CN102912162B - 提高Zn-Al-Ti-C/B中间合金细化效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高Zn-Al-Ti-C/B中间合金细化效果的方法，包括以下步骤：称取锌铝合金或中间合金；取部分锌铝合金或另取铁块在坩埚中预热至40-120℃；取剩余的锌铝合金或全部的锌铝合金熔化至液相线温度以上150-350℃，再向此熔体中加入中间合金，继续保温5-10分钟，充分搅拌，使均匀分布；浇入预热的坩埚中，迅速搅拌，使熔体温度迅速下降，待温度降至其液相线温度以上2-60℃时，取出铁块，迅速将熔体搅拌均匀并浇入模具型腔中，冷却即得。本方法能使中间合金的晶粒细化效果较通常生产条件下得到更大幅度地提高。
Description
技术领域
本发明属于金属合金材料的技术领域，具体涉及一种提高Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金细化效果的方法。
背景技术
含铝量为5-50wt.%的锌-铝合金具有良好的力学、耐腐蚀及铸造成形、机加工性能，市场应用潜力巨大，但是这类锌-铝合金在凝固过程中容易生成尺寸较大的发达初生α（Al）树枝晶，导致各种微观结构缺陷和力学性能的降低。为解决这些问题，实际生产中通常需要向锌-铝合金熔体中添加晶粒细化剂以细化α相晶粒尺寸。
专利号为200910016567.7和201110233071.2的专利文献记载了Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金对锌-铝合金中的α相具有较好的晶粒细化作用，这类中间合金在锌基体中含有大量直径0.1-3μm的高熔点TiC或TiB2粒子，锌-铝合金熔体添加一定数量的这类中间合金后TiC或TiB2固体粒子会被释放入熔体内，在其后的凝固过程中α相依附于TiC或TiB2固体粒子表面形核并长大，α相晶粒数量因此大大增多而尺寸得到减小。
在通常生产条件下，锌-铝合金熔化和浇注温度大多在其液相线以上50-100℃，进行晶粒细化时也在这一温度加入中间合金后浇注凝固。然而，在此条件下，中间合金对锌-铝合金的晶粒细化效果仍有待进一步提高。这是由于：中间合金加入锌-铝熔体后所释放的TiC或TiB2粒子在通常生产凝固条件下仅不足1%的数量起到有效的使α相形核的作用，其余绝大部分粒子不能成为形核核心而被推向固相晶界处，文献“International Materials Review, 1989,34:247-260”中做过相关介绍。如能使更多的TiC或TiB2粒子在锌-铝凝固过程中成为有效形核核心，Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金的晶粒细化效果会得到更大程度的提高。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种提高Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金细化效果的方法，该方法通过把Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金加入到锌-铝合金熔体中，使TiC或TiB2粒子比在普通生产条件下更多地成为有效形核核心，从而使中间合金的晶粒细化效果得到进一步提高。
本发明的技术方案如下：
一种提高Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金细化效果的方法，包括以下步骤：
1）取待细化的锌-铝合金和重量为锌-铝合金重量0.05-2.5%的Zn-Al-Ti-C或Zn-Al-Ti-B中间合金，备用；
2）将锌-铝合金分为两组，第一组占总重量的60-95%，剩余为第二组，取第二组置于坩埚中，将坩埚和锌-铝合金共同预热至40-120℃，备用；
3） 将第一组锌-铝合金熔化至其液相线温度以上150-350℃，再向此熔体中加入中间合金，继续保温5-10分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
4） 将步骤3）中所得锌-铝熔体浇入步骤2）中备好的坩埚中，迅速搅拌锌-铝熔体，第二组固体锌-铝合金会吸收热量而使熔体温度迅速下降，待固体锌-铝合金全部熔化且熔体温度降至其液相线温度以上5-60℃时，迅速将熔体搅拌均匀并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的锌-铝合金铸件。
本发明的另一个方案包括以下步骤：
1）取待细化的锌-铝合金和重量为锌-铝合金重量0.05-2.5%的Zn-Al-Ti-C或Zn-Al-Ti-B中间合金，备用；
2）取冷铁2-10块，冷铁总体积为待细化锌-铝合金熔体体积的20-150%；将上述冷铁置入坩埚内，并一同预热至40-120℃，备用；
3）将待细化锌-铝合金熔化至其液相线温度以上150-350℃，再向此熔体中加入中间合金，继续保温5-10分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
4）将步骤3）中所得锌-铝熔体浇入步骤2）中备好的坩埚中，待锌-铝熔体因冷铁吸收热量而温度迅速降至其液相线温度以上5-60℃时，将冷铁取出后迅速搅拌熔体并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的锌-铝合金铸件。
