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研究生： 李正德
Cheng-Te Lee
論文名稱： 細晶劑添加對鋁合金細晶之影響
Effects of grain-refiner addition upon the grain refinement of aluminum alloys
指導教授： 陳信文
Sinn-Wen CHEN
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2000
畢業學年度： 88
語文別： 中文
論文頁數： 143
中文關鍵詞： 晶粒 、細晶劑
外文關鍵詞： grain, grain refinement
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    • 鋁合金晶粒細化的方法有很多，諸如加快鑄件的冷卻速率、施加機械力攪拌鋁湯或是於鋁湯中添加細晶劑等。其中，關於冷卻速率對鑄件晶粒之影響，文獻中已有明確的定論，因此，實驗中對這部分的探討僅以室溫冷卻鋁湯及吹風冷卻鋁湯兩種不同的冷卻速率進行分析。至於細晶劑的添加對鋁合金晶粒細化之影響才是本研究的重點，實驗中選用的細晶劑有Al-3wt％Ti-1wt％B、Al-3wt％Ti-0.2wt％B及Al-6wt％Ti三種。實驗過程是經由電解蝕刻後，以光學顯微鏡配合偏光鏡片觀察晶粒並使用影像分析系統量測晶粒的變化。結果發現鋁湯固化時處於室溫冷卻與吹風冷卻下，由於兩者的冷卻速率差異不大，因此，對於鑄件晶粒大小的改變並不太顯著。然而，添加細晶劑於鋁湯中卻明顯地造成鑄件晶粒的細化，當細晶劑添加量過多時，晶粒細化的程度會趨緩甚至停止細晶，此時即達到飽和狀態。三種細晶劑中以添加Al-3wt%Ti-1wt%B的細晶效果最好，Al-3wt%Ti-0.2wt%B次之，而Al-6wt%Ti最差。
    此外，本研究的另一個主題就是Al-Ti-B及Al-Ti細晶機制的探討。實驗中以Al-3wt％Ti-1wt％B、Al-3wt%Ti-0.2wt%B及Al-6wt%Ti為鋁合金晶粒細化的細晶劑，藉由量測所添加Al-Ti-B細晶劑裡的Al3Ti與TiB2總數及鋁湯固化後鑄件晶粒總數；Al-Ti細晶劑裡的Al3Ti總數及鋁湯固化後鑄件晶粒總數來判斷鋁合金晶粒細化的機制。結果證實鋁湯中所添加Al-3wt％Ti-1wt％B及Al-3wt%Ti-0.2wt%B裡的TiB2的總數遠遠比鋁湯固化後鑄件晶粒來的多；而鑄件晶粒又比鋁湯中Al3Ti的個數來的多。此表示鋁湯中的Al3Ti總數並不能提供足夠的成核基質，使鑄件達到良好的細晶效果，反而是TiB2才有足夠的數目來當成核基質。另外，鋁湯中所添加Al-6wt%Ti裡的確有足夠的Al3Ti，但並不能表示其會有良好的細晶能力，這是因為部分的Al3Ti都溶解於鋁湯中。添加Al-6wt%Ti造成晶粒細化的原因除了系統發生包晶反應外，部分的Al3Ti成核也是原因之一。

    目 錄 摘要Ⅰ 目錄Ⅲ 表目錄Ⅵ 圖目錄Ⅶ 一、緒論 1 二、文獻回顧 4 2-1 成核與成長動力學 4 2-2 冷卻速率對鑄件晶粒之研究 5 2-3 施加機械力造成晶粒球化的機制 6 2-4 Al-Ti及Al-Ti-B細晶劑之細晶機制研究 7 三、研究方法 22 3-1 實驗材料 22 3-2 實驗設備與儀器 24 3-3 實驗流程 26 3-3.1 合金的準備與來源 26 3-3.2冷卻曲線量測裝置之建立 27 3-3.3 鑄造不同冷卻速率之鑄件 27 3-3.4鑄造不同細晶劑添加量之合金 28 3-3.5鋁合金晶粒之觀察 28 3-3.6鋁合金晶粒之量測 29 3-4 Al3Ti及TiB2粒子的觀察與量測 30 3-4.1 Al-Ti-B細晶劑 30 3-4.2 Al-Ti細晶劑 30 四、實驗結果 34 4-1 5052鋁湯在室溫冷卻與吹風冷卻下之晶粒量測 34 4-2 添加Al-3wt％Ti-1wt％B於鋁湯中所造成的細晶效果 35 4-2.1 添加Al-3wt％Ti-1wt％B於Al中所造成的細晶效果 35 4-2.2 添加Al-3wt％Ti-1wt％B於Al-3wt％Mg中所造成的 細晶效果 36 4-3 添加Al-3wt％Ti-0.2wt％B於鋁湯中所造成的細晶效果 38 4-3.1添加Al-3wt％Ti-02wt％B於Al中所造成的細晶效果 38 4-3.2添加Al-3wt％Ti-0.2wt％B於Al-3wt％Mg中所造成的細晶效果 39 4-4 添加Al-6wt％Ti於鋁湯中所造成的細晶效果 40 4-4.1 添加Al-6wt％Ti於Al中所造成的細晶效果 40 4-4.2 添加Al-6wt％Ti於Al-3wt％Mg中所造成的細晶效果 41 4-5 Al3Ti與TiB2顆粒的計算結果 43 4-5.1 Al-3wt％Ti-1wt％B裡Al3Ti與TiB2粒子的計算 43 4-5.2 Al-3wt％Ti-0.2wt％B裡Al3Ti與TiB2粒子的計算 