Vpliv dodatkov Al-Ti-B in pogojev ulivanja na velikost kristalnih zrn aluminija
The Influence of Additives Al-Ti-B and Casting Conditions on Aluminium Grain Size
A. Smolej1, Oddelek za materiale in metalurgijo, NTF, Ljubljana £). Panzalovic, TALUM, Kidričevo M. Jelen, IMPOL, Slovenska Bistrica
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-01-22
Članek obravnava vpliv različnih vrst in dodanih količin predzlitin Al-Ti-B ter načinov obdelave taline na velikost kristalnih zrn v ulitkih aluminija. Optimalne količine predzlitin za nastanek ustrezne velikosti kristalnih zrn so odvisne od njihove sestave in oblike ter čistote aluminija. Velikost zrn se spreminja s kontaktnim časom in temperaturo taline pred ulivanjem.
Ključne besede: aluminij, Al-Ti-B, zmanjševanje zrn
The paper deals with the influence of various types and added quantities of Al-Ti-B master-alloys and of various kinds of melt treated on the grain-refinement in the aluminium castings. The optimum quantities of the grain-refining agents, needed for the formation of suitable crystal grain-size, depends upon the composition and type of master-alloy and purity of aluminium. The grain-size changes vvith the holding time and temperature of the melt before the casting.
Key vvords: aluminium, Al-Ti-B, grain refining
1 Uvod
Elementa titan in bor dodajamo v taline aluminija in aluminijevih zlitin z namenom, da nastane po strjevanju v ulitkih drobnozrnata mikrostruktura. Tak material se lažje toplotno obdeluje in ima po predelavi z valjanjem ali iztiskovanjem boljše mehanske in tehnološke lastnosti1'6. Način dodajanja titana in bora v talino se je v zadnjih 35 letih spreminjal, od uporabe različnih soli do predzlitin (v nadaljevanju modifikatorji) v obliki žic in ingotov. Z uporabo predzlitin se je povečala učinkovitost zmanjševanja kristalnih zrn ob sočasni porabi manjših količin titana in bora za nastanek optimalne mikrostruk-ture. Najpogosteje se uporabljajo v industrijski praksi predzlitine s sestavo AlTi5B 1, AlTi3B 1 in AlTi5B0,2 7'8. Mikrostruktura teh zlitin je sestavljena iz titanovega alu-minida (AI3T1) in titanovega borida (T1B2) v aluminijevi osnovi. Mehanizem nastanka kristalnih kali, kot posledica dodatkov titana in bora, še ni popolnoma pojasnjen. Najpogosteje se navaja teorija, ki temelji na peritektični reakciji med talino in spojino AljTi1'69-10. Nastali reakcijski produkti so zmesni kristali aluminija, ki delujejo kot kristalne kali. Dodatek bora v predzlitini Al-Ti zelo zniža potrebno vsebnost titana za peritektično reakcijo. Bor tvori s titanom intermetalno spojino TiB2, ki deluje kot heterogena kal. Spojina TiB2 z velikostjo delcev do 2 Hm ostane po strjevanju nespremenjena v materialu. Prevelike količine trdih delcev TiB2 so škodljive v aluminiju in zlitinah, iz katerih se izdelujejo folije, strukturni deli za letala in drugi zahtevnejši izdelki. V uporabi
Prof.dr. Anion SMOLEJ
Oddelek za materiale in metalurgijo, NTF
i000 Ljubljana. Aškerčeva 12
so zato predzlitine z različnimi masnimi razmerji Ti : B od 3 : 1 do 50 : 1.
Učinek predzlitin vrste Al-Ti-B na zmanjšanje kristalnih zrn je odvisen od različnih pogojev. Najvažnejši vplivni faktorji so sestava osnovnega materiala, vrsta uporabljene predzlitine, postopek taljenja, način dodajanja predzlitine, hitrost ulivanja in hitrost strjevanja taline5"8. Čeprav se predzlitine Al-Ti-B že dalj časa uporabljajo v industrijski praksi, pa obstajajo še vedno nekateri problemi pri njihovi uporabi za doseganje optimalne velikosti kristalnih zrn5. Namen tega dela je, da se določi pri laboratorijskih pogojih učinek različnih vrst predzlitin Al-Ti-B in njihovih dodanih količin na zmanjševanje kristalnih zrn aluminija z različnimi vsebnostmi nečistot. Določen je bil tudi vpliv temperature taline in kontaktnih časov na velikost kristalnih zrn ob sočasni prisotnosti titana in bora v talini.
2 Eksperimentalno delo
Preizkusni materiali so bili Al 99,8 (0,04 m.% Si, 0,06 m.% Fe, 0,004 m.%Ti), Al 99,3 (0,16 m.% Si, 0,51 m.% Fe, 0,004 m.% Ti) in predzlitini AlTi5Bl (žica <D 9,5 mm: 5,7 m.% Ti, 0,9 m.% B; ingot: 5,5 m.% Ti, 1,1 m.% B) ter AlTi5B0,2 (žica O 9,5 mm: 4,8 m.% Ti, 0,20 m.% B; ingot: 5,4 m.% Ti, 0,23 m.% B).
