一種鋁硅鑭硼四元中間合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于鑄造鋁硅合金細化的鋁硅鑭硼中間合金及其制備方法，以工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、Al?10La中間合金和Al?3B中間合金為原料，該四種原料的質(zhì)量比為1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)，本發(fā)明涉及的鋁硅鑭硼中間合金中的鑭硼化物能被共晶硅給均勻分割開，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，可以對復雜成分鑄造鋁硅合金中的初生鋁晶粒實現(xiàn)高效細化，特別是在高硅合金中能夠取得優(yōu)異的細化效果，且不會與變質(zhì)元素鍶產(chǎn)生“毒化”作用，從而提高鑄造鋁合金的綜合力學性能，并且能改善其鑄造性能。另外，本細化劑幾乎無孕育期，且細化效果持續(xù)時間長。同時原料豐富，成本較為低廉，無需氣氛保護，制備設(shè)備與工藝簡單。
【專利說明】
一種鋁硅鑭硼四元中間合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種鑄造鋁硅合金用鋁硅鑭硼四元中間合金及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用。但是隨著社會的進步與發(fā)展，對鋁合金的組織和性能提出了更高的要求。而熔鑄出細小均勻的等軸晶組織是獲得優(yōu)良性能的關(guān)鍵所在，晶粒細化成為提高鋁合金性能的重要手段。目前最經(jīng)濟有效的方法是向鋁熔體中加入細化劑，但是由于鋁合金種類繁多，成分也非常復雜。常見的Al-T1、Al-B、Al-T1-B及Al-T1-C等晶粒細化劑在熔體細化處理過程中，細化元素鈦和硼容易與合金元素硅及變質(zhì)元素鍶發(fā)生交互作用，顯著降低細化元素有效含量，從而發(fā)生細化劑失效或出現(xiàn)顯著的細化衰退現(xiàn)象，限制了這些細化劑在鑄造鋁合金中的廣泛應用。因此，開發(fā)可適用于鑄造鋁合金的新型晶粒細化劑，使其在復雜的合金成分條件下具備高效、穩(wěn)定的細化效力是十分必要的。
[0003]稀土在鋁合金中具有變質(zhì)、凈化等許多積極作用。例如稀土元素鈧、鐿不僅能細化初生鋁晶粒，同時還能在一定程度上應用于共晶硅變質(zhì)處理；同時，稀土元素鈧、鐿與鋁、鎂、銅、鐵及硅等元素形成的高溫化合物相，還能有效改善合金的高溫性能。但是稀土元素鈧、鐿的價格過高，不適用于大批量生產(chǎn)，嚴重制約了其在鑄造鋁合金中的廣泛應用。另一方面，稀土元素由于其在高溫鋁熔體中非常活潑，因此向熔體中以單質(zhì)稀土形式添加時燒損非常嚴重，元素收得率很低，開發(fā)新的稀土元素添加工藝也是十分重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種鋁硅鑭硼四元中間合金及其制備方法，通過本發(fā)明獲得的鋁硅鑭硼四元中間合金，其中的六硼化鑭能被共晶硅均勻分割開，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，可以對復雜成分鑄造招娃合金中的初生招枝晶實現(xiàn)尚效細化，特別是在尚娃合金中能夠取得優(yōu)異的細化效果，且不會與變質(zhì)元素鍶產(chǎn)生“毒化”作用。另外，本細化劑幾乎無孕育期，且細化效果持續(xù)時間長。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的鋁硅鑭硼四元中間合金，按照以下方法制備得到:
[0006]步驟1:以工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、Al-1OLa中間合金和A1-3B中間合金為原料，按照四種原料的質(zhì)量比為1: (0.2?0.4): (0.5?0.8): (0.8?1.2)稱料并經(jīng)烘箱烘干備用；
[0007]步驟2:將結(jié)晶硅粉碎成平均尺寸為I?2mm的顆粒，并均勻地平鋪于石墨黏土坩禍的底部；
