铝合金具有高比强度、高耐蚀性、高电导率、良好的抗疲劳性能和成型性能等特点，在航空、航天、交通运输、食品包装、电工电子、电气仪表、工业建筑等领域应用广泛。随着铝合金在高新技术领域的应用日益增多，对铝合金的组织和性能的要求也慢慢变得高，如何获得最佳的铸态组织是控制变形组织及其性能的基础，也是关键步骤之一。晶粒尺寸和形态是铸态组织的重要特征，细小均匀的等轴晶是人们所希望看到的，想要获得这种组织，采取必要的晶粒细化手段必不可少。本文将针对铝合金工业生产里常用的晶粒细化方法作简要介绍。

  工业生产中，为了细化铸态组织晶粒，采用的方法主要有内生质点法和外生质点法。其中，前者包括快速凝固法和动力学方法，后者主要是变质处理。1.1 快速凝固法

  快速凝固法是利用高的冷却速率来获得细小的晶粒组织。通常情况下，晶粒尺寸随冷却速度的增加而减小。同时，快冷还能减小枝晶间距获得更加均匀的晶粒内部组织，对后续的加工变形产生积极的影响。快速凝固法在变形铝合金传统铸造方法上

  （如半连续铸造）应用不多，但是将快冷技术与粉末冶金工艺结合，可以制得晶粒细小、成分均匀的大尺寸高合金化铸锭，喷射成型工艺是其中典型的代表，目前已经用来生产部分7×××牌号的铝合金铸锭。

  1.2 动力学法动力学方法是指利用各种各样的振动方式使金属熔体在凝固过程中增加形核质点，尽可能多的形成晶核进而达到细化晶粒的目的。振动方式最重要的包含机械搅拌、机械振动、电磁搅拌、声波和超声波振动等。（1）机械搅拌和振动。通过使铝合金熔体在凝固过程中受到机械搅拌和振动作用，形成三维空间流动，复杂的传热、传质等物理化学作用改变了熔体的结构与能量起伏，使熔体成分趋于均匀，并为结晶过程的形核与长大创造有利的热力学和动力学条件。此外，搅拌和振动也促进了合金枝晶臂的断裂，枝晶碎片进入熔体可成为新晶粒形核的优先位置，形核位置的增加意味着更多的非均匀形核有几率发生，因而对于细化晶粒作用显著。机械搅拌和振动在工业生产里大范围的应用，是熔铸生产的重要环节。

  （2）电磁搅拌。将电磁搅拌应用于铝合金的铸造中，金属熔体在电磁场的作用下有规律流动，使各部分的熔体成分和温度趋于均匀。随着熔体流动速度的提高，柱状晶粒在长度和宽度上尺寸变小，初始形成的枝晶在搅动下被破碎并作为新的形核中心，使形核数目显著增加；同时这种强烈的对流加速了内部熔体的降温过程，降低了温度梯度，有利于获得细小均匀的等轴晶组织。电磁搅拌与机械搅拌相比，二者的目的和作用是相同的，不同之处在于前者是利用电磁感应产生的电磁力推动金属有规律的流动而后者是靠搅拌车或机械手等机械力实现的，二者在工程上均已获得应用。（3）超声波振动。超声波是一种高频声波，在液体中传播时液体分子受到周期变声场的作用而产生声空化和声流效应。它们会引起熔体中流动场、压力场和温度场发生明显的变化，在局部产生高温度高压力效应。液体发生振动使枝晶臂从凝固前沿脱落并在熔体中作为异质形核核心，且超声波对熔体的分散作用使质点分布更加均匀。此外，超声波冶金可以去气除渣，是一项熔体净化技术。1.3 变质处理变质处理即向金属中添加少量活性物质，促进液体金属内部形核或改变晶体成长过程的一种方法，生产中常用的变质剂有形核变质剂和吸附变质剂。（1）形核变质剂。形核变质剂的作用机理是向熔体中加入能够产生非自发形核的物质，使其在凝固过程中通过异质形核而达到细化晶粒的目的，形核变质剂是工程中常用的一种变质剂，也叫晶粒细化剂。通常意义上讲，要求所加入的晶粒细化剂在与铝熔体反应生成的化合物具备以下特点，比如晶体结构和晶格常数与铝熔体相适应，化合物的熔点高热稳定性高，在铝熔体中分散度好能均匀分布在熔体中，此外不能污染铝熔体。工业生产里常用的晶粒细化剂有Al-Ti-B（如图2所示）和Al-Ti-C两种，前者是目前国内公认的最有效的细化剂，如果添加少量的稀土元素其细化效果更加明显。

  （2）吸附变质剂。吸附变质剂的特点是熔点低，能明显降低合金的液相线温度，原子半径大，在合金中固溶度小，在晶体生长时富集在液相界面上，阻碍晶体长大，又能形成较大的成分过冷，使枝晶形成细的缩颈而易于熔断，促进晶体的游离和晶核的增加。其缺点是由于存在于枝晶和晶界间，常引起热脆性。目前，工业上常用的此类变质剂有含钠变质剂和含锶变质剂。

  快速凝固方法对大的铸件来说是很难利用的，特别是对于半连续铸造，冷却速度的选择第一步是要确保铸锭成型，参数一旦选定不可随意更改。动力学方法虽然有很好的细化效果，但仅凭这点不足以获得细小均匀的铸态组织，此外电磁搅拌设备精密复杂不便于维修维护。随着工业界对铝及铝合金加工产品板、带、箔、管、型材及铸件生产的全部过程认识的深化，明确了在铝熔体中添加晶粒细化剂进行细化是目前最实用最有效的晶粒细化方法，具有晶粒细化效果好、作用快、操作便捷、适应能力强等优点。

  特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

  骤降近10℃！上海人郁闷：15天下了10天雨，啥时能停？好消息和坏消息都来了→

  广东120:100广厦，赛后评分，徐杰周琦10分，三人9分，两人不及格

  雷军回应小米SU7亏损情况：在巨亏的行业里不要谈性价比，纯电轿车基本都在亏损【附小汽车产业链分析】

  Nothing发布升级版The Ear 和 Ear (a) 耳塞 只需轻轻一捏就能进行GPT聊天

  Nothing Ear /（a）无线耳机发布：透明外壳设计，售价 99 美元起

  斐耳 FIIL GS 开放式无线蓝牙耳机开启预售：LDAC 协议，429 元