Vpliv dodatka Al-Ti-B na mikrostrukturo zlitine AIMgSiO,5
The Influence of Al-Ti-B Additive on the Microsructure of AIMgSi0.5 Alloy
A. Smolej1, Oddelek za materiale in metalurgijo, NTF, Univerza v Ljubljani P. Panzalovič, TALUM, Kidričevo M. Jelen, IMPOL, Slovenska Bistrica
Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-04-21
Članek obravanava vpliv različnih dodanih količin predzlitine AITi5B1 in kontaktnih časov na velikost kristalnih zrn v zlitini AIMgSiO.5. Optimalne dodane količine predzlitine za nastanek drobnozrnate mikrostrukture so v mejah 0,8-1,2 kg AIV5B1/1 t taline. Velikost kristalnih zrn se spreminja s kontaktnimi časi; učinkovitost AITi5B1 se zmanjša po približno 80 minutah po dodatku AIV5B1 v talino. Preizkusi so bili narejeni v laboratorijskih in industrijskih razmerah. Cenejši laboratorijski preizkusi omogočajo dovolj zanesljivo določevanje parametrov modificiranja zlitine AIMgSi0,5 z AITi5B1.
Ključne besede: zmanjševanje zrn, AIMgSiO,5, AITi5B1
The paper deals vvith the influence of various additives AITi5B1 and holding times on the grain size in the AIMgSi0.5 alloy. The optimal added quantities needed for the formation of fine grained microstructure are betvveen 0.8 and 1.2 kg AITi5B1 per tone. The grain size changed with holding times; the efficiency of AITi5B1 was reduced approximately 80 minutes after the master alloy was added into the melt. The experiments vvere made in laboratory and industrial conditions. The cheaper laboratory experiments enable to determine the grain-refining parameters for AIMgSi0.5 true enough in ihe comparison to industrial experiments.
Key vvords: grain refining, AIMgSi0.5 alloy, AITi5B1 master alloy
1 Uvod
Titan in bor dodajamo v taline aluminija in aluminijevih zlitin z namenom, da nastane v polkontinuirno uliti h bramah in drogovih drobnozrnata mikrostruktura1"8. Oba elementa dodajamo v obliki predzlitin vrste Al-Ti-B z različnimi masnimi razmerji Ti : B910. Titan in bor sta v predzlitinah v obliki intermetalnih spojin Al.iTi in TiBi. Mehanizem nukleacije v talini kot posledica dodatkov Al-Ti-B še ni popolnoma pojasnjen. Najpogosteje navajajo teorijo, ki temelji na peritektični reakciji med talino in spojino AbTi1-6""12. Ne glede na vlogo AbTi. TiBi, (AlTi)xBy, ali celo Ti - karbidov pri procesih nukleacije in strjevanja, ti delci dodatno ne smejo vplivati na kvaliteto valjanih ali iztiskovanih polizdelkov. Trdi, ne-topni delci na osnovi bora morajo biti v drobni obliki porazdeljeni v matrici. Prisotnost teh delcev z velikostjo nad 5 (im je v mnogih primerih zelo škodljiva4. Ustrezna mikrostruktura in tehnološke lastnosti polizdelkov so zato odvisne od optimalnih količin dodanih predzlitin Al-Ti-B, ki so značilne za tehnični aluminij z različnimi čistočami, kakor tudi za posamezne aluminijeve zlitine7. Učinek predzlitin vrste Al-Ti-B na zmanjšanje kristalnih zrn je poleg količine in sestave osnovnega materiala odvisen tudi od temperature taline, načina dodajanja predzlitine, kontaktnega časa, hitrosti ulivanja in strjevanja. Vplivi dodatkov Al-Ti-B in naštetih parametrov na velikost kristalnih zrn so bili obsežno raziskani predvsem
' Prof, dr. Anion SMOLEJ NTF-OMM. univerza v Ljubljani Aškerčeva 12. 1000 Ljubljana
za tehnični aluminij1"12. Čeprav se te predzlitine že dolgo uporabljajo v industrijski praksi, pa obstajajo še vedno problemi z optimalnimi pogoji ulivanja in količinami dodanih predzlitin. Slednje velja predvsem za aluminijeve zlitine.
