基本介紹
- 中文名：晶粒細化
- 控制過冷度：過冷度越大，晶粒越細小
- 動態晶粒細化：對凝固的金屬進行振動和攪動
- 變質處理：向金屬液中添加少量活性物質
概念,控制過冷度,動態晶粒細化,變質處理,形核變質劑,吸附變質劑,
概念
理想的鑄錠組織是鑄錠整個截面上具有均勻、細小的等軸晶，這是因為等軸晶各向異性小，加工時變形均勻、性能優異、塑性好，利於鑄造及隨後的塑性加工。要得到這種組織，通常需要對熔體進行細化處理。凡是能促進形核、抑制晶粒長大的處理，都能細化晶粒。鋁工業生產中常用以下幾種方法。
形核率和長大速度
控制過冷度
但是，如果沒有較多的游離晶粒的存在，增加激冷作用反而不利於細晶粒區的形成和擴大。
動態晶粒細化
動態晶粒細化就是對凝固的金屬進行振動和攪動，一方面依靠從外面輸入能量促使晶核提前形成，另一方面使成長中的枝晶破碎，增加晶核數目。當前已採取的方法有機械攪拌、電磁攪拌、音頻振動及超音波振動等。利用機械或電磁感應法攪動液穴中熔體，增加了熔體與冷凝殼的熱交換，液穴中熔體溫度降低，過冷帶增大，破碎了結晶前沿的骨架，出現了大量可作為結晶核的枝晶碎塊，從而使晶粒細化。
變質處理
形核變質劑
對形核變質劑的要求
形核變質劑的種類
表1 鋁熔體中常用細化質點特徵 | ||
名稱 | 密度/g/cm3 | 熔點/℃ |
TiAl3 | 3.11 | 1337 |
TiB2 | 3.2 | 2920 |
TiC | 3.4 | 3147 |
Al-Ti-B是目前國內公認的最有效的細化劑之一。Al-Ti-B與Re、Sr等元素共同作用，其細化效果更佳。
由於Al-Ti-B存在以上不足，於是人們尋求更為有效的變質劑。不少廠家正致力於Al-Ti-C變質劑的研究。
變質劑的加入方式
1. 以化合物形式加入，如K2TiF6、KBF4、KZrF6、TiCl4、BCl3等。經過化學反應，被置換出來的Ti、Zr、B等，再重新化合而形成非自發晶核。這些方法雖然簡單，但效果不理想。反應中生成的浮渣影響熔體質量，同時再次生成的TiCl3、KB2、ZrAl3等質點易聚集，影響細化效果。
2. 以中間合金形式加入。當前工業用細化劑大多以中間合金形式加入，如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-Sr、Al-Ti-B-RE等。中間合金做成塊狀或線狀。
影響細化效果的因素
1. 細化劑的種類。細化劑不同，細化效果也不同。實踐證明，Al-Ti-B比Al-Ti更為有效。
2. 細化劑的用量。一般來說，細化劑加入越多，細化效果越好。但細化劑加入過多易使熔體中金屬間化合物增多並聚集，影響熔體質量。因此在滿足晶粒度的前提下，雜質元素加入的越少越好。從包晶反應的觀點出發，為了細化晶粒，Ti的添加量應大於0.15%，但在實際變形鋁合金中，其他組元（如Fe）以及自然夾雜物（如Al2O3）亦參與了形成晶核的作用，一般只加入0.01%-0.06%便足夠了。
熔體中B含量與Ti含量有關。要求B與Ti形成TiB2後熔體中有過剩Ti存在。
在使用Al-Ti-B作為晶粒細化劑時，500個TiB2粒子中有一個使α-Al成核，TiC的形核率是TiB2的100倍，因此一般將加入TiC質點數量定為TiB2質點數量的50%以下，粒子越少，每個粒子的形核機會就越高，同時也防止粒子碰撞、聚集和沉澱。此外，TiC質量分數0.001%-0.01%，晶粒細化就相當有效。
3. 細化劑質量。細化質點的尺寸、形狀和分布是影響細化效果的重要因素。質點尺寸小，比表面積小（以點狀、球狀最佳），在熔體中彌散分布，則細化效果好。以TiAl3為例，塊狀TiAl3比針狀TiAl3細化效果好，這是因為塊狀TiAl3有三個面面向熔體，形核率高。
4. 細化劑添加時機。TiAl3質點在加入熔體後10min效果最好，40min後細化效果衰退。TiB2質點的聚集傾向隨時間的延長而加大，TiC質點隨時間延長易分解。因此，細化劑最好在鑄造前線上加入。
5. 細化劑加入時熔體溫度。隨著溫度的提高，TiAl3逐漸溶解，細化效果降低。
吸附變質劑
