鋁鈦硼中間合金：實現優異的鋁晶粒細化

晶粒細化是鋁錠生產商最具成本效益的冶金工具之一。添加 鋁鈦硼中間合金 （通常為 AlTi5B1 或 AlTi3B3）可將粗大的柱狀晶轉變為細小的等軸晶組織，從而顯著提升機械性能、減少熱裂傾向，並改善後續加工性能。然而，許多熔鑄車間因添加技術不當、攪拌不足或忽略衰退效應，未能充分發揮晶粒細化的潛力。

本文提供一份實用指南，說明如何透過鋁鈦硼中間合金優化晶粒細化，內容涵蓋等級選擇、添加最佳實務、衰退管理，以及證明每公斤中間合金投入皆值得的性能提升。

為何晶粒細化至關重要

未經細化的鋁凝固時會形成從模壁定向生長的粗大柱狀晶。此結構具有多項缺點：

• 機械性能不佳： 粗大晶粒降低降伏強度與伸長率
• 熱裂敏感性高： 柱狀晶間結合不良，凝固時易產生裂紋
• 偏析： 大晶粒促進合金元素的微觀偏析
• 陽極處理反應不一致： 晶粒取向差異導致表面外觀不均
• 補縮能力下降： 晶間補縮不良增加縮鬆

細小的等軸晶（通常直徑 100–300 μm）可解決上述所有問題，生產出更強、更具延展性且更一致的鋁錠。

圖 1：未細化鋁（左）顯示粗大柱狀晶；經 AlTiB 細化之鋁（右）顯示細小等軸晶。

作用機制：Al-Ti-B 如何運作

鋁鈦硼中間合金含有兩種關鍵金屬間化合物相，可作為鋁晶粒的形核點：

1. TiB₂（二硼化鈦）粒子： 這些是主要的形核劑。TiB₂ 具有與鋁相似的晶體結構和較低的晶格錯配度，是優異的異質形核基質。典型的 TiB₂ 粒徑為 0.5–3 μm。
2. TiAl₃（三鋁化鈦）粒子： 這些粒子在保溫過程中溶解，釋放出鈦進入溶液。溶解的鈦會降低鋁晶粒的生長速率，為 TiB₂ 粒子提供更多形核新晶粒的機會。

晶粒細化效率取決於 活性 TiB₂ 粒子的數量 和 溶解鈦含量。不良的添加實務可能使 TiB₂ 粒子失活（透過團聚或沉降），或使鈦損失於氧化浮渣中。

選擇合適的 Al-Ti-B 等級

兩種商業等級主導鋁晶粒細化市場：

選用指南： 大多數應用從 AlTi5B1 開始。如果在高矽合金（>7% Si）中遇到衰退或細化不足，請改用 AlTi3B3。較高的硼含量可提供更多 TiB₂ 粒子作為成核點。

正確添加技術：成功的關鍵

添加 Al-Ti-B 母合金並非簡單地將棒材或華夫餅塊投入爐中。請遵循以下經過驗證的做法：

添加溫度

• 最佳範圍： 710–740°C
• 過低（<690°C）： 母合金溶解不完全；TiB₂ 粒子可能無法分散
• 過高（>760°C）： 加速粒子粗化（奧斯特瓦爾德熟化），效率降低，氧化增加

添加形式與位置

• 棒材形式（直徑 19–25 mm）： 在轉注過程中將其餵入金屬流中，或將其浸入爐內。避免將其丟在熔體頂部的浮渣層上。
• 華夫餅塊或板狀形式： 在合金化過程中添加到爐中。確保母合金快速浸沒；必要時使用浸入鐘罩。
• 線圈形式（用於在線添加）： 在澆鑄過程中連續餵入流槽。這可在凝固前直接提供新鮮的 TiB₂ 粒子——衰退最小化。

攪拌要求

攪拌是無可妥協的。 添加後，使用機械或電磁攪拌徹底攪拌熔體 5–10 分鐘 攪拌不足會導致：

• TiB₂ 粒子團聚和沉澱
• 鑄錠內部晶粒尺寸不均勻
• 不同爐次間細化效果不一致

了解與管理衰退

衰退 是指在添加母合金後，晶粒細化效果隨時間逐漸喪失的現象。衰退的發生是由於：

• 粒子沉澱： TiB₂ 粒子（密度 4.5 g/cm³）比鋁（2.7 g/cm³）重，會隨時間沉澱到爐底
• 粒子團聚： TiB₂ 粒子碰撞形成團簇，減少了活性成核點的數量
• 中毒： 某些元素（Zr、Cr、Mn、高含量 Si）會使 TiB₂ 粒子表面失活
• 溶解鈦的損失： 鈦氧化進入浮渣層