44 4-5.3 Al-6wt％Ti裡Al3Ti粒子的計算 44 五、實驗討論 89 5-1 不同冷卻速率對鑄件晶粒的影響 89 5-2 添加細晶劑對鑄件晶粒的影響 89 5-3 Al-Ti-B細晶劑與Al-Ti細晶劑對鋁合金晶粒細化之比較 90 5-4 Al3Ti、TiB2與鑄件晶粒三者比較之結果 91 5-4.1 Al-3wt％Ti-1wt％B 92 5-4.2 Al-3wt％Ti-0.2wt％B 93 5-4.3 Al-6wt％Ti 95 5-5 細晶機制的探討 97 六、結論 107 七、參考文獻 108 表 目 錄 表3-1 不同Al-3wt％Ti-1wt％B添加量之Al、Al-3wt％Mg組成 31 表3-2 不同Al-3wt％Ti-0.2wt％B添加量之Al、Al-3wt％Mg組成 31 表3-3 不同Al-6wt％Ti添加量之Al、Al-3wt％Mg組成 32 表3-4 Al及Al-3wt％Mg的電解蝕刻條件 32 表4-1 5052室溫冷卻之晶粒量測 45 表4-2 5052吹風冷卻之晶粒量測 45 表4-3 晶粒大小量測系統之比較表 46 表4-4 Al添加Al-3Ti-1B之鑄件晶粒數據 47 表4-5 Al-3Mg添加Al-3Ti-1B之鑄件晶粒數據 47 表4-6 Al添加Al-3Ti-0.2B之鑄件晶粒數據 48 表4-7 Al-3Mg添加Al-3Ti-0.2B之鑄件晶粒數據 48 表4-8 Al添加Al-6Ti之鑄件晶粒數據 49 表4-9 Al-3Mg添加Al-6Ti之鑄件晶粒數據 49 表5-1 Al晶粒個數與Al-3Ti-1B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較 99 表5-2 Al-3Mg晶粒個數與Al-3Ti-1B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較 99 表5-3 Al晶粒個數與Al-3Ti-0.2B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較 100 表5-4 Al-3Mg晶粒個數與Al-3Ti-0.2B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較 100 表5-5 Al晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較 101 表5-6 Al-3Mg晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較 101 表5-7 鑄件晶粒數扣掉原始的Al-3Mg晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較 101 圖 目 錄 圖1-1 Al-Ti-B合金的微結構。大的顆粒為Al3Ti，小的顆粒為TiB2[28] 3 圖2-1 純鋁鑄錠的巨觀結構[34] 14 圖2-2 Al-10wt％Zn合金在不同冷卻速度下的巨觀結構[34] 14 圖2-3 樹枝狀晶受剪應力作用而斷裂之示意圖[9] 15 圖2-4 球狀晶成長之示意圖[8] 15 圖2-5 Al-4.9wt％Cu添加0.01％B及各種不同過渡金屬之晶粒細化的情形[2] 16 圖2-6 Al3Ti晶體在鋁湯中發生包晶反應的過程[16] 16 圖2-7 Al-Ti二元相圖[17] 17 圖2-8 Al-B二元相圖[17] 17 圖2-9 (a)Al-5.35wt％Ti加入鋁湯中晶粒細化的情形。(b)Al-5.35wt％Ti加入含有100ppmB的鋁湯中之晶粒細化的情 形。[21] 18 圖2-10 (a)Al-5.35wt％Ti加入鋁湯中晶粒細化的情形。(b)Al-5.4wt％Ti-0.034wt％B加入鋁湯中晶粒細化的情形。(c) Al-5wt％Ti-0.2wt％B加入鋁湯中晶粒細化的情形。[21] 18 圖2-11 添加Al-4.8wt％Ti-1wt％B(triangles)，Al-5.3wt％Ti-0.1wt％B(circles)，Al-6.2wt％Ti-0.03wt％B(squares)於鋁湯中 的晶粒細化情形[15] 19 圖2-12 添加Al-4.8wt％Ti-1wt％B，Al-5.3wt％Ti-0.1wt％B，Al-6.2wt％Ti-0.03wt％B於鋁湯中其個別成核的溫度[27] 19 圖2-13 硼化物在Al3Ti晶體表面形成保護層[26] 20 圖2-14 TiAl3晶體在保護層內溶解狀況及Ti濃度隨時間變化的情形[26] 20 圖2-15 Ti濃度為0.01wt％時，TiB2晶體在鋁晶粒內的情形[4] 21 圖2-16 Ti濃度為0.5wt％時，TiB2晶體在鋁晶粒內的情形[4] 21 圖3-1 冷卻曲線量測裝置圖 33 圖4-1 純鋁室溫冷卻之冷卻曲線 50 圖4-2 純鋁吹風冷卻之冷卻曲線 50 