摘　要：采用鋁業協會制訂的TP-1型標準測試法，對Al-10RE、Al-5Ti-1B、Al-5Ti-1B-10RE等中間合金對A356.2合金的細化效果進行評價，以優化鋁合金輪轂制造過程中合金熔體細化處理工藝。結果表明， 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合金顯微組織的細化和變質效果；TP-1型晶粒度檢測法一種簡單、直觀、準確的中間合金細化效果在線評價方法。 

關鍵詞：TP-1型標準測試法　中間合金　鋁合金　細化處理 

細化處理不僅可以細化晶粒，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性能。近年來，隨著晶粒細化理論的不斷發展，出現了許多細化處理方法，其中最有效、最實用的方法是添加中間合金細化劑。除最常用的Al-Ti-B中間合金外，目前RE元素的變質細化作用逐漸引起研究者和生產廠家的重視。大量實踐證明細化處理工藝及中間合金的質量對細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量，采用 國際鋁業協會(Aluminum Association,以下簡稱AA)制訂的TP-1型晶粒度標準測試法，對幾種中間合金的細化效果進行了評價，在此基礎上優化了合金熔體的細化處理工藝。

1　試驗條件和方法 

1.1　TP-1型晶粒度標準測試法簡介 

AA的中間合金分會(Master Alloys Division)和產品標準技術委員會(Technical Committee on Product Standards)于1990年8月17日頒布了經過修訂的標準，即TP-1型晶粒度測試標準，并向中間合金制造和應用廠商推薦。圖1為TP-1型標準測試法樣杯及典型晶粒度樣品［4］。Boone等 ［4］研究了TP-1型晶粒度標準測試法的精度、再現性和線性度，結果表明當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結果。目前，TP-1型晶粒度標準測試法已經被AA的中間合金制造商和應用廠商廣泛采用。 

圖1　鋁業協會TP-1型標準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立式電阻爐中進行。熔體溫度采用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量，精度±1 ℃。熔體經ZnCl2除氣精煉、Al-10%Sr中間合金變質處理后，分別采用Al-5Ti-1B、Al-10RE及Al-5Ti-1B-10RE三種中間合金進行細化處理，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型標準試樣澆注溫度為690 ℃，用晶粒平均直徑評價細化效果。金相樣品在金屬型力學性能試樣上截取，經電解拋光、腐蝕后在掃描電鏡上觀察分析。 

2　結果和討論 

2.1　細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核心作用的夾雜物，從而導致合金晶粒尺寸有所增大。 

圖3為合金經不同方案細化處理后在靜置過程中平均晶粒直徑的變化，結果說明如下。 

圖3　不同中間合金細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后便完全失去細化作用。 

(2) 方案Ⅱ可以有效地抑制晶粒尺寸的衰退現象，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后出現細化衰退現象，而同時加入0.2%Al-5Ti-1B-10RE和0.2%Al-10RE(方案Ⅳ)的細化衰退現象更為明顯。 

文獻［2］認為Al-Ti-B-RE中間合金中的RE可以有效抑制細化衰退現象，其原因是加入適量的稀土元素能阻止TiB2發生聚集、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顆粒表面的擴張系數，既能充分發揮TiB2的異質形核作用，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化效果，但細化衰退現象比較顯著，表明過量的RE也會干擾細化效果。其原因可能是一方面過量的RE會促進偏聚物的形成，形成夾雜物，從而影響細化效果；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)，細化相的原始狀態對細化效果會產生一定影響，超過某一臨界尺寸的富RE相可能不會有細化作用。 

2.2　RE對顯微組織的影響 

文獻［6］總結了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變的過冷度，從而使二次枝晶臂減小；可以降低熔體的表面張力，增加合金凝固時的過冷，從而使枝晶細化；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%)后才會在細化晶粒的同時細化枝晶組織，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，并且稀土變質劑具有很好的長效性和重熔穩定性。但是，RE元素對Ti、B的細化作用和Sr的變質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細化處理后分別靜置10 min和6 h合金的顯微組織

(1) 經方案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小。 

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

3　結　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。 

(2) 在試驗條件下，Al-5Ti-1B-10RE細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的細化作用和Sr的變質作用均有一定的促進作用。 

(3) TP-1型檢測法操用簡單，結果直觀、準確，是一種中間合金細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,清華大學機械系鑄造教研室,北京(100084) 

作者單位：李雙壽(清華大學) 

朱躍峰(清華大學) 

曾大本(清華大學) 

王曉強(清華大學) 

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： 

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

［2］黃良余.鋁及其合金的晶粒細化處理簡述.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，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：兵器工業出版社.1992.