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钛对AlSi7Mg0.3合金力学性能的影响
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 王汝耀 鲁薇华< 点击:
摘要研究了钛对AlSi7Mg0.3合金金相组织和力学性能的影响。钛量超过0.12%，铝合金晶粒不再细化，而冲击韧度和伸长率急剧下降，抗拉强度缓慢上升，硬度变化甚微。力学性能如此变化可能是出现针状钛相造成的。AlSi7Mg0.3合金最佳钛量应在0.08%～0.10%范围内。此时，铁含量接近0.18%，合金仍保持较高的冲击韧度和塑性。
关键词：AlSi7Mg0.3合金最佳钛量力学性能细化作用
高强、高韧度AlSi7Mg0.3合金广泛用来制造航天、航空、汽车和交通运输等行业的复杂承载零件。
50年代以来，为进一步改善合金力学性能，普遍添加铝钛或铝钛硼中间合金细化铝晶粒[1，2]。例如，美国ASTM标准中规定钛含量范围在0.04%～0.20%。我国也规定钛量应在0.08%～0.20%。但生产提供的经验表明钛量在0.02%～0.15%范围内皆有令人满意的晶粒细化效果[3，4]。截至目前，对钛的细化作用的研究多集中在Al-Cu单相合金，涉及Al-Si合金的不多[3]。因之，本文目的在于明确钛对AlSi7Mg0.3合金的细化作用和对力学性能的影响，并探讨最佳钛量范围。
1试验方法
在汽车轮毂厂生产条件下用500 kg电阻炉熔配AlSi7Mg0.3合金。在690～710 ℃用氮气去气，并用AlSr10合金进行变质处理，静置10 min后浇注轮毂及Y型试块(20 mm×80 mm×220 mm)。金属模温控制在250 ℃左右。钛量和铁量根据试验方案用Al-Ti合金和不同级别的铝锭进行调整。表1列举试验合金的成分范围。
2结果与分析
2.1力学性能
图1给出钛量对不同铁量的AlSi7Mg0.3合金抗拉强度、伸长率和冲击韧度的影响。一旦钛量超过0.12%，合金伸长率和冲击韧度开始下降，增至0.20%时，伸长率和冲击韧度分别下降20%和30%，抗拉强度微弱提升5%左右，而硬度没有明显变化。可见，钛量不宜超过0.12%，即接近ASTM和我国铝合金规范的下限。
2.2金相组织
图2对比不同钛量AlSi7Mg0.3合金金相组织。钛量由0.08%提高到0.21%，未观察到铝枝晶形貌和尺寸出现明显变化。粒状硅相尺寸和分布也未受到影响。钛量超过0.12%以后，经常在α-Al枝晶内部发现呈淡红色和或块状钛相，如图中箭头1和2所示。钛的这种作用与文献[3，5]报道相同，钛量增至0.10%以上，铝晶粒尺寸不再减小。
通常认为钛的细化晶粒作用是铝与TiAl3之间包晶反应引起的。这些早期研究[1，2]仅限于Al-Si二元系，因之，引出如下看法：只有钛超过0.15%，才可以进行包晶反应，TiAl3才可充当铝晶核细化晶粒。这一临界值与生产实践(0.02%～0.15%)不符合，也不为本工作所证实。这种差别与合金成分有关。1987年Mondolfo更详细的研究[6]证实Fe，Mn，Zn，Mg，Cu等依次降低Al-Ti包晶反应温度和钛在铝液的溶解度。Mg和Cu最强，可使钛的溶解度降至0.08%以下。如有硼存在，钛溶解度降至0.03%。故钛的临界值下降到0.10%以下。今所用AlSi7Mg0.3合金含有Si和Mg，其对钛溶解度的联合作用又如何，有待研究。从生产统计结果看，钛量小于0.08%，即可显示晶粒细化效果。至于为什么钛量大于0.12%，细化作用不再增加，可做如下探讨。
作者曾用JCXA-733波谱仪测得AlSi12CuMg合金基体含钛量大约在0.12%～0.16%范围之内，平均为0.14%，与文献[6]公布的数值相近。倘若钛量超过此值，钛将以针状或块状AlSiTi金属间化合物形式出现，如图2b中箭头所示。
钛量在0.08%～0.10%之间，由于晶粒得到充分细化，合金冲击度性和塑性随之提高[4～6]。相反，钛量超过0.12%，晶粒细化作用逐步停止，并且析出了针状或块状金属间化合物，这就降低了合金的冲击韧度和塑性，并使强度的增加逐渐减弱。因之，钛含量以0.08%～0.10%为最佳值，可保证合金具有最大的韧性和塑性。