圖4-3 5052室溫冷卻之冷卻曲線 50 圖4-4 5052吹風冷卻之冷卻曲線 50 圖4-5 A356室溫冷卻之冷卻曲線 50 圖4-6 A356吹風冷卻之冷卻曲線 50 圖4-7 A357室溫冷卻之冷卻曲線 51 圖4-8 A357吹風冷卻之冷卻曲線 51 圖4-9 86S室溫冷卻之冷卻曲線 51 圖4-10 86S吹風冷卻之冷卻曲線 51 圖4-11 5052在室溫冷卻時之金相微結構 52 圖4-12 5052在吹風冷卻時之金相微結構 52 圖4-13 Al＋0g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 53 圖4-14 Al＋0.8g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 53 圖4-15 Al＋1.6g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 54 圖4-16 Al＋3.2g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 54 圖4-17 Al＋4.8g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 55 圖4-18 Al＋6.4g Al-3Ti-1B/KgAl之金相微結構 55 圖4-19 Al添加Al-3Ti-1B之晶粒大小量測 56 圖4-20 Al添加Al-3Ti-1B之晶粒長軸量測 56 圖4-21 Al添加Al-3Ti-1B之晶粒短軸量測 57 圖4-22 Al晶粒大小與Al-3Ti-1B添加量之關係 57 圖4-23 Al晶粒長、短軸與Al-3Ti-1B添加量之關係 58 圖4-24 Al-3Mg＋0g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 58 圖4-25 Al-3Mg＋0.8g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 59 圖4-26 Al-3Mg＋1.6g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 59 圖4-27 Al-3Mg＋3.2g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 60 圖4-28 Al-3Mg＋4.8g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 60 圖4-29 Al-3Mg＋6.4g Al-3Ti-1B/KgAl-3Mg之金相微結構 61 圖4-30 Al-3Mg添加Al-3Ti-1B之晶粒大小量測 61 圖4-31 Al-3Mg添加Al-3Ti-1B之晶粒長軸量測 62 圖4-32 Al-3Mg添加Al-3Ti-1B之晶粒短軸量測 62 圖4-33 Al-3Mg晶粒大小與Al-3Ti-1B添加量之關係 63 圖4-34 Al-3Mg晶粒長、短軸與Al-3Ti-1B添加量之關係 63 圖4-35 Al＋0g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 64 圖4-36 Al＋0.8g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 64 圖4-37 Al＋1.6g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 65 圖4-38 Al＋3.2g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 65 圖4-39 Al＋4.8g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 66 圖4-40 Al＋6.4g Al-3Ti-0.2B/KgAl之金相微結構 66 圖4-41 Al添加Al-3Ti-0.2B之晶粒大小量測 67 圖4-42 Al添加Al-3Ti-0.2B之晶粒長軸量測 67 圖4-43 Al添加Al-3Ti-0.2B之晶粒短軸量測 68 圖4-44 Al晶粒大小與Al-3Ti-0.2B添加量之關係 68 圖4-45 Al晶粒長、短軸與Al-3Ti-0.2B添加量之關係 69 圖4-46 Al-3Mg＋0g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 69 圖4-47 Al-3Mg＋0.8g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 70 圖4-48 Al-3Mg＋1.6g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 