CN101294247A - 铝合金细化剂及用该细化剂制备的铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金细化剂及用该细化剂制备的铝合金。本发明的铝合金细化剂为Zr-Cr-Nb,其中Zr、Cr、Nb元素占制备得到的合金的总质量百分比为0.2~0.5%。应用该细化剂,本发明制备得到晶粒细小的铝合金。将这种细化剂用于制备铝合金时,能调整Al3Zr的晶格类型和参数,形成稳定的L12结构,减小界面能和错配度,提高晶粒细化效果,有利于形成细小均匀的等轴的铸态组织,提高铝合金的后序加工性能。且该细化剂的加入工艺简单,Zr、Cr、Nb价格相对便宜,适于工业化生产。

Description

铝合金细化剂及用该细化剂制备的铝合金
技术领域
本发明涉及金属合金制备,特别属于特别铝合金领域。
背景技术
细小均匀的等轴晶是铝及铝合金材料最佳的铸态组织,要获得这种组织,必须通过不同的手段细化晶粒,即结晶组织的微细化处理,包括液态时加入各种中间合金细化剂或借助外来能量,如机械振动、电磁搅拌、对流、超声波处理等使α-Al基体细化。从而显著提高铝材的力学性能和加工工艺性能。晶粒细化可以同时提高材料强度和塑性,是获取优质铝锭、改善铝材质量的重要途径。借助外来能源需要特殊的设备和工艺,在实际工业生产中较难实现,并且还受生产条件等的限制,其作用有限,过程不易控制。在工业生产条件下,只有使用添加细化剂是最简便而又最有效的方法,也是铝熔体处理技术的重要组成部分。Zr是铝合金常用细化剂,但其效果不稳定没有被广泛采用。Sc加入到铝或铝合金中,形成的Al3Sc与Al基体晶格常数接近,得到很好的细化效果。Sc、Zr复合加入到铝合金中形成Al3(Zr,Sc)相,效果更为显著。但由于Sc的价格昂贵,目前市面价格约为4万元人民币/千克,因此,难以实际用于工业铝合金的生产。近年来广泛采用的Al-Ti-B细化剂是目前比较有效的晶粒细化剂之一,是铝晶粒细化技术的一项重大突破。虽然Al-Ti-B细化剂具有较优异的细化晶粒性能,但其抗衰减性能难以解决,TiB2相易聚集沉淀,且TiB2易受Zr、Cr等原子毒化而失去细化晶粒的作用。近年来,Al-Ti-C的研究与开发取得了较大进展,虽然Al-Ti-C中间合金克服了Zr、Cr等原子的毒化作用,但其细化能力仍低于Al-Ti-B中间合金,且表现出明显的衰减性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种价格便宜的铝合金细化剂。并提供用该细化剂制备的晶粒细小的铝合金。
本发明的详细技术方案为:本发明的铝合金细化剂为Zr-Cr-Nb,Zr、Cr、和Nb元素占制备得到的合金的总质量百分比为0.2~0.5%。
其中Zr、Cr和Nb各自占制备得到的合金的质量百分比最好为:Zr:0.15~0.20%;Cr:0.03~0.25%;Nb:0.04~0.1%。
本发明还应用上述细化剂,制备出一种铝合金,该合金包括Al-Cu-Mg或Al-Zn-Mg-Cu或Al-Cu主合金元素,还包括占合金质量百分比0.15~0.20%的Zr-Cr-Nb,其中Zn、Mg、Cu各元素占合金的质量百分比分别为:Zn:0~9.0%;Mg:0~2.9%;Cu:0.16~5.5%。
在Al-Cu-Mg或Al-Zn-Mg-Cu或Al-Cu主合金元素中,还可微量添加Mn、Ti,加入Mn、Ti的质量百分比为:Mn:0~0.9%;Ti:0~0.25%。
本发明的铝合金细化剂包含Zr的同时,还复合包含Cr和Nb。将这种细化剂用于制备铝合金时,在铝合金中不但添加Zr,还复合添加Cr和Nb,分别部分替代Al3Zr中的Al和Zr,这样能调整Al3Zr的晶格类型和参数,形成稳定的Ll2结构(Al,Cr)3(Zr,Nb),减小界面能和错配度,提高晶粒细化效果,有利于形成细小均匀的等轴的铸态组织,提高铝合金的后序加工性能。并且,该细化剂的加入工艺简单,且Zr、Cr、Nb价格相对便宜,适于工业化生产。
应用本发明的细化剂制备出的铝合金,其铸态组织晶粒明显比未添加细化剂或仅添加Zr或添加Al-Ti-B等的合金的组织晶粒要细小得多,且分布均匀。
附图说明
图1:对比例1的A-1合金铸态金相显微组织图;
图2:对比例2的A-2合金铸态金相显微组织图;
图3:对比例3的A-3合金铸态金相显微组织图;
图4:对比例4的A-4合金铸态金相显微组织图;
图5:对比例5的A-5合金铸态金相显微组织图;
图6:对比例6的A-6合金铸态金相显微组织图;
图7:对比例7的A-7合金铸态金相显微组织图;
图8:对比例8的A-8合金铸态金相显微组织图;
图9:对比例9的A-9合金铸态金相显微组织图;
图10:对比例10的A-10合金铸态金相显微组织图;
图11:实施例1的B-1合金铸态金相显微组织图;
图12:实施例2的B-2合金铸态金相显微组织图;
图13:实施例3的B-3合金铸态金相显微组织图;
图14:实施例4的B-4合金铸态金相显微组织图;
图15:实施例5的B-5合金铸态金相显微组织图;
图16:实施例6的B-6合金铸态金相显微组织图;
图17:实施例7的B-7合金铸态金相显微组织图。
具体实施方式
对比例1:铸锭冶金法制备表1中的A-1合金。将高纯铝(纯度为99.99%)加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Zr中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn(纯度为99.9%),熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg(纯度为99.9%),除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图1。
对比例2:制备表1中的A-2合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Zr、Al-Nb中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图2。
对比例3:制备表1中的A-3合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图3。
对比例4:制备表1中的A-4合金。首先将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图4。
对比例5:制备表1中的A-5合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Zr中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟后,加入1%的Al-Ti-B细化剂,静置10分钟浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图5。
对比例6:制备表1中的A-6合金。首先将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Zr中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图6。
对比例7:制备表1中的A-7合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Zr、Al-Mn、Al-Ti中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟后,加入1%的Al-Ti-B细化剂,静置10分钟浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图7。
对比例8:制备表1中的A-8合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-3.9%Ti、Al-10%Mn、Al-50.05%Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图8。
对比例9:制备表1的A-9合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-50.05%Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图9。
对比例10:制备表1中的A-10合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-50.05%Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,降至760℃,加入工业纯Mg,除去表面渣后,于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图10。
实施例1:制备表中B-1合金。首先将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr、Al-Nb中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图11。
实施例2:制备表中B-2合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr、Al-Nb中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图12。
实施例3:制备表中B-3合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr、Al-Nb中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图13。
实施例4:制备表中B-4合金。将高纯铝加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,高纯铝熔化后,加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Zr、Al-Nb中间合金,降至760℃,加入工业纯Zn,熔化并充分搅拌均匀后加入工业纯Mg,除去表面渣后,加入0.2%~0.4%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气,静置10~15分钟,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图14。
实施例5:制备表中B-5合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-Ti、Al-Zr、Al-Mn、Al-Cr、Al-Nb、Al-Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图15。
实施例6:制备表中B-6合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-Zr、Al-Cr、Al-Nb、Al-Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图16。
实施例7:制备表中B-7合金。将高纯铝锭加入到石墨粘土坩埚,在电阻坩埚炉中熔炼,熔炼温度为780℃,铝锭熔化后,升温至800℃,加入经预热的Al-Zr、Al-Cr、Al-Nb、Al-Cu中间合金,待炉料熔化并充分搅拌均匀后,降至760℃,加入工业纯Mg,待炉料熔化于760℃加入0.2%~0.4%(wt%)的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂除气精练,扒去液面熔渣,静置10~15分钟,降温至730℃,浇入铁模中,冷却后脱模。所得铝合金的铸态金相显微组织图见附图17。
表1各应用例中的合金成分(质量百分数,%)
Figure A20071003481900081
由图可见,实施例B-1合金(图11),B-2合金(图12)的铸态晶粒明显比对比例的单独添加Zr的A-1合金(图1)、添加Zr-Nb的A-2合金(图2)、添加Zr-Cr的A-3合金(图3)、添加Nb-Cr的A-4合金(图4)的铸态晶粒细小、分布均匀,且明显比添加Al-Ti-B细化剂的对比例A-5合金(图5)的晶粒组织细小。
实施例B-3(图13)所示合金中复合添加Zr-Cr-Nb铸态晶粒明显比对比例A-6合金(图8)的只添加Zr细小、均匀。
实施例B-4合金(图14)晶粒组织结构明显优于对比例A-7合金(图7)只添加Zr、Cr的合金的晶粒组织结构。
实施例B-5合金(图15)和对比例的A-8合金(图8)对比可以看出,添加Zr-Cr-Nb的B-5合金铸态组织晶粒比没有添加Zr-Cr-Nb的合金铸态组织晶粒细小,且分布均匀。
实施例的B-6合金(图16)和对比例的A-9合金(图9)的对比及实施例的B-7合金(图17)和对比例的A-10合金(图10)的对比可以看出,添加Zr-Cr-Nb的合金铸态组织晶粒比未添加Zr-Cr-Nb的合金的铸态组织晶粒细小,且分布均匀。
上述比较例和实施例的对比说明,在铝合金中复合添加Zr-Cr-Nb可以得到很好的晶粒细化效果。