[0008]步驟3:將所述步驟2中的石墨黏土坩禍置于坩禍電阻爐中，并將烘干后的工業(yè)純鋁放置于結(jié)晶Si顆粒之上，在850 0C -950 0C熔化，保溫2?3小時，獲得均勻的鋁硅熔體；
[0009]步驟4:在所述步驟3獲得的鋁硅熔體中，加入烘干后的A1-3B中間合金，于850?900 °C保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體，
[0010]步驟5:在所述步驟4獲得的均勻熔體中，于880?920°C加入Al-1OLa中間合金，并保溫20-40分鐘，期間每隔5-10分鐘對熔體進行攪拌，獲得均勻熔體。
[0011]步驟6:將所述步驟5獲得的均勻熔體澆入銅模中，并用冷水對銅模進行激冷，待冷卻后獲得中間合金。
[0012]進一步的，本發(fā)明合金中，各成分的質(zhì)量百分數(shù):娃為10%-14%，鑭為1.5%-2.5%，硼為0.5%-1.5%，其他雜質(zhì)為0.3%-0.5%，余量為鋁。
[0013]本發(fā)明的制備上述鋁硅鑭硼四元中間合金的方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:以工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、Al-1OLa中間合金和A1-3B中間合金為原料，按照四種原料的質(zhì)量比為1: (0.2?0.4): (0.5?0.8): (0.8?1.2)稱料并經(jīng)烘箱烘干備用；
[0015]步驟2:將結(jié)晶硅粉碎成平均尺寸為I?2mm的顆粒，并均勻地平鋪于石墨黏土坩禍的底部；
[0016]步驟3:將所述步驟2中的石墨黏土坩禍置于坩禍電阻爐中，并將烘干后的工業(yè)純鋁放置于結(jié)晶Si顆粒之上，在850 0C -950 0C熔化，保溫2?3小時，獲得均勻的鋁硅熔體；
[0017]步驟4:在所述步驟3獲得的鋁硅熔體中，加入烘干后的A1-3B中間合金，于850?900 °C保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體，
[0018]步驟5:在所述步驟4獲得的均勻熔體中，于880?920°C加入Al-1OLa中間合金，并保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體，期間每隔一段時間對熔體進行攪拌。
[0019]步驟6:將所述步驟5獲得的均勻熔體澆入銅模中，并用冷水對銅模進行激冷，待冷卻后獲得中間合金。
[0020]進一步的，本發(fā)明方法中，通過步驟3中加入Si元素，提高了熔體粘度，獲得近共晶或共晶招娃基體。步驟5中，Al-10La中間合金加入后，通過La元素與B元素之間的反應獲得六硼化鑭顆粒。
[0021]本發(fā)明方法中，通過加入硅元素，使得該中間合金中大部分組織為鋁硅共晶組織，作為異質(zhì)形核核心的六硼化鑭顆粒被共晶硅均勻分割開，不產(chǎn)生明顯的團聚。
[0022]本發(fā)明方法的步驟6中，采用銅模結(jié)合水冷工藝，提高中間合金冷卻速度，抑制六硼化鑭顆粒的沉降。
[0023]本發(fā)明在合金中加入一定的Si元素，使得中間合金處于近共晶成分，存在大量的鋁硅共晶組織，共晶Si可以將六硼化鑭顆粒均勻分割，而不產(chǎn)生明顯的偏聚。
[0024]有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0025](I)常見的鋁中間合金，例如Al-T1-B及最近開發(fā)的Al-La-B系中間合金，在制備過程中均會出現(xiàn)硼化物顆粒團聚的現(xiàn)象，導致在應用于鋁合金晶粒細化時，出現(xiàn)細化效率下降的問題，只能通過提高添加量達到效果，但會導致硼化物顆粒在合金晶界的析出，影響合金的力學性能。本發(fā)明在Al-La-B系中間合金的基礎(chǔ)上，通過添加Si元素，利用中間合金凝固過程中形成的鋁硅共晶組織分割先期形成的六硼化鑭顆粒，從而抑制顆粒的團聚，能夠進一步提尚其晶粒細化效力。
[0026](2)常見的Al-T1-B系中間合金的制備過程中，當原位生成硼化物顆粒后，由于純鋁的粘度較小，顆粒不僅容易團聚，還會快速沉降，導致顆粒的宏觀偏析嚴重，影響了晶粒細化效果。本發(fā)明添加Si元素后，可以有效提高鋁熔體的粘度，減緩六硼化鑭顆粒的沉降速度，更有利于在中間合金的組織中獲得均勻彌散分布的顆粒組織，對于鑄造鋁硅合金的晶粒細化效果更顯著。