在以上提高Zn-Al-Ti-C、Zn-Al-Ti-B中间合金对锌-铝合金晶粒细化效果的方法中，将添加了中间合金的锌-铝合金加热到较普通生产条件下更高的温度会改善其液态结构特征，同时因第二组固体锌-铝合金或冷铁吸收热量而迅速降温，其冷却速度比在通常生产条件下大得多，熔体在凝固时获得大于其在通常生产条件下的过冷度，通过中间合金加入到锌-铝熔体中的TiC或TiB2粒子因此有更多的机会成为有效结晶形核核心，最终使中间合金的晶粒细化效果较通常生产条件下得到更大幅度地提高。
本发明所给方法的原理也适用于铝、镁等纯金属及其合金的晶粒细化。本方法不需要复杂设备，操作方便，适合于规模化工业生产。
附图说明
图1， 实施例1中ZA27合金加入0.5% Zn-40Al-5Ti-0.35%C中间合金并经本发明所给方法处理后的光学显微镜照片。
图2，在普通生产条件下ZA27合金中加入0.5% Zn-40Al-5Ti-0.35%C中间合金在560℃浇注凝固后的光学显微镜照片。
图3，在普通生产条件下ZA27合金中不添加中间合金在560℃浇注凝固后的光学显微镜照片。
图4，不添加Zn-Al-Ti-C中间合金其余步骤与实施例1中步骤完全相同时所得ZA27合金的光学显微镜照片。
图1-4中发亮的区域为α（Al）晶粒，图1-4晶粒组织均由同一凝固模具冷却得到。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。
实施例1
欲细化ZA27合金（含Al，27wt.%、Cu，2.05 wt.%、Mg，0.023 wt.%，其余为Zn）2500克,步骤如下：
（1） 取ZA27合金2500克及全部锌-铝合金总重量0.5%的Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金12.5克。以上材料备用；
（2） 将ZA27合金分成两组，第一组为2000克，第二组为500克。将第二组ZA27合金置于坩埚中，将坩埚和合金共同预热至60℃，备用；
（3） 将第一组ZA27合金（液相线温度为490℃）熔化至800℃，再向此熔体中加入Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金，继续保温5分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
（4） 将步骤（3）中所得ZA27合金熔体浇入步骤2）中备好的坩埚中，迅速搅拌熔体，第二组固体ZA27合金会吸收热量而使熔体温度迅速下降，待固体ZA27合金全部熔化且熔体温度降至510℃时，迅速搅拌熔体并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲细化的ZA27合金铸件。
以上对ZA27合金中α（Al）相的晶粒细化效果见附图1。
在通常生产条件下添加中间合金的晶粒细化效果见附图2。
附图3为通常生产条件下未添加Zn-Al-Ti-C中间合金的ZA27合金晶粒组织。
在本实施例步骤（1）-（4）中，当步骤（1）和（3）中无（不添加）Zn-Al-Ti-C中间合金而其余所有内容完全相同时所得ZA27合金的晶粒组织示于附图4中。
对比图1至图4可见，本发明所给方法可使Zn-Al-Ti-C中间合金对ZA27合金的细化效果比在通常生产条件下的细化效果得到大幅度提高。
实施例2
欲细化Zn-50wt.%Al（Zn50Al）合金2700克，步骤如下：
（1） 取Zn50Al合金2700g，另取全部锌-铝合金总重量1%的Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金27克。以上材料备用；
（2） 将Zn50Al合金2700g分为两组，第一组为2000克，第二组为700克。将第二组Zn50Al合金置于坩埚中，将坩埚和合金共同预热至70℃，备用；
（3） 将第一组Zn50Al合金（液相线温度为570℃）熔化至830℃，再向此熔体中加入Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金，继续保温8分钟，对Zn50Al合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
（4） 将步骤（3）中所得Zn50Al熔体浇入步骤2中备好的坩埚中并迅速搅拌，第二组固体Zn50Al合金会吸收热量而使熔体温度迅速下降，待固体Zn50Al合金全部熔化且熔体温度降至600℃时，迅速搅拌熔体并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的Zn50Al合金铸件。
上述方法细化后的Zn50Al合金中α（Al）晶粒平均尺寸为30μm左右，比在通常生产条件下的细化效果得到大幅度的提高：在650℃的Zn50Al合金熔体中加入1%的Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金后浇注凝固所得晶粒平均尺寸为80μm左右；未添加中间合金在650℃浇注凝固的Zn50Al合金平均晶粒尺寸为200μm左右；而在本实施例步骤（1）-（4）中，当步骤（1）和（3）中无（不添加）Zn-Al-Ti-C中间合金而其余所有内容完全相同时所得Zn50Al合金的平均晶粒尺寸为100μm左右。
实施例3
