CN102672147A

CN102672147A - 电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法

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Publication number: CN102672147A
Application number: CN2012101393846A
Authority: CN
Inventors: 庞松; 吴国华; 刘文才; 魏广玲; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2012-09-19

Abstract

一种电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，在铝合金熔炼过程中添加晶粒细化剂，在铝合金凝固过程中通入电流直至铝合金完全凝固；其包括步骤如下：(1)在铸型中安置电极并与电源相接，调节好电流参数；(2)通过常规的熔化、精炼、除气和扒渣工序对铝合金进行熔炼；(3)待铝合金母液温度稳定至设定温度，添加晶粒细化剂并进行搅拌；(4)浇注铝合金母液，同时打开电源，持续通入电流直至铸件完全凝固。本发明采用物理细化与化学细化相结合的复合方法，能够获得晶粒更细小、组织更均匀和缺陷明显降低的铝合金组织，提高了铝合金力学性能，同时打破了行业长期依赖进口晶粒细化剂的局面，所述方法适用于纯铝或铝合金的凝固细化。

Description

电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，具体的说，涉及一种电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，属于金属材料与冶金技术领域。

背景技术

铝是目前世界上产量最大、应用范围最广的有色金属材料，其用量仅次于钢铁，在机械、交通、化工、电力、电子、建筑等领域都有广泛的应用。随着科学技术的发展，各领域对铝合金的组织和性能提出了更高的要求，进一步细化凝固组织成为改进铝合金材料性能的有效方法之一。

目前工业上最常用、效果最好的铝合金细化剂是Al-Ti-B中间合金线材，其细化机理为：TiAl₃异质核心促进α-Al晶核的生成，或是加速α-Al树枝晶晶体的增殖。研究表明，Al-Ti-B进入Al熔体后能生成多种化合物，如TiAl₃、TiB₂、(Al，Ti)B₂、AlB₂等，其中，TiAl₃的含量、稳定性直接影响细化剂对铝合金的细化效果。该细化剂的生产技术在国外早已成熟，20世纪80年代后我国开始开发Al-Ti-B细化剂线材。由于生产条件和技术水平的落后，造成产品与进口产品还有一定的差距，主要体现在B含量低、纯净度差，第二相尺寸、形貌和分布不合标准等。当前高性能铝合金所用到的细化剂主要依赖进口，直接导致生产成本的提高。这些现状都严重地制约了我国铝合金行业的发展。同时，Al-Ti-C化合物也能够起到细化铝合金凝固组织的效果。

有研究表明，通过在合金凝固过程中施加电流产生能量起伏，能够进一步地细化凝固组织。其作用机制可简述为：降低形核能垒，提高形核率，增加游离晶核对流，破碎枝晶、抑制生长等。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术单一使用铝合金细化剂对铝合金凝固组织进行细化的不足，提供一种电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，利用成分起伏与能量起伏的原理，通过采用物理细化与化学细化相结合的复合方法，降低相变驱动力、提高形核率并抑制生长，实现铝合金凝固组织的进一步细化，提高合金力学性能，并打破我国铸造铝合金行业长期依赖进口晶粒细化剂的局面。

为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题：

一种电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：在铝合金熔炼过程中添加晶粒细化剂，在铝合金凝固过程中通入电流直至铝合金完全凝固。

本发明所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其包括以下具体步骤：

(1)在模具的铸型中安置电极，并将电极与电源相接，预先调节好电流参数；

(2)依次通过常规的熔化、精炼、除气和扒渣工序对铝合金进行熔炼；

(3)待铝合金母液温度稳定至设定温度，添加晶粒细化剂并进行搅拌；

(4)向模具的铸型中浇注铝合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，得到细化的铝合金凝固组织。

所述的电极材料为镁、铝、锌、铜、石墨或钢。

所述的晶粒细化剂为Al-Ti-B或Al-Ti-C。

所述的电流为直流电流、交流电流或脉冲电流，其中，直流电流为60A，脉冲电流为峰值100A，频率500Hz，占空比30％，交流电为60A，50Hz。

本发明思路新颖，集化学细化、物理细化技术于一体，具有复合细化功能，其通过使用国产晶粒细化剂，采用基本铸造工艺与简单的生产设备，实现了铝合金凝固组织的细化。因而本发明具有以下优点：