【附圖說明】
[0027]圖1是實施例一未添加細化劑ZL102合金金相組織照片，放大50倍
[0028]圖2是實施例一添加細化劑ZL102合金金相組織照片，放大50倍
[0029]圖3是實施例一未添加細化劑ZLlOl合金金相組織照片，放大50倍
[0030]圖4是實施例一添加細化劑ZLlOl合金金相組織照片，放大50倍。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0032]實施例一:本實施例中Al-S1-La-B中間合金的制備方法如下:
[0033]步驟I:以工業(yè)純鋁、結(jié)晶31^1-101^中間合金和六1-38中間合金為原料，四種原料的質(zhì)量比為1: 0.2:0.5:0.8稱料并經(jīng)烘箱烘干備用；
[0034]步驟2:將結(jié)晶硅粉碎成平均尺寸約為Imm的顆粒，并均勻地平鋪于石墨黏土坩禍的底部；
[0035]步驟3:將步驟2中的石墨黏土坩禍置于坩禍電阻爐中，并將烘干后的工業(yè)純鋁放置于結(jié)晶Si顆粒之上，在850°C熔化，保溫2小時，獲得均勻的鋁硅熔體。
[0036]步驟4:加入烘干后的A1-3B中間合金，于850°C保溫20分鐘，獲得均勻熔體。
[0037]步驟5:在步驟4獲得均勻熔體中，于880°C加入Al-1OLa中間合金，并保溫20分鐘，獲得均勻熔體，期間每隔一段時間對熔體進行攪拌。
[0038]步驟6:將該熔體澆入烘干的銅模中，并用冷水對銅模進行激冷，待冷卻后獲得晶粒細化劑。
[0039]采用本實施例制備的Al-S1-La-B中間合金細化ZL102合金方法如下:將ZL102放入5KW電阻爐坩禍中，加熱至原料完全熔化，熔體溫度為720?740°C，采用徐州思源三合一精煉劑除氣精煉后靜置30分鐘，然后在710?730°C加入質(zhì)量分數(shù)為I %的Al-S1-La-B細化劑，獲得鋁熔體，鋁熔體中的鑭和硼的質(zhì)量百分數(shù)為0.02%?0.05%和0.01%?0.025%，720°C保溫30分鐘后澆注至金屬型模具中。
[0040]圖1為中ZL102合金細化前放大50倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出存在大量明顯取向性的粗大樹枝狀的初生鋁；圖2為ZL102合金細化后放大50倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出不存在明顯取向性的粗大樹枝狀初生鋁，初生鋁均以均勻的等軸狀存在；
[0041 ] 采用本實施例制備的Al-S1-La-B細化劑細化ZLlOl合金方法如下:將ZLlOl放入5KW電阻爐坩禍中，加熱至原料完全熔化，熔體溫度為720?740°C，采用徐州思源三合一精煉劑除氣精煉后靜置30分鐘，然后在710?730°C加入質(zhì)量分數(shù)為I %的Al-S1-La-B細化劑，獲得鋁熔體，鋁熔體中的鑭和硼的質(zhì)量百分數(shù)為0.02%?0.05%和0.01 %?0.025%，720°C保溫30分鐘后澆注至金屬型模具中。
[0042]圖3為ZLlOl合金細化前放大50倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出存在大量明顯取向性的粗大樹枝狀的初生鋁；圖4為ZLlOl合金細化后放大50倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出不存在明顯取向性的粗大樹枝狀初生鋁，初生鋁均以均勻的等軸狀存在。
[0043]實施例二:本實施例與實施例一不同的是步驟I中四種原料質(zhì)量比為1:0.4:0.8:1.2，其他與實施例一相同。
[0044]實施例三:本實施例與實施例一不同的是步驟I中四種原料質(zhì)量比為1:0.3:0.7:1，其他與實施例一相同。
[0045]實施例四:本實施例與實施例一不同的是步驟2中結(jié)晶硅平均尺寸為2mm，其他與實施例一相同。
[0046]實施例五:本實施例與實施例一不同的是步驟2中結(jié)晶硅平均尺寸為1.5mm，其他與實施例一相同。