吸附變質劑的特點是熔點低，能顯著降低合金的液相線溫度，原子半徑大，在合金中固溶量小，在晶體生長時富集在相界面上，阻礙晶體長大，又能形成較大的成分過冷，使晶體分枝形成細的縮頸而易於熔斷，促進晶體的游離和晶核的增加。其缺點是由於存在於枝晶和晶界間，常引起熱脆。吸附性變質劑常有以下幾種。
含鈉的變質劑
鈉是變質共晶矽最有效的變質劑，生產中可以鈉鹽或純金屬形式加入（但以純金屬形式加入時可能分布不均，生產中很少採用）。鈉混合鹽組成為NaF、NaCl、Na3AlF6等，變質過程中只有NaF起作用，其反應如下：
6NaF+Al→Na3AlF6+3Na
加入混合鹽的目的，一方面是降低混合物的熔點（NaF熔點992℃），提高變質速度和效果，另一方面對熔體中鈉進行熔劑化保護，防止鈉的燒損。熔體中鈉質量分數一般控制在0.01%-0.014%，考慮到實際生產條件下不是所有的NaF都參與反應，因此計算時鈉的質量分數可適當提高，但一般不應超過0.02%。
使用鈉鹽變質時，存在以下缺點：鈉含量不易控制，量少易出現變質不足，量多可能出現過變質（惡化合金性能，夾雜傾向大，嚴重時惡化鑄錠組織）；鈉變質有效時間短，要加保護性措施（如合金化保護、熔劑保護等）；變質後爐內殘餘鈉對隨後生產合金的影響很大，造成熔體黏度大，增加合金的裂紋和拉裂傾向，尤其對高鎂合金的鈉脆影響更大；NaF有毒，影響操作者健康。
含鍶變質劑
含鍶變質劑有鍶鹽和中間合金兩種。鍶鹽的變質效果受熔體溫度和鑄造時間影響大，套用很少。目前國內套用較多的是Al-Sr中間合金。與鈉鹽變質劑相比，鍶變質劑無毒，具有長效性，它不僅細化初晶矽，還有細化共晶矽團的作用，對爐子污染小。但使用含鍶變質劑時，鍶燒損大，要加含鍶鹽類熔劑保護，同時合金加入鍶後吸氣傾向增加，易造成最終製品氣孔缺陷。
鍶的加入量受下面各因素影響很大：熔劑化保護程度好，鍶燒損小，鍶的加入量少；鑄件規格小，鍶的加入量少；鑄造時間短，鍶燒損小，加入量少；冷卻速度大，鍶的加入量少。生產中鍶的加入量應由試驗確定。
其他變質劑
鋇對共晶矽具有良好的變質作用，且變質工藝簡單、成本低，但對厚壁件變質效果不好。
最近的研究發現，不只晶粒度影響鑄錠的質量和力學性能，枝晶的細化程度及枝晶間的疏鬆、偏析、夾雜對鑄錠質量也有很大影響。枝晶的細化程度主要取決於凝固前沿的過冷，這種過冷與鑄造結晶速度有關。靠近結晶前沿區域的過冷度越大，結晶前沿越窄，晶粒內部結構就越小。在結晶速度相同的情況下，枝晶細化程度可採用吸附性變質劑加以改變，形核變質劑對晶粒內部結構沒有直接影響。
金屬 | 變質劑一般用量/% | 加入方式 | 效果 | 附註 |
1系合金 | 0.01-0.05Ti | Al-Ti合金 | 好 | |
0.01-0.03Ti+0.003-0.01B | Al-Ti-B合金或K2TiF6+KBF4 | |||
3系合金 | 0.45-0.6Fe | Al-Fe合金 | 較好 | 晶核（FeMn）4Al6 |
0.01-0.05Ti | Al-Ti合金 | 晶核TiAl3 | ||
含Fe、Ni、Cr的鋁合金 | 0.2-0.5Mg | 純鎂 | 細化金屬化合物初晶 | |
0.01-0.05Na或Li | Na或NaF、LiF | |||
5系合金 | 0.01-0.05Zr或Mn、Cr | Al-Zr合金或鋯鹽、Al-Mn、Cr合金 | 好 | 晶核ZrAl3，用於高鎂合金 |
0.1-0.2Ti+0.02Be | Al-Ti-Be合金 | 晶核TiAl3或TiAlx，用於高鎂合金 | ||
0.1-0.2Ti+0.15C | Al-Ti合金或碳粉 | 晶核TiAl3或TiAlx、TiC，用於各種Al-Mg系合金 | ||
需變質的4系合金 | 0.005-0.01Na | 純鈉或鈉鹽 | 好 | |
0.01-0.05P | 磷粉或P-Cu合金 | 晶核Cu2P，細化初晶矽 | ||
0.1-0.5Sr或Te、Sb | 鍶鹽或純碲、銻 | 較好 | Sr、Te、Sb阻礙晶體長大 | |
6系合金 | 0.15-0.2Ti | Al-Ti合金 | 好 | 晶核TiAl3或TiAlx |
0.1-0.2Ti+0.02B | Al-Ti、Al-B合金或Al-Ti-B合金 | 晶核TiAl3或TiB2、（Al，Ti）B2 |