Preizkusni aluminij z vsakokratno maso 1500 g je bil staljen v srednjefrekvenčni indukcijski peči. Predzlitine v ustreznih količinah so bile dodane v taline s temperaturo 725°C 20 minut pred ulivanjem. Količine predzlitin so ustrezale nominalnemu povečanju dodanega titana v aluminiju od 0,002 do 0,05 m. %. Dejanske vsebnosti titana so bile v povprečju za približno 8% manjše od
Slika 1: Oblika preiskusne kokile in merilna mesta za metalografske preiskave ulitkov
Figure 1: Test mold and measuring places for the metallographic examinations
nominalnih količin. Del taline je bil ulit v konično kokilo iz berilijevega brona, ki je bila pred vsakim ulivanjem ogreta na temperaturo 200°C. Metalografske preiskave so bile narejene na enakih geometrijskih mestih ulitkov (Slikal).
Pri uporabi predzlitin vrste Al-Ti-B se navadno navaja njihova dodana količina v kg na 1 tono osnovnega materiala. Pri opisu rezultatov preiskav sta v nadaljevanju navedeni obe vrednosti: povečanje vsebnosti titana (m. % Ti) v osnovnem materialu kot posledica dodane predzlitine in preračunane količine dodane predzlitine na 1 tono osnovnega materiala (kg predzlitine /1 t Al).
3 Rezultati preiskav in diskusija
Preizkusne predzlitine imajo različen učinek na veli-
kost in število kristalnih zrn. Na sliki 2 so podane odvis-
nosti števila zrn/mm2 in velikosti zrn od dodanega titana
v obliki različnih predzlitin. Število zrn v površinski enoti se veča linearno z naraščajočim dodatkom Al-Ti-B.
Krivulje povprečnih velikosti zrn imajo prevojne točke pri določenih količinah dodanega titana oziroma predzlitin. Po literaturnih podatkih je ustrezna velikost kristalnih zrn v ulitem aluminiju 200 do 220 pm1'7. Po tem merilu je najučinkovitejša predzlitina AlTi5B 1 v obliki žice, kateri sledijo AlTi5Bl (ingot), AlTi5B0,2 (žica) in AlTi5B0,2 (ingot). V tabeli 1 so podane eksperimentalno določene najmanjše količine titana oziroma predzlitin, ki jih je potrebno dodati v Al 99,8 za nastanek kristalnih zrn s podobno velikostjo po omenjenem merilu. Pri uporabi AlTi5Bl z masnim razmerjem Ti : B = 5 : 1 so potrebne količine za nastanek enako velikih zrn manjše kot pri AlTi5B0,2 z masnim razmerjem Ti : B = 25 : 1. Različen učinek je posledica različnih velikosti in porazdelitve delcev TiB2 v teh predzlitinah8. Nadaljnji
Dodatek Ti v m.V.(»tO"3)
Slika 2: Sprememba števila in povprečnih velikosti zrn v Al 99,8 v odvisnosti od vsebnosti titana, ki je bil dodan v obliki različnih vrst predzlitin
Figure 2: Variation of the numbers and average grain-size in Al 99.8 depending upon the Ti content added in the form of various master-alloys
vzrok je manjša količina bora v AlTi5B0,2. Poznano je, da ustrezna količina bora v sistemu Al-Ti-B zniža peritektično točko k manjšim vsebnostim titana in s tem pospešuje peritektično reakcijo. Le -ta je glavni mehanizem za heterogeno nukleacijo zrn med strjevanjem. Pri vseh štirih uporabljenih predzlitinah je zmanjšanje zrn najhitrejše v območju do prevojne točke (Slika 2). Z višanjem vsebnosti titana in bora nastajajo še drobnejša zrna, vendar zmanjševanje ni tako intenzivo kot v območju pred prevojno točko (Sliki 2 in 4). Eksperimen-
Slika 3: Sprememba števila in povprečnih velikosti zrn v Al 99,3 v odvisnosti od vsebnosti dodanega titana oziroma količine dodane predzlitine AlTi5Bl (žica)
Figure 3: Variation of the numbers and average grain size in Al 99.3 depending on added Ti content and quantity of AlTi5B 1 master-alloy (wire) respectively
o
0,002
0,003
0,005	0,006 0,009 %1'i
Slika 4: Makrostruktura ulitkov Al 99,8 v odvisnosti od vsebnosti dodanega titana v obliki predzlitine AlTi5Bl (žica) Figure 4: Macrostructure in Al 99.3 test-samples depending upon the added Ti content in the form of AlTi5Bl master-alloy
talno dobljena količina potrebnega titana v obliki AlTi5Bl za nastanek optimalne velikosti kristalnih zrn v Al 99,8 je reda velikosti 0,01 m. %; ta količina je skladna z literaturnimi navedbami
10
Tabela X: Povprečna velikost kristalnih zrn pri posameznih količinah dodanih predzlitin
Table 1: Average grain-size for several quantities of added master-alloys
Vrsta	Dodani titan	Dodana	Velikost zrn
	(m.%)	predzlitina (kg/t)	(|im)
AlTi5Bl-žica	0,009	1.6	194
AlTi5Bl-ingot	0,013	2,4	232
AlTi5B0,2-žica	0,021	4,4	254
AlTi5B0,2-ingot	0,044	8,1	251
200
190
n 180
170
160
150
		
		/ / / 0
S \ \ s	o	o/ / /
		
1 1 1 1 M 1 1	O 1 1 1 II 1 11	1 1 1
5 10	50
Kontaktni čas (min.)