To delo obravnava s praktičnega vidika vpliv različnih dodanih količin predzlitine AlTi5Bl in kontaktnih časov na velikost kristalnih zrn zlitine AlMgSi0,5. Ta zlitina se veliko uporablja za iztiskovanje različnih profilov, palic in cevi. Preizkusi so bili narejeni v laboratorijskih in industrijskih razmerah in ne zajemajo teoretične obravnave procesov nukleacije.
2 Eksperimentalno delo
Vpliv različnih količin AlTi5Bl in kontaktnih časov na velikost kristalnih zrn v zlitini AlMgSi0,5 je bil določen s tremi eksperimentalnimi postopki:
Postopek 1: Zlitina AlMgSi0,5 (0,42 m.% Si, 0,15 m.% Fe, 0,45 m.% Mg, 0,007 m.% Ti) z vsakokratno maso 1500 g je bila staljena v srednjefrekvenčni indukcijski peči. Predzlitina AlTi5B 1 (5,5 m.% Ti, 1,1 m.% B) v obliki ingota je bila dodana v talino 20 minut pred uli-vanjem v laboratorijsko kokilo. Dodane količine so ustrezale nominalnemu povečanju titana v zlitini od 0,004 do 0,2 m.%. Dejanske vsebnosti titana so v povprečju odstopale za približno 12% od predvidene vsebnosti. Namen preizkusa je bil ugotovitev optimalnih količin AlTi5B 1 za nastanek drobnozrnate mikrostrukture. Detajlni opis preizkusa je podan v predhodni objavi7.
i_i_i_i_' ' i ' i_' ' '_i_i
0 1.45 2.9 4.36 5.8 7.3 8.7 Dodatek AlT75B1 (kg/t)
Slika 1: Število zrn/mm2 in povprečna velikost zrn v odvisnosti od vsebnosti dodanega titana oziroma količine predzlitine AlTi5Bl (ingot) v AlMgSiO,5. Rezultati veljajo za postopek 1
Figure 1: Number of grains per mm2 and an average grain size in AlMgSi0.5 depending on the added Ti content, and the quantity of AlMgSi0.5 master alloy (ingot) respectively. The results are valid for experimental procedure 1
Postopek 2: Zlitina AlMgSiO,5 (0,46 m.% Si, 0,14 tn.% Fe, 0,45 m.% Mg, 0,013 m.% Ti) je bila izdelana v industrijskih razmerah v livarni TALUM-a. Predzlitina AlTi5Bl v obliki žice in ingotov je bila dodana v talino s potapljanjeem v ulivni peči. Dodane količine so bile od 0,5 do 2 kg AlTi5B 1/1 t taline. Kontaktni časi so bili do 265 minut. Taline so bile ulite po polkontinuirnem postopku v drogove s premerom 195 mm. Kvantitativana metalografska analiza kristalnih zrn je bila narejena na stalnih geometrijskih mestih ulitih drogov. Namen preizkušajo bil določitev dodanih količin predzlitine in kontaktnih časov na velikost kristalnih zrn pri dejanskih industrijskih razmerah ulivanja.
Postopek 3: Industrijsko izdelana talina je bila vzporedno ulita v laboratorijsko kokilo, ki je bila ogreta na 200°C. Vsako ulivanje je potekalo v trenutku, ko je bila odlita polovica dolžine droga. Namen preizkusa je bil. da se primerjalno ugotovi vpliv količine predzlitine in kontaktnih časov na velikost zrn pri laboratorijskih in dejanskih industrijskih razmerah.