Claims (6)

1.一种铝合金细化剂,其特征在于:所述细化剂为占铝合金质量百分比0.2~0.5%的Zr-Cr-Nb。
2.如权利要求1所述的铝合金细化剂,其特征在于:Zr、Cr和Nb元素分别占铝合金的质量百分比为:Zr:0.15~0.20%;Cr:0.03~0.25%;Nb:0.04~0.1%。
3.如权利要求1或2所述的铝合金细化剂,其特征在于:所述细化剂为Al-Zr、Al-Cr和Al-Nb。
4.一种铝合金,所述铝合金包含Al-Cu-Mg或Al-Zn-Mg-Cu或Al-Cu,其特征在于:还包含占铝合金总质量百分比的0.2~0.5%的Zr-Cr-Nb细化剂;Zn、Mg、Cu各元素的占铝合金质量百分比为:Zn:0~9.0%;Mg:0~2.9%;Cu:0.16~5.5%。
5.如权利要求4所述的铝合金,其特征在于:Zr、Cr和Nb元素分别占铝合金的质量百分比为:Zr:0.15~0.20%;Cr:0.03~0.25%;Nb:0.04~0.1%。
6.如权利要求4或5所述的铝合金,其特征在于:所述铝合金中还包含Mn、Ti,所述Mn、Ti占铝合金的质量百分比为:Mn:0~0.9%;Ti:0~0.25%。
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