衰退時間線與管理策略

衰退管理最佳實踐：

• 15 分鐘內澆鑄 盡可能在 Al-Ti-B 添加後
• 對於較長的保溫時間： 使用在線添加（餵線機）直接進入流槽，完全消除衰退
• 澆鑄前重新攪拌 如果保溫超過 30 分鐘，請在澆鑄前重新攪拌——這會使沉澱的 TiB₂ 粒子重新懸浮
• 對於高矽合金（>7% Si）： 使用 AlTi3B3，因其具有更高的粒子密度，抗衰退性能更好

圖 2：晶粒細化衰退——未經重新攪拌，30 分鐘後晶粒尺寸顯著增大。

對機械性能的影響

Hall-Petch 關係式（σ_y = σ_0 + k·d^{-1/2}）量化了晶粒尺寸對屈服強度的影響。晶粒越細，材料強度越高。對於鋁合金，適當的晶粒細化通常可實現：

• 屈服強度提升： 與未細化材料相比，屈服強度提高 15–25%
• 延伸率改善： 延伸率提高 20–40%
• 熱裂減少： 熱裂減少 50–80%
• 疲勞壽命延長： 疲勞壽命延長 2–5 倍

對於鑄造鋁合金（例如 A356），晶粒細化還能改善凝固過程中的補縮，減少微縮鬆。

中毒：它是什麼以及如何避免

晶粒細化中毒 當合金中的某些元素使 TiB₂ 成核點失活時，就會發生晶粒細化中毒。已知的中毒元素包括：

• 鋯 (Zr)： 形成與鋁晶格匹配性差的 (Ti,Zr)B₂ 粒子
• 鉻 (Cr)： 與 Zr 類似的中毒機制
• 錳 (Mn)： 高含量（>0.5%）時為輕度毒物
• 極高含量（>10%）的矽 (Si)： 可能降低 TiB₂ 的潤濕性

中毒合金的解決方案：

• 將添加量提高 50–100% 以克服中毒
• 改用 AlTi3B3（每公斤提供更多 TiB₂ 粒子）
• 使用在線添加（餵線機）以最小化添加與凝固之間的時間
• 對於嚴重中毒的系統，考慮替代細化劑（例如 Al-Ti-C）

不同鋁合金系列的晶粒細化

品質控制：驗證晶粒細化效果

為確保一致的晶粒細化效果，請實施以下驗證步驟：

1. 巨觀腐蝕檢測： 切割鑄錠並用 10–20% NaOH 蝕刻以顯露晶粒組織。與參考標準進行比較。
2. 線性截距法： 使用ASTM E112標準測量平均晶粒尺寸。目標晶粒尺寸取決於合金及應用，但一般來說，對於大多數鑄錠產品，小於300 μm是可接受的。
3. 熱分析： 監控凝固過程中的溫度平台。經細化處理的鋁會因更多的成核點而呈現更長、更平坦的平台。
4. 熱裂紋檢查： 鑄造試驗中熱裂紋的減少證實了有效的細化效果。

案例：擠壓鑄棒的轉變

一家生產建築用6063鋁鑄棒的擠壓廠，因不同爐次間晶粒尺寸不穩定（300–800 μm），導致擠壓速度不一致且表面光潔度差。其原有做法是每噸添加1.5公斤AlTi5B1，但缺乏標準化的攪拌或衰退管理。

在實施優化的晶粒細化工藝後：

• AlTi5B1添加量維持在每噸1.5公斤
• 機械攪拌時間從添加後的2分鐘增加到8分鐘
• 澆鑄前的保溫時間限制在最多20分鐘
• 為關鍵訂單安裝了線上餵絲機

三個月後的結果：

• 晶粒尺寸穩定在120–180 μm（變異係數降低70%）
• 擠壓速度提高18%（相同壓機，相同模具）
• 表面光潔度提升至A級陽極氧化品質
• 表面缺陷廢品率從5.2%降至1.1%
• 因減少廢料和提高生產率而節省的年度成本：320,000美元

經驗教訓： 正確的工藝能將中間合金投資的價值倍增。

常見晶粒細化問題的故障排除

Al-Ti-B中間合金是鋁錠生產中最強大且最具成本效益的晶粒細化工具，但其效果完全取決於正確的操作。通過選擇合適的牌號（大多數合金用AlTi5B1，高矽或挑戰性應用用AlTi3B3），在正確的溫度（710–740°C）下添加，徹底攪拌（5–10分鐘），管理衰退（在15分鐘內澆鑄或重新攪拌），並通過巨觀腐蝕檢測驗證結果，熔煉車間可以獲得細小、等軸的晶粒組織，從而實現優異的機械性能、減少熱裂紋，並確保每爐產品品質穩定。Bright Alloys供應 AlTi5B1、AlTi3B3和AlTi5B0.6中間合金 以桿狀、華夫餅狀和線圈形式，並提供冶金技術支持以優化您的晶粒細化實踐。