1、电流与晶粒细化剂复合作用降低了形核能垒，提高了形核率，增加了游离晶核对流，抑制了生长，提高了铝合金细化效果，提高了铝合金力学性能。

2、所述方法能够在不降低铝合金性能的前提下，有效地减少或取代进口晶粒细化剂的使用，降低了成本，能够满足我国铸造铝合金行业前进与企业发展的迫切需求，具有极大的推广价值。

3、通电过程中，电极材料的扩散对铝合金起到了少量补偿合金元素的作用。

附图说明

图1为电流处理装置示意图。

图2为实施例一中不同处理工艺得到的纯铝凝固组织，其中，

图2(a)为1#纯铝铸锭，图2(b)为Al-Ti-C细化处理得到的2#纯铝铸锭，图2(c)为电流和Al-Ti-C复合细化处理得到的3#纯铝铸锭。

图3为实施例二中不同处理工艺得到的A356铝合金凝固组织，其中，

图3(a)为1#A356铝合金铸锭，图3(b)为Al-5Ti-B细化处理得到的2#A356铝合金铸锭，图3(c)为电流和Al-5Ti-B复合细化处理得到的3#A356铝合金铸锭。

图4为实施例三中不同处理工艺得到的ADC12铝合金凝固组织，其中，

图4(a)为Al-Ti-B细化处理得到的1#ADC12铝合金铸锭，图4(b)为电流和Al-Ti-B复合细化处理得到的2#ADC12铝合金铸锭。

上述图中，1-熔炼坩埚，2-电极夹具，3-电极，4-铸型，5-电源。

具体实施方式

本发明首次将物理细化与化学细化进行融合，通过电流与晶粒细化剂联合使用细化铝合金凝固组织，即在铝合金熔炼过程中添加晶粒细化剂，在铝合金凝固过程中通入电流直至铝合金完全凝固。本发明的另一个创新之处在于采用国产晶粒细化剂取代了进口产品，打破了相关技术垄断并降低了成本。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

本发明所述电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法采用如图1所示的电流处理装置实现。该电流处理装置包括用于熔炼铝合金的熔炼坩埚1、用以浇注的铸型4、安置于铸型4中的电极3、用以夹持电极3的电极夹具2和与电极3连接的电源5。

本发明所述方法的具体步骤简述如下：

(1)在模具的铸型4中安置电极3，并将电极3与电源5相接，预先调节好电流参数；

(2)依次通过常规的熔化、精炼、吹Ar除气和扒渣工序，对铝合金在电阻炉中的石墨熔炼坩埚1内进行熔炼，熔体温度采用镍铬-镍硅热电偶测量；

(3)待铝合金母液温度稳定至设定温度，添加一定量的晶粒细化剂并进行搅拌5分钟；

(4)待母液温度为740℃时，向模具的铸型4中浇注铝合金母液，同时打开电源开关，从浇注开始直至铸件完全凝固期间持续通入电流，即可得到晶粒细小、第二项弥散、组织均匀的细化的铝合金凝固组织，合金凝固过程一般在450-750℃的温度范围内，铝合金在此温度区间进行电流处理。

下面通过一些常见铸造铝合金的实施例，对本发明作进一步的说明。

实施例一

合金使用商用纯铝锭(99.7％)，晶粒细化剂采用山东山大吕美熔体技术有限公司提供的成分为Al-5Ti-0.25C的国产铝合金细化剂，使用7.5Kw石墨坩埚电阻炉进行熔炼与金属型Φ70×100mm模具进行浇注。所有铸型浇铸前均安装相同石墨电极Φ10×100mm，用以消除电极材料的影响，从而保证试验结果准确性。工艺过程如下：720℃使纯铝完全融化，待温度稳定后进行浇注，得到1#铸锭。将装有合金母液的石墨熔炼坩埚1放回坩埚电阻炉，并保证其温度稳定在720℃，加入0.1wt.％的Al-5Ti-0.25C晶粒细化剂，搅拌5分钟。调节电源输出参数为直流60A，连接至3#铸型中的电极3。依次浇注2#与3#铸型，打开电源输出开关，从浇注开始保持3#号铸型中电流输出至合金液完全凝固，得到2#与3#铸锭。