许多工厂为保证合金具有足够的韧性和塑性往往着重降低铁含量，忽视了钛作用的两重性，经常采用低铁高钛的办法，这就给生产操作和管理带来许多不便，还提高了生产成本。相反，降低钛量至0.08%～0.10%，即使铁量接近0.18%，合金冲击韧度也可达到40 J/cm2，伸长率保持在12%，强度也很高，还降低了成本，方便了现场工艺和管理。
4结论
AlSi7Mg0.3合金含钛量最佳范围为0.08%～0.10%。过高将使合金韧性和塑性急剧下降。
作者单位：中国纺织大学
参考文献
[1]Mondolfo L F. Aluminium Alloy: Structure and Properties. London. Butterworths. pp385.1976.
[2]Mondolfo L F. Grain Refinement in the Casting of Non-Ferrous Alloys. Grain Refinement in Castings and Welds. Metallurgical Society of AIME 1983，3～50
[3]Sigworth G K and Guzowski M M. Grain Refining of Hypoeutectic Al-Si Alloys. AFS Trans. 1985(93)907～912
[4]Gruzleski J E and Closset B M. The Treatment of Liquid Aluminium-Silicon Alloys. AFS Inc.1990，133～137
[5]Robert M H， Cupini N L. Aluminium Grain Refinement by Nb， Zr and Ti Additions and Their Role in Mechanical and Electrical Properties. Preprint of Solidification Processing. Sheffiel. U K. 1987 124～126
[6]Mondolfo L F. Grain Refinement of Aluminium Alloy by Titanium and Boron Preprint of Solidification Processing， Sheffiedl U K. 1987 104～106(end)
关键词：AlSi7Mg0.3合金最佳钛量力学性能细化作用
高强、高韧度AlSi7Mg0.3合金广泛用来制造航天、航空、汽车和交通运输等行业的复杂承载零件。
50年代以来，为进一步改善合金力学性能，普遍添加铝钛或铝钛硼中间合金细化铝晶粒[1，2]。例如，美国ASTM标准中规定钛含量范围在0.04%～0.20%。我国也规定钛量应在0.08%～0.20%。但生产提供的经验表明钛量在0.02%～0.15%范围内皆有令人满意的晶粒细化效果[3，4]。截至目前，对钛的细化作用的研究多集中在Al-Cu单相合金，涉及Al-Si合金的不多[3]。因之，本文目的在于明确钛对AlSi7Mg0.3合金的细化作用和对力学性能的影响，并探讨最佳钛量范围。
1试验方法
在汽车轮毂厂生产条件下用500 kg电阻炉熔配AlSi7Mg0.3合金。在690～710 ℃用氮气去气，并用AlSr10合金进行变质处理，静置10 min后浇注轮毂及Y型试块(20 mm×80 mm×220 mm)。金属模温控制在250 ℃左右。钛量和铁量根据试验方案用Al-Ti合金和不同级别的铝锭进行调整。表1列举试验合金的成分范围。
表1试验用AlSi7Mg0.3合金成分(质量分数/%)
2结果与分析
2.1力学性能
图1给出钛量对不同铁量的AlSi7Mg0.3合金抗拉强度、伸长率和冲击韧度的影响。一旦钛量超过0.12%，合金伸长率和冲击韧度开始下降，增至0.20%时，伸长率和冲击韧度分别下降20%和30%，抗拉强度微弱提升5%左右，而硬度没有明显变化。可见，钛量不宜超过0.12%，即接近ASTM和我国铝合金规范的下限。
图1钛量与AlSi7Mg0.3合金力学性能的关系
2.2金相组织
图2对比不同钛量AlSi7Mg0.3合金金相组织。钛量由0.08%提高到0.21%，未观察到铝枝晶形貌和尺寸出现明显变化。粒状硅相尺寸和分布也未受到影响。钛量超过0.12%以后，经常在α-Al枝晶内部发现呈淡红色和或块状钛相，如图中箭头1和2所示。钛的这种作用与文献[3，5]报道相同，钛量增至0.10%以上，铝晶粒尺寸不再减小。
