ZL101铝硅合金中钛硼细化剂添加比例的影响

ZL101A和ZL201等是铸造铝合金中经常添加的含钛细化剂，当其加入到铝熔体后，细化剂中的三铝化钛、二硼化铝和二硼化钛弥散在铝熔体中，通过这些金属化合物影响 α-Al形核和生长，从而实现细化晶粒[1—3]。晶粒细化可以给铝合金铸件带来一系列的好处，如改善机械性能、改善凝固时的补缩能力、提高铸件致密度、减少铸造疏松和裂纹、改善内部冶金质量等[4—5]。添加比例对铝硅合金细化效果的影响以及性价比最高的目标添加比例需要进一步研究。

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文中设计了一组实验，目的是比较不同钛硼细化剂添加比例对硬度、强度、伸长率及晶粒度的影响，从而得出 ZL101铝硅合金中钛硼细化剂的最优添加比例，以指导实际生产过程。

1 实验

1.1 实验设计

力学性能测试：分别取钛硼细化剂质量分数为0%, 0.09%, 0.3%的ZL101铝液，精炼合格后，经过相同铸造机压铸成种类A零件，每种比例各13件样品，X射线检测合格后进行热处理，在同一位置进行锯切和车削，制成拉伸试棒，在拉伸试验机进行室温拉伸测试，并由布氏硬度计压点测试硬度。

显微组织测试：按照钛硼细化剂添加质量分数分别为 0.01%, 0.03%, 0.06%, 0.09%, 0.15%, 0.22%，0.30%配制精炼ZL101铝液，将其分别压铸成7种添加比例的种类A零件共7件。将此7件样品从同一位置锯切样块粗磨、细磨和抛光后，在金相显微镜下30倍数测量显微组织的晶粒尺寸。

1.2 性能测试方法

传统腕管切开减压术(open carpal tunnel release,OCTR)需要切开长约6cm～8cm切口，切断或切除部分腕横韧带从而解除正中神经的压迫。由于切口较长，手术损伤较大，导致很多患者很难马上接受切开减压术。随着腕关节镜技术的不断发展，关节镜下切开减压松解术(endoscopic carpal tunnel release，ECTR)具有切口小、创伤小、恢复快等优点因而在临床上逐渐得到了应用[5-6]。ECTR的发展使CTS患者更加容易接受早期治疗，从而达到腕管早期减压的目的。

零件种类 A的晶粒尺寸随钛硼添加比例的变化见图2，其晶粒度合格标准为600 µm。可以看出，从晶粒尺寸临界合格降到400 µm左右。当钛硼细化剂质量分数小于 0.1%时，晶粒细化效果明显，但超过此阈值后，其对晶粒尺寸的影响逐步减小。

综上所述，钛硼细化剂的质量分数为 0.09%与0.3%时，对机械性能效果基本相同，优于0添加比例。

2 结果与分析

2.1 力学性能

此零件材料的伸长率下限要求为 6%，三者均合格，但质量分数为0.09%与0.3%时，硬度明显好于未添加。硬度的下限要求为80HB，无论哪个添加比例都远高于要求。

采用 DIN 50125标准，将试棒制备成直径为8 mm、标距为40 mm的规格，按照GB/T 228.1[6]测试屈服强度、抗拉强度和伸长率。在指定位置打磨后，按照GB/T 232.1[7]进行硬度测试。晶粒尺寸检测是将磨抛到位的金相样品用氯化铜溶液腐蚀，再用氢氟酸和硝酸混合液清洗干燥后，将样品按照GB/T 6394[8]进行抓图和分析。

钛硼细化剂的质量分数分别为0%, 0.09%, 0.3%时，种类 A样品测试的屈服强度、抗拉强度结果见图 1a，伸长率、硬度测试结果见图 1b，显示的数字为各组平均值。此零件材料的屈服强度下限要求为210 MPa，三者均远高于要求，质量分数为0.09%与0.3%时测得的屈服和抗拉强度略微好于0添加比例。

1.幸福指数呈现提升态势。近年来，企业各项生产经营指标持续向好，员工收入水平大幅提高，员工工作热情进一步提高；企业文化的发展与繁荣，使得员工群众荣誉感、自豪感空前高涨；基层硬件设施建设的逐步完善，日常工作环境的明显改善，基层文化建设的逐步深入等因素，使得员工的物质生活与精神生活得到了双向满足，员工的幸福指数持续提升。而随着“十八大”的召开，各项惠民新举措不断实施，让员工的生活进一步改善，员工幸福感再度提升。