欲细化ZA27合金（含Al27wt.%、Cu2.05 wt.%、Mg0.023 wt.%，其余为Zn）2500克,步骤如下：
（1） 将ZA27合金（液相线温度为490℃）在坩埚内熔化至800℃，再向此熔体中加入锌-铝合金总重量0.5%的Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金，继续保温5分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
（2） 在上述步骤完成之前，备好另一坩埚和冷铁5块，冷铁总体积为待细化ZA27合金熔体体积的70%。将上述冷铁置入坩埚内，并一同预热至50℃，备用；
（3） 将步骤1中的ZA27合金熔体浇入步骤2备好的坩埚内，待合金熔体温度降至520℃时，将冷铁取出并迅速搅拌熔体、浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的ZA27合金铸件。
上述方法对ZA27合金中α（Al）晶粒的细化效果与实施例1中类似。
实施例4
欲细化Zn-50wt.%Al（Zn50Al）合金2700克,步骤如下：
（1） 将Zn50Al合金（液相线温度为570℃）熔化至830℃，再向此熔体中加入其重量1%的Zn-40Al-5Ti-0.35C中间合金，继续保温8分钟，对Zn50Al合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
（2） 在上述步骤完成之前，备好另一坩埚和冷铁3块，冷铁总体积为待细化Zn50Al合金熔体体积的50%。将上述冷铁置入坩埚内，并一同预热至50℃，备用；
（3） 将步骤1中的Zn50Al合金熔体浇入步骤2）备好的坩埚内，待合金熔体温度降至600℃时，将冷铁取出并迅速搅拌熔体、浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的Zn50Al合金铸件。
上述方法对Zn50Al合金中α（Al）晶粒的细化效果与实施例2中类似。
实施例5
在实施例1中，将Zn-40Al-5Ti-0.35C更换为Zn-40Al-5Ti-1B，其余材料和操作步骤完全相同，可以达到相同的高效α（Al）晶粒细化效果。
实施例6
在实施例2中，将Zn-40Al-5Ti-0.35C更换为Zn-40Al-5Ti-1B，其余材料和操作步骤完全相同，可以达到相同的高效α（Al）晶粒细化效果。
实施例7
在实施例3中，将Zn-40Al-5Ti-0.35C更换为Zn-40Al-5Ti-1B，其余材料和操作步骤完全相同，可以达到相同的高效α（Al）晶粒细化效果。
实施例8
在实施例4中，将Zn-40Al-5Ti-0.35C更换为Zn-40Al-5Ti-1B，其余材料和操作步骤完全相同，可以达到相同的高效α（Al）晶粒细化效果。
Claims (2)
1.一种提高Zn-Al-Ti-C/B中间合金细化效果的方法，其特征是，包括以下步骤：
1）取待细化的锌-铝合金和重量为锌-铝合金重量0.05-2.5%的Zn-Al-Ti-C或Zn-Al-Ti-B中间合金，备用；
2）将锌-铝合金分为两组，第一组占总重量的60-95%，剩余为第二组，取第二组置于坩埚中，将坩埚和锌-铝合金共同预热至40-120℃，备用；
3） 将第一组锌-铝合金熔化至其液相线温度以上150-350℃，再向此熔体中加入中间合金，继续保温5-10分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
4） 将步骤3）中所得锌-铝熔体浇入步骤2）中备好的坩埚中，迅速搅拌锌-铝熔体，第二组固体锌-铝合金会吸收热量而使熔体温度迅速下降，待固体锌-铝合金全部熔化且熔体温度降至其液相线温度以上5-60℃时，迅速将熔体搅拌均匀并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的锌-铝合金铸件；
所述锌-铝合金为：ZA27合金或Zn50Al合金；
所述的Zn-Al-Ti-C中间合金为Zn-40Al-5Ti-0.35C合金；
所述Zn-Al-Ti-B中间合金为Zn-40Al-5Ti-1B合金。
2.一种提高Zn-Al-Ti-C/B中间合金细化效果的方法，其特征是包括以下步骤：
1）取待细化的锌-铝合金和重量为锌-铝合金重量0.05-2.5%的Zn-Al-Ti-C或Zn-Al-Ti-B中间合金，备用；
2）取冷铁2-10块，冷铁总体积为待细化锌-铝合金熔体体积的20-150%；将上述冷铁置入坩埚内，并一同预热至40-120℃，备用；
3）将待细化锌-铝合金熔化至其液相线温度以上150-350℃，再向此熔体中加入中间合金，继续保温5-10分钟，对锌-铝合金熔体进行充分搅拌，使中间合金充分熔化并均匀分布于熔体中；
4）将步骤3）中所得锌-铝熔体浇入步骤2）中备好的坩埚中，待锌-铝熔体因冷铁吸收热量而温度迅速降至其液相线温度以上5-60℃时，将冷铁取出后迅速搅拌熔体并浇入模具型腔中，冷却后得到所欲制备的锌-铝合金铸件。
所述锌-铝合金为：ZA27合金或Zn50Al合金；
所述的Zn-Al-Ti-C中间合金为Zn-40Al-5Ti-0.35C合金；
所述Zn-Al-Ti-B中间合金为Zn-40Al-5Ti-1B合金。
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