a. 0.08%Ti～0.18%Feb. 0.21%Ti～0.18%Fe
图2不同钛量的AlSi7Mg0.3合金金相组织(热处理态)×100箭头1—针状钛相；箭头2—块状钛相
通常认为钛的细化晶粒作用是铝与TiAl3之间包晶反应引起的。这些早期研究[1，2]仅限于Al-Si二元系，因之，引出如下看法：只有钛超过0.15%，才可以进行包晶反应，TiAl3才可充当铝晶核细化晶粒。这一临界值与生产实践(0.02%～0.15%)不符合，也不为本工作所证实。这种差别与合金成分有关。1987年Mondolfo更详细的研究[6]证实Fe，Mn，Zn，Mg，Cu等依次降低Al-Ti包晶反应温度和钛在铝液的溶解度。Mg和Cu最强，可使钛的溶解度降至0.08%以下。如有硼存在，钛溶解度降至0.03%。故钛的临界值下降到0.10%以下。今所用AlSi7Mg0.3合金含有Si和Mg，其对钛溶解度的联合作用又如何，有待研究。从生产统计结果看，钛量小于0.08%，即可显示晶粒细化效果。至于为什么钛量大于0.12%，细化作用不再增加，可做如下探讨。
作者曾用JCXA-733波谱仪测得AlSi12CuMg合金基体含钛量大约在0.12%～0.16%范围之内，平均为0.14%，与文献[6]公布的数值相近。倘若钛量超过此值，钛将以针状或块状AlSiTi金属间化合物形式出现，如图2b中箭头所示。
钛量在0.08%～0.10%之间，由于晶粒得到充分细化，合金冲击度性和塑性随之提高[4～6]。相反，钛量超过0.12%，晶粒细化作用逐步停止，并且析出了针状或块状金属间化合物，这就降低了合金的冲击韧度和塑性，并使强度的增加逐渐减弱。因之，钛含量以0.08%～0.10%为最佳值，可保证合金具有最大的韧性和塑性。
许多工厂为保证合金具有足够的韧性和塑性往往着重降低铁含量，忽视了钛作用的两重性，经常采用低铁高钛的办法，这就给生产操作和管理带来许多不便，还提高了生产成本。相反，降低钛量至0.08%～0.10%，即使铁量接近0.18%，合金冲击韧度也可达到40 J/cm2，伸长率保持在12%，强度也很高，还降低了成本，方便了现场工艺和管理。
4结论
AlSi7Mg0.3合金含钛量最佳范围为0.08%～0.10%。过高将使合金韧性和塑性急剧下降。
作者单位：中国纺织大学
参考文献
[1]Mondolfo L F. Aluminium Alloy: Structure and Properties. London. Butterworths. pp385.1976.
[2]Mondolfo L F. Grain Refinement in the Casting of Non-Ferrous Alloys. Grain Refinement in Castings and Welds. Metallurgical Society of AIME 1983，3～50
[3]Sigworth G K and Guzowski M M. Grain Refining of Hypoeutectic Al-Si Alloys. AFS Trans. 1985(93)907～912
[4]Gruzleski J E and Closset B M. The Treatment of Liquid Aluminium-Silicon Alloys. AFS Inc.1990，133～137
[5]Robert M H， Cupini N L. Aluminium Grain Refinement by Nb， Zr and Ti Additions and Their Role in Mechanical and Electrical Properties. Preprint of Solidification Processing. Sheffiel. U K. 1987 124～126
[6]Mondolfo L F. Grain Refinement of Aluminium Alloy by Titanium and Boron Preprint of Solidification Processing， Sheffiedl U K. 1987 104～106(end)
