晶粒细化剂技术工艺及发展现状的立项报告

第一节  晶粒细化剂的简介

晶粒细化剂产品有优异的细化效果，改善铸件表面质量，使铸件得到细小的等轴晶，特别是减少铸件冷隔消除了的毛晶和柱状晶，能有效地克服铸造裂纹，改善铸件外观。（立项报告）

第二节 晶粒细化剂的技术工艺

镁合金是密排六方晶体结构，室温下只有3个独立的滑移系，合金的塑性变形能力较差，其晶粒大小对机械性能影响十分显著。镁合金结晶温度范围较宽，热导率较低，体收缩较大，晶粒粗化倾向严重，凝固过程中易产生缩松、热裂等缺陷；细小的晶粒有助于减少缩松、减小第二相的大小和改善铸造缺陷；镁合金晶粒细化能缩短晶间相（Mg17Al12）固溶所需的扩散距离，提高热处理效率；此外，细小的晶粒还有助于改善镁合金的耐腐蚀性能和加工性能。镁及镁合金液态熔体采用细化技术对提高镁合金综合性能有更突出的作用，目前镁合金晶粒细化剂的研发倍受人们关注。

常用的镁铝合金的几种晶粒细化剂技术如下：

（1）含碳剂变质法

碳质孕育法是细化Mg- Al系合金较成功的晶粒细化技术。尽管Zr对纯镁有强烈的细化作用，但含铝的Mg- Al系合金不能用Zr来细化晶粒，因为Zr和Al易形成稳定的化合物Al3Zr，Al3Zr为体心正方型（BCC）结构，其晶格常数与 α- Mg晶格常数相差很大，形成Al3Zr将造成合金中Al和Zr的损失。通常在镁铝系合金熔体中加入含碳的化合物来细化晶粒，基本要求是合金的铝含量应> 0.5%，同时对细化晶粒有遏止作用的元素（如Zr、Be、Ti和少数稀土元素）应不含或含量控制在规定范围内。

（2）硼化系合金变质法如Al- Ti- B、Ti- B等细化技术

Al- Ti- B中间合金对镁铝系的细化是利用Ti、Al与B形成的第二相TiB2和AlB2, TiB2（密度为4.4 g/cm3，熔点为2980℃）和AlB2（熔点为980℃）均为密排六方结构的高熔点化合物，且它们的晶格常数与 α- Mg相近，TiB2、AlB2错配度分别为5.6%和6.2%，基本满足了共格对应的错配度条件，可作为 α- Mg良好的异质核心，从而使 α- Mg晶粒细化，但细化剂加入量不能超过0.3 %。而Ti- B系熔剂中同时含有Ti和B两种细化晶粒作用很强的元素，它们在镁铝系（含Al>5%）的合金液中形成有效的形核质点TiAl3、TiB2和偏析能力良好的溶质，根据Johnson的溶质晶粒细化理论，有效的形核质点和偏析能力良好的溶质是晶粒细化过程必不可少的两个因素，故能起到晶粒细化作用.国内有研究人员试制了Al- Ti- B系的Al5TiB、Al3Ti4B、Al3Ti3B等几种晶粒细化剂，并进行了细化晶粒尝试，Al5TiB中间合金中Ti和B质量比为5，TiB2分子中Ti与B的质量比为2.2，熔体中Ti与B反应生成TiB2相后，熔体中过剩的Ti与熔体中Al生成TiAl3相，而Ti Al3属于四方结构，对镁合金细化及性能不利；而Al3Ti4B中间合金的Ti和B质量比为0.75，熔体中生成TiB2相后，剩余的B原子与Al反应生成AlB2相及TiB2相，两种高熔点化合物以固态质点形式存在。在AZ91D合金中加0.3%的Al3Ti3B中间合金后，共晶体（α+Mg17Al12）形貌发生改变且变得不连续，共晶体尺寸减小，晶粒尺寸由原来的约260μm减小至100μm。TiB2先作为AlB2的形核核心，使得AlB2相的形核效果更好。

第三节 晶粒细化剂行业的发展现状

晶粒细化对变形铝合金的半连续铸造以及铸造铝合金的成型铸造都很有意义，它可以改善铸锭的力学性能、减少偏析、降低热裂倾向，改善铸件凝固过程中的补缩、消除或更好地分散疏松、提高铸件的气密性和表面质量等。

Al-Ti-B中间合金是目前广泛使用的细化剂，大约有75%的世界铝工业使用Al-Ti-B进行晶粒细化。在变形铝合金熔铸生产中一般采用在线添加Al-Ti-B细化剂丝，而在铝合金铸件生产中多采用炉内添加Al-Ti-B合金锭。在过去的半个多世纪里，众多科技人员对铝的晶粒细化展开了广泛而又深入的研究，不仅在工业上开发出了多种有效的晶粒细化剂，而且在对细化剂的制备、成分、组织与性能的系,以及细化机制的认识上也取得了很大进展。

Al-Ti-B中间合金的制备方法主要有氟盐反应法、氧化物或元素混合法、自蔓延高温合成法等，其中氟盐反应法是工业上大规模制备Al-Ti-B中间合金的主要方法。

受氟盐反应法制备工艺的制约，现行Al-Ti-B中间合金细化剂的细化水平还不能满足高质量铝材的需要。

改进制备方法和优化合金成分，是改善Al-Ti-B中间合金组织形态并提高其细化性能的重要途径。探索超声场等外场作用下Al-Ti-B中间合金的制备工艺和发展新型Al-Ti-B-RE晶粒细化剂，是Al-Ti-B中间合金的一个重要发展方向 。

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