[0047]實施例六:本實施例與實施例一不同的是步驟3中熔化溫度為950°C，保溫時間為3小時，其他與實施例一相同。
[0048]實施例七:本實施例與實施例一不同的是步驟3中熔化溫度為900°C，保溫時間為2.5小時，其他與實施例一相同。
[0049]實施例八:本實施例與實施例一不同的是步驟4中保溫溫度為900°C，保溫時間為40分鐘，其他與實施例一相同。
[0050]實施例九:本實施例與實施例一不同的是步驟4中保溫溫度為870°C，保溫時間為30分鐘，其他與實施例一相同。
[0051]實施例十:本實施例與實施例一不同的是步驟5中保溫溫度為920°C，保溫時間為40分鐘，其他與實施例一相同。
[0052]實施例十一:本實施例與實施例一不同的是步驟5中保溫溫度為900°C，保溫時間為30分鐘，其他與實施例一相同。
[0053]上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種鋁硅鑭硼四元中間合金，其特征在于，該合金按以下方法制備得到: 步驟1:以工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、Al-1OLa中間合金和A1-3B中間合金為原料，按照四種原料的質(zhì)量比為1:(0.2?0.4):(0.5?0.8):(0.8?1.2)稱料并經(jīng)烘箱烘干備用； 步驟2:將結(jié)晶硅粉碎成平均尺寸為I?2mm的顆粒，并均勻地平鋪于石墨黏土坩禍的底部； 步驟3:將所述步驟2中的石墨黏土坩禍置于坩禍電阻爐中，并將烘干后的工業(yè)純鋁放置于結(jié)晶Si顆粒之上，在850 0C -950 0C熔化，保溫2?3小時，獲得均勻的鋁硅熔體； 步驟4:在所述步驟3獲得的鋁硅熔體中，加入烘干后的A1-3B中間合金，于850?900°C保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體； 步驟5:在所述步驟4獲得的均勻熔體中，于880?920°C加入Al-1OLa中間合金，并保溫20-40分鐘，期間每隔5-10分鐘對熔體進行攪拌，獲得均勻熔體； 步驟6:將所述步驟5獲得的均勻熔體澆入銅模中，并用冷水對銅模進行激冷，待冷卻后獲得晶粒細化劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁硅鑭硼四元中間合金，其特征在于，該合金中各成分的質(zhì)量百分數(shù):硅為10%-14%，鑭為1.5%-2.5%，硼為0.5%-1.5%，其他雜質(zhì)為0.3%-0.5%，余量為鋁。3.—種制備權(quán)利要求1或2所述鋁硅鑭硼四元中間合金的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1:以工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、Al-1OLa中間合金和A1-3B中間合金為原料，按照四種原料的質(zhì)量比為1:(0.2?0.4):(0.5?0.8):(0.8?1.2)稱料并經(jīng)烘箱烘干備用； 步驟2:將結(jié)晶硅粉碎成平均尺寸為I?2mm的顆粒，并均勻地平鋪于石墨黏土坩禍的底部； 步驟3:將所述步驟2中的石墨黏土坩禍置于坩禍電阻爐中，并將烘干后的工業(yè)純鋁放置于結(jié)晶Si顆粒之上，在850 0C -950 0C熔化，保溫2?3小時，獲得均勻的鋁硅熔體； 步驟4:在所述步驟3獲得的鋁硅熔體中，加入烘干后的A1-3B中間合金，于850?900°C保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體， 步驟5:在所述步驟4獲得的均勻熔體中，于880?920°C加入Al-1OLa中間合金，并保溫20-40分鐘，獲得均勻熔體，期間每隔一段時間對熔體進行攪拌。 步驟6:將所述步驟5獲得的均勻熔體澆入銅模中，并用冷水對銅模進行激冷，待冷卻后獲得中間合金。
【文檔編號】C22C1/06GK106048273SQ201610517976
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】陸韜, 潘冶, 李陳林, 顧騰飛, 景力軍
【申請人】東南大學