取底面40mm处的中心部位，进行金相组织分析，如图2所示，(a)为纯铝凝固组织，(b)为加入0.1wt.％的Al-5Ti-0.25C的纯铝凝固组织，(c)为电流与0.1wt％的Al-5Ti-0.25C共同作用得到的纯铝凝固组织。由图2可看出，图2(c)中纯铝凝固组织最为细小，说明电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法具有更好的细化效果。

实施例二

使用商用A356铝合金锭，晶粒细化剂采用苏州有色金属研究院提供的Al-5Ti-B晶粒细化剂。使用7.5Kw石墨坩埚电阻炉进行熔炼与金属型Φ70×100mm模具进行浇注。所有铸型浇铸前均安装Φ10×100mm的相同石墨电极3，用以消除电极材料的影响，从而保证试验结果准确性。工艺过程如下：740℃使铝锭完全融化，吹氩除气8分钟、扒渣，待温度稳定至740℃后进行浇注，得到1#铸锭。将装有合金母液的石墨坩埚1放回坩埚电阻炉，并保证其温度稳定在740℃，加入0.5wt.％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，搅拌5分钟。调节电源输出参数为脉冲峰值电流100A，频率500Hz，占空比30％，并连接至3#铸型中的电极3。依次浇注2#与3#铸型，打开电源输出开关，从浇注开始保持3#号铸型中电流输出至合金液完全凝固，得到2#与3#铸锭。

取底面40mm处的中心部位，进行金相组织分析，如图3所示，(a)为A356铝合金凝固组织，(b)为加入0.5wt.％的Al-5Ti-B的A356铝合金凝固组织，(c)为电流与0.5wt.％的Al-5Ti-B共同作用得到的A356铝合金凝固组织。由图3可看出，图3(c)中A356铝合金的凝固组织最为细小，说明电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法具有更好的细化效果。

实施例三

使用ADC12商业铝合金铸锭和苏州有色金属研究院提供的Al-5Ti-B晶粒细化剂，采用7.5Kw石墨坩埚电阻炉进行熔炼与金属型Φ70×100mm模具。所有铸型浇铸前均安装相同石墨电极Φ10×100mm，用以消除电极材料的影响。工艺如下：740℃使铝锭完全融化，吹氩除气10分钟、扒渣，待温度稳定在730℃，加入1wt.％的Al-5Ti-B晶粒细化剂，搅拌5分钟。调节电源输出参数为交流电60A、50Hz，并连接至2#铸型中的电极。依次浇注1#与2#铸型，打开电源输出开关，从浇注开始保持2#号铸型中电流输出至合金液完全凝固，得到1#与2#铸锭。

取底面40mm处的中心部位，进行金相组织分析，如图4所示，(a)为加入1wt.％的Al-5Ti-B的ADC12铝合金凝固组织，(b)为电流与1wt.％的Al-5Ti-B共同作用得到的ADC12铝合金凝固组织。由图4可看出，图4(b)中ADC12铝合金凝固组织更为细小，说明电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法具有更好的细化效果。

综合上述的三个实施例，结果证明：本发明所述方法实施电流与晶粒细化剂的联合使用，能够进一步显著细化铝合金凝固组织。

Claims

1.一种电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：在铝合金熔炼过程中添加晶粒细化剂，在铝合金凝固过程中通入电流直至铝合金完全凝固。

2.根据权利要求1所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述方法包括以下具体步骤：

3.根据权利要求2所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述电极的材料为镁、铝、锌、铜、石墨或钢。

4.根据权利要求2所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化镁合金凝固组织的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的设定温度为720～740℃。

5.根据权利要求1或2所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述晶粒细化剂为Al-Ti-B或Al-Ti-C。

6.根据权利要求1和2所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述电流为直流电流、交流电流或脉冲电流。

7.根据权利要求6所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述的直流电流为60A。

8.根据权利要求6所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述的脉冲电流为峰值100A，频率500Hz，占空比30％。

9.根据权利要求6所述的电流与晶粒细化剂联用复合细化铝合金凝固组织的方法，其特征在于：所述的交流电为60A，50Hz。