3 Rezultati preiskav in diskusija
V zlitini AlMgSiO,5 nastanejo po postopku 1 kristalna zrna z velikostjo pod 220 |im pri dodatku 0,55 kg AlTi5B 1/ 1 tono taline, kar odgovarja povečani vsebnosti titana v zlitini za 0,003 m.% (sliki 1 in 2). Ta dodatek zmanjša povprečno velikost zrn za približno 3-krat (Tabela 1).
Pri industrijskih preizkusih so bili dodatki predzlitin v obliki žic in ingotov od 0,5 do 2,0 kg AlTi5Bl/l t taline. Te količine so bile izbrane na osnovi laboratorijskih preizkusov (postopek 1), katerih rezultati so omogočili manjši obseg zahtevnejših industrijskih preizkusov. Na sliki 3 so primerjalno prikazane povprečne
0	0,003	0,006	0,009	0,011	0,018% Ti
0,024 0,034 0,05	0,195 % Ti
Slika 2: Makrostruktura ulitkov AlMgSi0.5 v odvisnosti od vsebnosti dodanega titana. Rezultati veljajo za postopek I
Figure 2: Microstructure of AlMgSi0.5 castings depending on the added Ti content. The results are valid for the experimental procedure l
velikosti kristalnih zrn v odvisnosti od dodanih količin AlTi5B 1 za postopka J in 3. Velikost kristalnih zrn se v vseh primerih najbolj zmanjša pri dodatkih do približno 1 kg AlTiBl/1 t taline. Poteki krivulj so podobni za oba postopka. Razlika v velikosti kristalnih zrn med obema postopkoma je posledica različnih vsebnosti titana v izhodnih preizkusnih zlitinah (postopek 1: 0,007 m.% Ti; postopek 3: 0,016 m.% Ti) in različnih temperaturah uli-vanja (postopek 1: 720°C; postopek 3: 675°C). Največja potrebna količina za nastanek drobnih kristalnih zrn je 0,8 do 1,2 kg AlTi5B 1/1 t taline, kar odgovarja povečani vsebnosti titana za 0,005 do 0,007 m.%. Nadaljnji dodatki neznatno vplivajo na zmanjšanje zrn.
Tabela 1: Nekatere vrednosti števila zrn/mm2 in povprečnih velikosti zrn v odvisnosti od vsebnosti dodanega titana v AIMgSi0,5 (postopek I)
Table t: Some values of number of grains per mm", and of average grain size depending on the added Ti content in AIMgSi0.5 alloy
Ti	AlTi5B 1	Število	Velikost zrn
m %	kg/l t taline	zrn/mm2	(itn
0,0	0,0	6	607
0,003	0,55	21	221
0,006	1,1	33	172
Vpliv dodatkov AlTi5Bl na velikost zrn v polkon-tinuirno ulitih drogovih je prikazan na sliki 4. Kristalna zrna se pri enakih dodanih količinah manjšajo na enak način kot pri laboratorijskih preizkusih. Velikost zrn v drogovih je manjša v primerjavi z laboratorijskimi ulitki zaradi drugačnih ulivnih pogojev in načinov strjevanja, ki se z laboratorijskimi preizkusi ne dajo simulirati. Pri tehničnem aluminiju je bilo merilo za oceno učinkovitosti modificiranja velikost zrn 220 |4m7. Zrna zlitine, ki je bila izdelana v industrijskih razmerah, imajo to velikost že brez dodatkov AlTi5Bl. Merilo za optimalno količino AlTi5Bl je bilo zato prevojno področje v krivulji velikost zrn - dodana količina AlTi5Bl, kjer se zmanjšanje zrn začne neznatno spreminjati. Iz rezultatov industrijskih preizkusov je razvidno, da je predzlitina v obliki žice učinkovitejša od ingota (Slika 4).
