鋁及其鋁合金具有高比強度、高耐蝕性、高電導(dǎo)率、良好的抗疲勞性能和成型性能等特點，在航空、航天、交通運輸、食品包裝、電工電子、電氣儀表、工業(yè)建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著鋁合金在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，對鋁合金的組織和性能的要求也越來越高，如何獲得最佳的鑄態(tài)組織是控制變形組織及其性能的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵步驟之一。晶粒尺寸和形態(tài)是鑄態(tài)組織的重要特征，細小均勻的等軸晶是人們所希望看到的，想要獲得這種組織，采取必要的晶粒細化手段必不可少。本文將針對鋁合金工業(yè)生產(chǎn)中常用的晶粒細化方法作簡要介紹。

1. 變形鋁合金鑄錠晶粒細化方法

工業(yè)生產(chǎn)中，為了細化鑄態(tài)組織晶粒，采用的方法主要有內(nèi)生質(zhì)點法和外生質(zhì)點法。其中，前者包括快速凝固法和動力學方法，后者主要是變質(zhì)處理。

1.1 快速凝固法

快速凝固法是利用高的冷卻速率來獲得細小的晶粒組織。通常情況下，晶粒尺寸隨冷卻速度的增加而減小。同時，快冷還可以減小枝晶間距獲得更加均勻的晶粒內(nèi)部組織，對后續(xù)的加工變形產(chǎn)生積極的影響?？焖倌谭ㄔ谧冃武X合金傳統(tǒng)鑄造方法上（如半連續(xù)鑄造）應(yīng)用不多，但是將快冷技術(shù)與粉末冶金工藝結(jié)合，可以制得晶粒細小、成分均勻的大尺寸高合金化鑄錠，噴射成型工藝是其中典型的代表，目前已經(jīng)用于生產(chǎn)部分7×××牌號的鋁合金鑄錠。

 

圖1 結(jié)晶速度與晶粒尺寸之間的關(guān)系

1.2 動力學法

動力學方法是指利用各種各樣的振動方式使金屬熔體在凝固過程中增加形核質(zhì)點，盡可能多的形成晶核從而達到細化晶粒的目的。振動方式主要包括機械攪拌、機械振動、電磁攪拌、聲波和超聲波振動等。

（1）機械攪拌和振動。通過使鋁合金熔體在凝固過程中受到機械攪拌和振動作用，形成三維空間流動，復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)等物理化學作用改變了熔體的結(jié)構(gòu)與能量起伏，使熔體成分趨于均勻，并為結(jié)晶過程的形核與長大創(chuàng)造有利的熱力學和動力學條件。此外，攪拌和振動也促進了合金枝晶臂的斷裂，枝晶碎片進入熔體可成為新晶粒形核的優(yōu)先位置，形核位置的增加意味著更多的非均勻形核可能發(fā)生，因而對于細化晶粒作用顯著。機械攪拌和振動在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，是熔鑄生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

（2）電磁攪拌。將電磁攪拌應(yīng)用于鋁合金的鑄造中，金屬熔體在電磁場的作用下有規(guī)律流動，使各部分的熔體成分和溫度趨于均勻。隨著熔體流動速度的提高，柱狀晶粒在長度和寬度上尺寸變小，初始形成的枝晶在攪動下被破碎并作為新的形核中心，使形核數(shù)目明顯增加；同時這種強烈的對流加速了內(nèi)部熔體的降溫過程，降低了溫度梯度，有利于獲得細小均勻的等軸晶組織。電磁攪拌與機械攪拌相比，二者的目的和作用是相同的，區(qū)別在于前者是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力推動金屬有規(guī)律的流動而后者是靠攪拌車或機械手等機械力實現(xiàn)的，二者在工程上均已獲得應(yīng)用。

（3）超聲波振動。超聲波是一種高頻聲波，在液體中傳播時液體分子受到周期性交變聲場的作用而產(chǎn)生聲空化和聲流效應(yīng)。它們會引起熔體中流動場、壓力場和溫度場發(fā)生變化，在局部產(chǎn)生高溫高壓效應(yīng)。液體發(fā)生振動使枝晶臂從凝固前沿脫落并在熔體中作為異質(zhì)形核核心，且超聲波對熔體的分散作用使質(zhì)點分布更加均勻。此外，超聲波冶金可以去氣除渣，是一項熔體凈化技術(shù)。

1.3 變質(zhì)處理

變質(zhì)處理即向金屬中添加少量活性物質(zhì)，促進液體金屬內(nèi)部形核或改變晶體成長過程的一種方法，生產(chǎn)中常用的變質(zhì)劑有形核變質(zhì)劑和吸附變質(zhì)劑。

（1）形核變質(zhì)劑。形核變質(zhì)劑的作用機理是向熔體中加入能夠產(chǎn)生非自發(fā)形核的物質(zhì)，使其在凝固過程中通過異質(zhì)形核而達到細化晶粒的目的，形核變質(zhì)劑是工程中常用的一種變質(zhì)劑，也叫晶粒細化劑。通常意義上講，要求所加入的晶粒細化劑在與鋁熔體反應(yīng)生成的化合物具備以下特點，比如晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與鋁熔體相適應(yīng)，化合物的熔點高熱穩(wěn)定性好，在鋁熔體中分散度好能均勻分布在熔體中，此外不能污染鋁熔體。工業(yè)生產(chǎn)中常用的晶粒細化劑有Al-Ti-B（如圖2所示）和Al-Ti-C兩種，前者是目前國內(nèi)公認的最有效的細化劑，如果添加少量的稀土元素其細化效果更加明顯。

圖2 工程用Al-Ti-B晶粒細化劑

（2）吸附變質(zhì)劑。吸附變質(zhì)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，在合金中固溶度小，在晶體生長時富集在液相界面上，阻礙晶體長大，又能形成較大的成分過冷，使枝晶形成細的縮頸而易于熔斷，促進晶體的游離和晶核的增加。其缺點是由于存在于枝晶和晶界間，常引起熱脆性。目前，工業(yè)上常用的此類變質(zhì)劑有含鈉變質(zhì)劑和含鍶變質(zhì)劑。

2. 不同細化方法之間的比較

快速凝固方法對大的鑄件來說是很難利用的，特別是對于半連續(xù)鑄造，冷卻速度的選擇首先需要確保鑄錠成型，參數(shù)一旦選定不可隨意更改。動力學方法雖然有很好的細化效果，但僅憑這點不足以獲得細小均勻的鑄態(tài)組織，此外電磁攪拌設(shè)備精密復(fù)雜不便于維修維護。隨著工業(yè)界對鋁及鋁合金加工產(chǎn)品板、帶、箔、管、型材及鑄件生產(chǎn)過程認識的深化，明確了在鋁熔體中添加晶粒細化劑進行細化是目前最實用最有效的晶粒細化方法，具有晶粒細化效果好