70 圖4-49 Al-3Mg＋3.2g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 71 圖4-50 Al-3Mg＋4.8g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 71 圖4-51 Al-3Mg＋6.4g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 72 圖4-52 Al-3Mg＋9.6g Al-3Ti-0.2B/KgAl-3Mg之金相微結構 72 圖4-53 Al-3Mg添加Al-3Ti-02B之晶粒大小量測 73 圖4-54 Al-3Mg添加Al-3Ti-0.2B之晶粒長軸量測 73 圖4-55 Al-3Mg添加Al-3Ti-0.2B之晶粒短軸量測 74 圖4-56 Al-3Mg晶粒大小與Al-3Ti-0.2B添加量之關係 74 圖4-57 Al-3Mg晶粒長、短軸與Al-3Ti-0.2B添加量之關係 75 圖4-58 Al＋0g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 75 圖4-59 Al＋0.8g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 76 圖4-60 Al＋1.6g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 76 圖4-61 Al＋3.2g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 77 圖4-62 Al＋6.4g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 77 圖4-63 Al＋9.6g Al-6Ti/KgAl之金相微結構 78 圖4-64 Al添加Al-6Ti之晶粒大小量測 78 圖4-65 Al添加Al-6Ti之晶粒長軸量測 79 圖4-66 Al添加Al-6Ti之晶粒短軸量測 79 圖4-67 Al晶粒大小與Al-6Ti添加量之關係 80 圖4-68 Al晶粒長、短軸與Al-6Ti添加量之關係 80 圖4-69 Al-3Mg＋0g Al-6Ti/KgAl-3Mg之金相微結構 81 圖4-70 Al-3Mg＋0.8g Al-6Ti/KgAl-3Mg之金相微結構 81 圖4-71 Al-3Mg＋1.6g Al-6Ti/KgAl-3Mg之金相微結構 82 圖4-72 Al-3Mg＋3.2g Al-6Ti/KgAl-3Mg之金相微結構 82 圖4-73 Al-3Mg＋6.4g Al-6Ti/KgAl-3Mg之金相微結構 83 圖4-74 Al-3Mg添加Al-6Ti之晶粒大小量測 83 圖4-75 Al-3Mg添加Al-6Ti之晶粒長軸量測 84 圖4-76 Al-3Mg添加Al-6Ti之晶粒短軸量測 84 圖4-77 Al-3Mg晶粒大小與Al-6Ti添加量之關係 85 圖4-78 Al-3Mg晶粒長、短軸與Al-6Ti添加量之關係 85 圖4-79 Al-3Ti-1B 之金相微結構 86 圖4-80 Al-3Ti-1B裡Al3Ti之量測結果 86 圖4-81 Al-3Ti-0.2B 之金相微結構 87 圖4-82 Al-3Ti-0.2B裡Al3Ti之量測結果 87 圖4-83 Al-6Ti之金相微結構 88 圖4-84 Al-6Ti裡Al3Ti之量測結果 88 圖5-1 Al晶粒大小與細晶劑添加量之關係圖 102 圖5-2 Al-3Mg晶粒大小與細晶劑添加量之關係圖 102 圖5-3 Al晶粒個數與Al-3Ti-1B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較圖 103 圖5-4 Al-3Mg晶粒個數與Al-3Ti-1B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較圖 103 圖5-5 Al晶粒個數與Al-3Ti-0.2B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較圖 104 圖5-6 Al-3Mg晶粒個數與Al-3Ti-0.2B裡Al3Ti及TiB2粒子個數之比較圖 104 圖5-7 Al晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較圖 105 圖5-8 Al-3Mg晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較圖 105 圖5-9 鑄件晶粒扣掉原始的Al-3Mg晶粒個數與Al-6Ti裡Al3Ti粒子個數之比較圖 106

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