一种铸造铝合金用Al‑Ti‑B‑Y‑Ce细化剂及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN201611183562.X | 申请日 | 2016-12-20 | 公开(公告)号 | CN106756276A | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 镇江创智特种合金科技发展有限公司; | 发明人 | 张松利; 印厚尚; 张炳荣; 张冬梅; 张倩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种 铸造 铝 合金 用Al‑Ti‑B‑Y‑Ce细化剂及其制备方法和应用。制备的Al‑Ti‑B‑Y‑Ce细化剂的 质量 百分比为：Ti为3.5%~5.5%，B为0.5%~1.5%，Y为0.05%~0.25%，Ce为0.1%~0.3%，余量为Al。本方法制备工艺简单，能准确控制细化剂的成分。使用该细化剂对铸造 铝合金 进行晶粒细化，Ce和Y元素填补于α‑Al树枝晶和共晶 硅 界面处，阻碍α‑Al树枝晶生长，且能细化 铸造铝合金 中粗大的片条状共晶硅相。此外Ce元素和Y元素的交互作用比单一稀土元素细化剂对铸造铝合金细化效果更显著。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用，其特征在于，所述的细化变质剂包含如下的质量百分比组份：Ti为3.5% 5.5%，B为0.5% 1.5%，Y为0.05% 0.25%，~ ~ ~ |
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| 说明书全文 | 一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用技术领域背景技术[0002] 铝合金具有优良的铸造性能，热处理性能，冷加工性能，疲劳性能以及良好的强度和塑性，使用范围广，是目前许多军用和民用交通工具、家装等行业不可或缺材料，在国防建设和国民经济发展中具有重要的战略地位。其中铝硅系铸造合金在汽车、摩托车轮毅制造业中应用范围很广。工业生产中一般采用铸造工艺制坯，由于合金化程度高、两相区域宽，易出现晶粒粗大，在晶界和枝晶界会产生大量非平衡共晶组织，枝晶偏析严重，影响了铸锭的后续加工及产品的组织和性能。 [0003] 铝硅合金中随着合金中Si量的增加，共晶硅也增加，Si相呈现针片状，严重割裂了铝基体，在Si相的尖端处产生应力集中，合金易在晶界处开裂，使合金变脆，力学性能和切削加工性能降低。因此，铝硅合金中，硅含量高于6%时，必须进行细化变质处理。细化变质处理使晶粒细化，使共晶Si由粗大的片状变成细小纤维状或层片状均匀分布在铝基体上，从而提高合金性能。 [0004] 铝合金的细化方法主要是在铝熔体中添加细化剂，目前生产中常用的细化剂有Al-5Ti，Al-Ti-B，Al-Ti-C等，其中Al-5Ti，Al-Ti-B应用最为广泛。针对常用Al-Ti-B细化剂存在的一些缺：TiB2颗粒易聚集、沉淀失去细化能力；B易与Cr、Zr发生中毒反应，丧失细化能力；常用细化剂中的TiB2，Al3Ti粒子，能够成为有效的异质形核核心的不足1%，细化能力有待提高。 [0005] 对现有技术文献的检索发现，中国专利号201210056875（名称“一种铝用Al-Ti-B中间合金细化剂的制备方法”）该专利技术是在较高温度的铝熔体中加入Ti粉、硼酸、氟硼酸钾和氯化钾，长时间连续搅拌，得到铝合金细化剂。但是制备方法在熔炼的过程中会产生有毒气体，对坩埚也有腐蚀作用。该制备工艺存在一定的局限，所制备的铝合金的性能有待进一步提高。中国专利号201110397093.2（“一种铝合金变质剂及其添加方法”），该专利是待铝合金精炼完毕后，变质剂在保护气体作用下加入，工艺繁琐，成本增加。 [0006] 研究者对铝合金细化剂进行了大量的研究，国内外研究发现稀土Sc，La等，具有细化晶粒的作用，主要因为稀土元素具有较大的偏析系数，在凝固过程中易偏析，形成了较大的成分过冷，细化了晶粒；易在晶界、相界处偏聚，阻碍了晶粒的长大，细化了晶粒。稀土元素具有吸附作用，能够有效吸附间隙原子O，N，H等，起到净化作用。“稀土在Al-Ti-B-RE中间合金中的作用”（张胜华，张涵，朱云二，中南大学学报（自然科学版）. 