  

图1 种类A不同力学性能的箱线图Fig.1 Box-plot for mechanical properties of type A

2.2 显微组织

1.多媒体应用到高职韩国语教学是新时代的要求。当今是高度信息化的时代，高职韩国语师生只有不断学习，扩大知识面，更新知识观念，才能够紧紧跟上时代的步伐，而传统的授课方式已经很难满足这些要求。为了使学生更快速、全面地接受前沿的韩国语知识，需要大胆突破原有的课堂教学模式，寻求更优化的教学方式，多媒体教学能有效满足这种需求。

  

图2 晶粒尺寸VS钛硼细化剂添加比例散点图Fig.2 Scatter plot of grain size VS Ti refiner adding ratio

零件A不同添加比例的晶粒组织照片见图3。随着质量分数从0.01%增加到0.09%，晶粒尺寸有明显细化。随着添加比例继续增加，晶粒尺寸的变化不明显。越细小的显微组织尺寸，能得到更优的机械性能结果，此点可以由2.1章节中数据结果进行验证。钛硼细化剂质量分数为 0.09%与 0.3%的相似机械性能结果也与晶粒尺寸结果吻合。

3 讨论及建议

结合本次实验结果来看，质量分数在 0.1%以下时，钛硼添加剂对 ZL101铝硅合金的晶粒尺寸确实有明显的细化效果，从而表现出强度的提升，伸长率得益于细小的晶粒尺寸最多。如果添加比例太低会导致晶粒细化不足，从而影响零件的抵抗塑性变形的能力，但过量添加又会造成成本的浪费。

在实验过程中，发现晶粒尺寸较大会导致 X射线检测的少量误判，这主要是因为晶粒尺寸越大，尤其是大于550 µm时，晶界的散射效应越明显，造成在大晶粒区灰度对比不同。对于利用灰度比对自动判断缺陷而灵敏度又极高的 X射线检测设备，会有少量大晶粒零件会误判为缺陷。

  

图3 钛硼细化剂质量分数不同时零件种类A在的晶粒组织Fig.3 Grain structure of Type A parts of different titanium boron refiner adding ratio

4 结论

1)对于ZL101铝硅合金，钛硼添加剂合适的质量分数为0.1%～0.15%左右。

2)晶粒度对 ZL101铝硅合金伸长率的影响最大，对强度的影响不明显，对硬度无影响。

参考文献：

[1]汤皓元. 铝钛硼晶粒细化机理[J]. 材料导报, 2012,26(19): 133—136.TANG Hao-yuan. Al-Ti-B Grain Size Refining Principle[J].Material Review, 2012, 26(19): 133—136.

[2]陈亚军. 铝钛硼稀土中间合金的微观组织及其细化纯铝机制研究[J]. 中国稀土学报, 2007, 25(5): 597—601.CHEN Ya-jun. Al-Ti-B Tombarthite Alloy Microstructure and Refining Principle[J]. Chinese Tombarthite Journal,2007, 25(5): 597—601.

[3]傅其蔼. 铸造铝合金的晶粒细化与钛硼添加剂[J]. 洪都科技, 1998(4): 44—49.FU Qi-ai. Casting Aluminum Grain Size Refining and Ti-B Additive[J]. Hongdu Technology, 1998(4): 44—49.

[4]傅其蔼. 钛硼添加剂在铝合金整体结构车轮中的应用[J].洪都科技, 1995(4): 14—18.FU Qi-ai. Ti-B Additive’ Application on Aluminum Wheel[J].Hongdu Technology, 1995(4): 14—18.

[5]冯小键. 钛硼添加剂在铝合金铸造中的应用[J]. 特种铸造与有色合金, 1991, 11(4): 47.FENG Xiao-jian. Ti-B Additive Application of Aluminum Cast[J]. Special Cast and Nonferrous Alloy, 1991, 11(4):47.

[6]GB/T 228.1—2010, 金属材料拉伸实验第 1部分: 室温试验方法[S].GB/T 228.1—2010, Metallic Material Tensile Test Part 1:Room Temperature Test Method[S].

[7]GB/T 232.1—2002, 金属布氏硬度试验第 1部分: 试验方法[S].GB/T 232.1—2002, Metallic Material Brinell Hardness Test Part 1: Test Method[S].

[8]GB/T 6394—2002, 金属平均晶粒度测定方法[S].GB/T 6394—2002, Metal Average Grain Size Test Method[S].