100
500
Slika 5: Vpliv kontaktnega časa na povprečno velikost kristalnih zrn v Al 99,8 z 0,02 m.% Ti, ki je bil dodan v obliki predzlitine AlTi5B 1
(žica)
Figure 5: Effect of holding time on the average grain-size in Al 99.8 with the 0.02 wt. % Ti added in the form of AlTi5Bl master-alloy (wire)
S povečanjem nečistot v aluminiju se zmanjšajo potrebne količine predzlitine AlTi5B 1 oziroma titana za nastanek drobnozrnate mikrostrukture (Slika 3). Zrna s kritično velikostjo 200 do 220 pm nastanejo v Al 99,8 pri dodatku 1,5 do 2 kg AlTi5B 1/1 t Al in v Al 99,3 pri dodatku 0,5 kg AlTi5B 1/1 t Al. Intenzivnejše zmanjševanje zrn v Al 99,3 je predvsem posledica višje vsebnosti železa.
Učinek titana in bora na velikost kristalnih zrn je odvisen tudi od parametrov ulivanja, med katerimi sta najpomembnejša kontaktni čas in temperatura taline. Na sliki 5 je prikazana odvisnost velikosti zrn od kontaktnega časa. To je čas, ki poteče med dodajanjem Al-Ti-B v talino in začetkom strjevanja. Optimalni kontaktni čas za AlTi5Bl bi bil 40 do 50 minut, kar pa iz
60
50
40
30
20
					
	t				
					
					
				št zrn/i velikost	
			O—0		zrn
0t 660
250
225 200 ~
175
o
150 >5
125
680 700 720 740 Temperatura taline (*C)
760
780
100
Slika 6: Vpliv temperature taline na velikost in število zrn v Al 99,8 z 0,02 m. % Ti, ki je bil dodan v obliki predzlitine AlTi5B 1 (žica) Figure 6: Effect of the temperature of the melt on the numbers and grain-size in Al 99.8 with the 0.02 wt. % Ti added in the form of AlTi5B 1 master-alloy (wire)
praktičnih razlogov ni izvedljivo. Predzlitine se dodajajo v ulivni kanal med ulivanjem taline iz ulivne peči; kontaktni časi v tem primeru so znatno krajši. Dobri modifi-katorji morajo zato imeti najnižjo točko v krivulji pri čim krajših časih.
Pomemben vplivni parameter, ki lahko izniči učinek modifikatorjev, je temperatura taline med kontaktnim časom in ulivanjem. Višje temperature taline povzročijo nastanek večjih zrn, kljub prisotnosti večjih količin titana (Slika 6). Zmanjšanje števila zrn oziroma povečanje njihove velikosti je posledica manjše ohlajevalne hitrosti med strjevnjem ulitkov, ki so uliti z višjih temperatur.
4 Sklepi
1.	Učinkovitost različnih vrst predzlitin Al-Ti-B na zmanjšanje kristalnih zrn v Al 99,8 pojema v naslednjem vrstnem redu: AlTi5Bl (žica), AlTi5Bl (ingot) AlTi5B0,2 (žica), AlTi5B0,2 (ingot).
2.	Z naraščajočo vsebnostjo nečistot v aluminiju se manjša količina potrebnih dodatkov predzlitin za nastanek kritične velikosti zrn 200-220 |im.
3.	Učinek AI-Ti-B na velikot kristalnih zrn v Al 99,8 se v intervalu od 680°C do 760°C manjša z naraščajočo temperaturo.
4. Velikost kristalnih zrn v ulitkih Al 99,8 se spreminja s kontaktnim časom.
6 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-refining alloys, Journal of Metals, 31, 1979, 11, 27/31
3	L. Backerud: How doas a good grain refiner work?, Light Metal Age, oktober 1983, str. 6/12
4	E. Lossack: Einsatz von AlTiB-Vorlegirungen zur Al-Kornfeinung und damit verbundene Qualitaetskontrollen. Erimetall, 30, 1977, 6, 243/247
5	A. Banerji, W. Reif: Present Situation of grain refinement and its effect on the product quality, Metali, 41, 1987, 4, 393/398
6	A. J. Cornish: The influence of boron on the mechanism of grain refinement in dilute aluminium-titanium alloys. Metal Science, 19, 1975, 477/484
7F 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 8 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 Alloys N. V. Arnhem, Nizozemska, str. 1/10 'I. J. Polmear: Light alloys. Arnold, London, 1995 10 L. Arnberg, L. Backerud, H. Klang: Grain refinement of aluminuin 1, 2, 3, Metals Technology, 9. Part 1, 1982, 1/17