2005, 36 (3) :386-388 ），研究了富Ce稀土对Al-Ti-B组织和细化效果影响，发现稀土可以改善Al3Ti和TiB2粒子的分布，降低其尺寸，提高其细化效果；“铝钛硼稀土细化剂的组织特点”（李志扬，倪红军，汪兴兴，朱星，黄明宇二铸造技术.2012. 32 (1) : 20-22），研究了富Ce稀土对工业纯铝细化的影响，发现稀土能够延长Al-Ti-B的细化衰退时间。在Al-Ti-B中添加稀土元素如Y，Ce等，改善了细化剂中Al3Ti，TiB2粒子的尺寸、形貌、分布，可以获得较好质量的细化剂。 发明内容[0007] 本发明提供了一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用。解决了TiB2颗粒易聚集、B易与Cr、Zr发生中毒反应，丧失细化能力的问题并延长了Al-Ti-B的细化衰退时间。解决上述问题的技术路线是添加不同含量的Y和Ce，制备一种复合变质细化剂。 [0008] 一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂包含如下的质量百分比组份：Ti为 3.5%~5.5%，B为0.5% 1.5%，Y为0.05% 0.25%，Ce为0.1% 0.3%，余量为Al。 ~ ~ ~ [0009] 上述一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用，其特征在于，Ti、B以TiO2粉、B2O3粉加入，Y、Ce以中间合金形式加入，采用熔体反应法制备，具体包括以下步骤：（1）原料准备，按要求称量铝粉、TiO2粉、B2O3粉、Al-Y合金、Al-Ce合金、铝锭，要求nAl粉 : nTiO2粉 : nB2O3粉=6:（1.5~2.5）:（1.2~1.5），铝锭纯度99. 9%； （2）将铝粉、TiO2粉和B2O3粉、放入真空球磨罐中，按一定的球料比在一定的转速下高能球磨一段时间，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体； （3）将铝锭放入功率为10kW的电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在800℃-900℃，覆盖一层冰晶石覆盖剂，石墨钟罩压入步骤（2）的块体，石墨棒均匀搅拌，反应l5min；反应完成后，降温至730℃ 750℃；石墨钟罩压入Al-Ce、Al-Y中间合金，静置10min，直至中间~ 合金完全熔化并且扩散均匀；压入C2Cl6，精炼，扒渣，将铝熔体浇注到已预热200℃的铁模中，获得Al-Ti-B-Y-Ce变质细化剂。 [0010] 上述铝粉为200目、TiO2粉为300目、B2O3粉为325目。步骤（2）中的一定球料比优选（7 10）:1，一定转速优选250 400rpm，一段时间优选6 8h。~ ~ ~ [0012] 图1为实施方式2得到的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质AlSi9Cu1铝合金的光镜图。由图可见，α-Al晶粒细小，合金组织均匀。 具体实施方式[0014] 本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。 [0015] 实施方式1：本实施方式的一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用通过以下步骤实现的： （1）原料准备，制备 Al-Ti-B-Y-Ce细化剂包含如下的质量百分比组份：Ti为4%，B为 1.2%，Y为0.1%，Ce为0.2%，余量为Al；按要求称量铝粉、TiO2粉、B2O3粉、Al-Y合金、Al-Ce合金、铝锭，要求nAl粉 : nTiO2粉 : nB2O3粉=6:2:1，铝锭纯度99. 9%； （2）将铝粉、TiO2粉和B2O3粉、放入真空球磨罐中，按球料比8:1，在转速300rpm下高能球磨6h，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体； （3）将铝锭放入功率为10kW的电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在800℃-900℃，覆盖一层冰晶石覆盖剂，石墨钟罩压入步骤（2）的块体，石墨棒均匀搅拌，反应l5min；反应完成后，降温至730℃ 750℃；石墨钟罩压入Al-Ce、Al-Y中间合金，静置10min，直至中间~ 合金完全熔化并且扩散均匀；压入C2Cl6，精炼，扒渣，将铝熔体浇注到已预热200℃的铁模中，获得Al-4Ti-1.2B-0.1Y-0.2Ce变质细化剂。 [0016] 细化效果比较：对AlSi9Cu1铝合金进行晶粒细化处理的条件：采用功率为10kW的石墨坩埚电阻炉熔炼AlSi9Cu1铝合金，待合金完全熔化后，将温度降至750℃，保温l0min，扒渣。待熔体温度降至 730℃时，加入0.1wt%的Al-4Ti-1.2B-0.1Y-0.2Ce细化剂，静置10min，扒渣，最后将熔体浇注入预热200℃的铜模具中。所得Al-4Ti-1.2B-0.1Y-0.2Ce细化变质的AlSi9Cu1铝合金与未细化变质的AlSi9Cu1铝合金进行微观组织和力学性能的比较。 [0017] 实施方式2：本实施方式的一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用通过以下步骤实现的： （1）原料准备，制备 Al-Ti-B-Y-Ce细化剂包含如下的质量百分比组份：Ti为5%，B为 1.2%，Y为0.2%，Ce为0.3%，余量为Al；按要求称量铝粉、TiO2粉、B2O3粉、Al-Y合金、Al-Ce合金、铝锭，要求nAl粉 : nTiO2粉 : nB2O3粉=6:2:1，铝锭纯度99. 9%； （2）将铝粉、TiO2粉和B2O3粉、放入真空球磨罐中，按球料比7:1，在转速300rpm下高能球磨7h，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体； （3）将铝锭放入功率为10kW的电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在800℃-900℃，覆盖一层冰晶石覆盖剂，石墨钟罩压入步骤（2）的块体，石墨棒均匀搅拌，反应l5min；反应完成后，降温至730℃ 750℃；石墨钟罩压入Al-Ce、Al-Y中间合金，静置10min，直至中间~ 合金完全熔化并且扩散均匀；压入C2Cl6，精炼，扒渣，将铝熔体浇注到已预热200℃的铁模中，获得Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce变质细化剂。 [0018] 细化效果比较：对AlSi9Cu1铝合金进行晶粒细化处理的条件：采用功率为10kW的石墨坩埚电阻炉熔炼AlSi9Cu1铝合金，待合金完全熔化后，将温度降至750℃，保温l0min，扒渣。待熔体温度降至 730℃时，加入0.1wt%的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化剂，静置10min，扒渣，最后将熔体浇注入预热200℃的铜模具中。所得Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质的AlSi9Cu1铝合金与未细化变质的AlSi9Cu1铝合金进行微观组织和力学性能的比较。 [0019] 本实施方式得到的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质AlSi9Cu1铝合金抗拉强度达到268MPa，比未进行细化变质的AlSi9Cu1合金的抗拉强度218MPa提高了22.9%，本实施方式得到的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质AlSi9Cu1铝合金的延伸率达6.1%，比未进行细化变质的AlSi9Cu1合金的延伸率3.7%提高了64.8%。 [0020] 本实施方式得到的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质AlSi9Cu1铝合金的光镜如图1所示。由图1可见，α-Al晶粒细小，合金组织均匀。 [0021] 本实施方式得到的Al-5Ti-1.2B-0.2Y-0.3Ce细化变质AlSi9Cu1铝合金拉伸应力-应变曲线与未细化变质的AlSi9Cu1合金的拉伸应力-应变曲线对比图由图2所示。 |
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