Velikost kristalnih zrn se pri vseh preizkusnih razmerah spreminja s kontaktnim časom (Slika 5). To je čas, ki poteče med dovajanjem Al-Ti-B v talino in začetkom strjevanja. V časovnem intervalu 30 do 80 minut nastajajo po strjevanju najmanjša zrna, ki so pri uporabljenih preizkusnih razmerah velikostnega reda 140 (im. Po daljših kontaktnih časih nastajajo večja kristalna zrna pri vseh dodanih količinah predzlitine. Spremembe
Postopek 3 AlTi5B1 (žica) •—•	—11—	(ingot)
+—h postopek 1 Al Ti5B1 (ingoti
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Dodatek Al Ti 5 BI (kg/t)
Slika 3: Povprečna velikost zrn zlitine AlMgSi0,5 v odvisnosti od dodanih količin A1TL5B1 za postopka I in 3
Figure 3: Average grain size in AlMgSi0.5 depending on the added AITi5BI quantities for the procedures 1 and 3
E
i ZL
C N
10 O
-SC >
o
C
>o a> i_
CL >
O CL
Slika 4: Povprečna velikost zrn v odvisnosti od dodanih količin AlTi5Bl v polkontinuirno ulitih drogovih AlMgSi0,5 (postopek 2) in laboratorijskih ulitkih (postopek 1)
Figure 4: Average grain size depending on the added quantities of AlTi5BI into the DC čast logs of AlMgSi0.5 (procedure 2) and into laboratory castings (procedure 1)
o-o Postopek 2 Al Ti
•-• —ii—	(ingot)
h-+ Postopek 1 AtTi5Bl (ingot)
100'-1-1-1-1-l
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Dodatek Al Ti 5 BI (kg/t)
Kontaktni čas (min)
Slika 5: Velikost zrn zlitine AlMgSiO,5 v odvisnosti od kontaktnih časov pri različnih dodanih količinah AlTi5Bl (žica). Preiskusi so bili narejeni z ulivanjem industrijsko izdelane taline v laboratorijsko kokilo
(postopek 3)
Figure 5: Grain size in AlMgSi0.5 depending on the holding times at various added quantities of AlTi5Bl (vvire). The experiments were made by casting of the industrially made melt into laboratory mold
(procedure 3)
velikosti zrn v odvisnosti od kontaktnih časov so v pol-kontinuirno ulitih drogovih podobne kot v laboratorijskih ulitkih. Kristalna zrna se večajo po 80 do 100 minutah. Naraščanje zrn je manj izrazito kot v laboratorijskih ulitkih, kar velja predvsem za preizkušance z večjimi dodatki AlTi5Bl (slika 6). Zmanjšanje učinkovitosti AlTi5B 1 po daljših kontaktnih časih je domnevno posledica raztapljanja titanovih intermetalnih delcev iz pred-zlitine, kar zmanjša število heterogenih kali. V praksi se pri avtomatiziranem potapljanju predzlitine v talino uporabljajo krajši kontaktni časi, kot so bili uporabljeni v tem delu. Daljši kontaktni časi so bili izbrani z namenom, da bi ugotovili zgornjo časovno mejo, ko je AlTi5B 1 še učinkovit.
Odvisnosti velikosti zrn od kontaktnih časov in dodanih količin AlTi5Bl so podobne za laboratorijsko (postopek 1) in industrijsko izdelane taline, ki so bile ulite v drogove (postopek 2) in v laboratorijsko kokilo (postopek 3). Razlike so predvsem v velikosti kristalnih zrn za posamezne skupine preizkusov. Te razlike so posledica različnih sestav osnovnega materiala, spremenljivih ulivnih parametrov in načinov strjevanja taline v laboratorijski kokili in industrijski kokili - krista-lizatorju. Simulacija taljenja, modificiranja, ulivanja in strjevanja v laboratorijskih razmerah omogoča dovolj zanesljivo določevanje parametrov modificiranja za nastanek optimalne mikrostrukture zlitine AlMgSiO,5 in
Slika 6: Velikost zrn zlitine AlMgSi0,5 v odvisnosti od kontaktnih časov pri različnih dodanih količinah AITi5BI (žica). Preiskusi so bili narejeni s polkontinuirnim ulivanjem taline v drogove (postopek 2) Figure 6: Grain size in AlMgSi0.5 depending on the holding times at various added quantities of AlTi5Bl (vvire). The experiments were made by DC casting industrially made melt into the logs (procedure 2)
tudi drugih zlitin v primerjavi s preizkusi modificiranja v industrijskih razmerah, ki so dragi in dolgotrajni.
4 Sklepi
Določen je bil vpliv dodatkov AlTi5Bl in kontaktnih časov na mikrostrukturo zlitine AlMgSi0,5 pri laboratorijskih in industrijskih razmerah dela. Glavni rezultati preiskave so naslednji:
1.	Velikost kristalnih zrn v zlitini se učinkovito zmanjšuje le do dodatka približno 1 kg AlTi5B 1/1 t taline.
2.	Velikost kristalnih zrn se spreminja s kontaktnimi časi. Kristalna zrna naraščajo po kontaktnih časih, ki so daljši od 80 minut.
3.	Odvisnosti velikosti kristalnih zrn od dodanih količin AlTi5B 1 in kontaktnih časov so podobne za laboratorijsko in polkontinuirno ulito zlitino. Simulacija modificiranja pri laboratorijskih razmerah omogoča dovolj zanesljivo določanje parametrov modificiranja za nastanek optimalne mikrostrukture zlitine AlMgSiO,5 in tudi drugih aluminijevih zlitin.
5 Literatura
1 G. P. Jones, J. Pearson: Factors affecting the grain-refinement of aluminium using titanium and boron additives, Metallurgical Transac-tions, 7B, 1976, 223-234
2	J Pearson, M. E. J. Birch: Effect of the titanium : boron ratio on the efficiency of aluminium grain-reftning alloys, Journal of Metals, 31. 1979. 11, 27-31
' L. Backerud: How does a good grain refiner work?, Light Metal Age. oktober 1983, 6-12
4E. Lossack: Einsatz von AlTiB-Vorlegirungen zur Al-Kornfeinung und damit verbundene Qualitaetskontrollen. Erzmetall, 30, 1977, 6, 243-247
3	A. Banerji. W. Reif: Present Situation of grain refinement and its effect on the product quality. Metali, 41, 1987. 4, 393-398
"A. J. Cornish: The influence of boron on the mechanisin of grain refinement in dilute aluminium-titanium alloys. Metal Science, 19, 1975. 477-484
7 A. Smolej. P. Panzalovic, M. Jelen: Vpliv dodatkov Al-Ti-B in pogojev ulivanja na velikost kristalnih zrn aluminija. Kovine, zlitine, tehnologije. 30, 1996, 3-4, 255-258
81. M. Mahrla, A. Banerji: Al - Gefiigeoptimierung mit Korn-feinungsmitteln beim Bandgiessverfahren. Metali, 50, 1996, 10, 636-642
y F. R. Mollard, W. G. Lidman, J. C. Bailey: Systematic selection of optimum grain refiner in the aluminium čast snop. Technical in-fosheet, N. V. Kavvecki Billiton Metaalindustrie, Arnhem, Nizozemska 10 M. J. Vader. J. Noordegraaf, E. Klein Nagelvoort: Interrelations be-tween aluminium grain refining by means of aluminium titanium boron alloys and the number of grovvth centers, Kawecki-Billiton Master Allovs N. V. Arnhem, Nizozemska, str. 1-10 111. J. Polmear: Light alloys, Amold, London, 1995 13 L. Arnberg. L. Backerud, H. Klang: Grain refinement of aluminum 1, 2, 3, Metals Technology, 9, Part 1, 1982, 1-17