CN103111609A - 一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法。该孕育方法包括孕育剂的制备和非晶孕育处理，孕育处理的工艺参数为：将制备好的非晶薄带在铝合金浇铸之前加入铝合金熔体，铝合金熔体温度为750℃-770℃；非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％；孕育处理时间为15-600秒；辅助机械搅拌0-300秒；辅助超声震荡0-180秒。该方法使用的孕育剂是Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系等多元非晶合金，不含贵金属，其成本较低。所述孕育剂是薄条带状，便于在熔体中分散、均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，变质处理和合金凝固时间大为缩短，生产效率高，适合长时间大批量的连续生产。

Description

一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法

技术领域

本发明涉及合金凝固领域，特别是涉及一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金的新方法。 

背景技术

在金属材料凝固领域中，变质剂和孕育剂一般以晶态(单质、化合物以及合金等)的形式加入到金属熔体中进行变质(包括孕育)，细化结晶相或者改变结晶相的生长方式。其变质机制一般为核心(非自发核心)或者“毒化”理论。目前没有关于采用非晶态合金进行变质(包括孕育)的文献报道。本发明涉及一种全新的非晶态合金孕育剂处理铸造铝合金的方法，采用非晶合金的亚稳态结构及非晶晶化的物理特性孕育处理铝合金，获得了意想不到的效果，显著增加了铝合金熔体中的异质形核核心，十分明显地细化了凝固组织，大大提高了合金的强韧性。该孕育方法对不同的铝合金体系具有一定的普适性，具有孕育剂便于分散和均匀，孕育剂实际收得率高，细化后的组织均匀，孕育处理和合金凝固时间大为缩短，适合长时间大批量的连续铸造，孕育成本比稀土变质剂低等优点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，该方法对铝合金体系普适性强、孕育剂实际收得率高、便于分散和均匀、细化后的组织均匀、孕育处理和合金凝固时间短、适合长时间大批量的连续铸造的一种全新的非晶态合金孕育剂处理铸造铝合金方法。该新型非晶孕育方法利用非晶合金的亚稳态结构及非晶晶化的物理特性，非晶遇热晶化成小的团簇或者纳米晶的物理现象，意想不到地增加了铝合金熔体中α-Al相的异质形核核心数量，细化α-Al晶粒，从而提高铝合金的强韧性。 

本发明的上述目通过以下技术方案实现： 

所述的一种非晶态合金孕育剂处理铸造铝合金方法，按一线步骤进行： 

(1)孕育剂的制备： 

a)在高纯氩气的保护下，将按一定比例混合的纯金属物料，在高真空多功能电弧炉中熔炼成合金，并吸铸成棒材； 

b)然后将棒材通过高真空感应加热单辊旋淬系统制成非晶条带； 

所述孕育剂包括Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系多元非晶合金； 

(2)非晶孕育处理：使用多功能气氛保护有色合金熔炼装置熔炼铝合金，当铝合金熔体达到750-770℃时，将条带状非晶态孕育剂加入合金熔体中，非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％，孕育处理时间为15-600秒，辅助机械搅拌0-300秒，辅助超声震荡0-180秒，制备出非晶孕育铸造铝合金。 

所述非晶孕育剂成分按原子百分比计为： 

Zr₅₀Cu₅₀；Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅；Zr₆₅Cu₁₅Al₁₀Ni₁₀；(Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅)₉₅La₅；Ni₆₀Nb₂₅Ti₁₅；Ni₇₀Nb₁₀Ti₁₀Zr₁₀；Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈；Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈；Ti₅₀Cu₄₅Ni₅；Ti₅₀Cu₄₅Ni₅；Al₈₄Ni₁₀La₆； 

所述步骤a)棒材的制备过程： 

首先按孕育剂成分进行配料，将配好的合金放入电弧炉熔炼室的水冷铜坩埚内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼，熔炼电流为250-350A，熔炼3-4分钟，翻面，熔炼过程中加电磁搅拌，反复翻面熔炼4-5次，使合金实现成分均匀，最后开动真空泵，将坩埚内的合金液体吸入铜模具内成型合金棒； 

所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。 

所述熔炼之前电弧炉熔炼室的真空度为0.006-0.008Pa，向熔炼真空室内通入的高纯氩气为0.05-0.06MPa，熔炼电流为250-350A，反复翻面熔炼次数为4-5次，所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。 

所述步骤b)非晶条带的制备过程： 

在高真空感应加热单辊旋淬系统中将步骤a)制备出的合金棒装入石英坩埚内，熔炼之前先将单辊旋淬系统的熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气，开动中频感应电源，将合金棒熔化，待熔炼20-40秒全部熔化后，用高纯氩气将合金熔体从石英坩埚内喷到高速旋转的滚轮上，制备出薄的连续的非晶条带状的非晶合金孕育剂；所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。 

熔炼之前单辊旋淬系统的熔炼室的真空度为0.006-0.008Pa，向熔炼真空室内通入的高纯氩气为0.05-0.06MPa，所用高纯氩气的纯度为99.998-99.999vol.％。 

所述步骤(2)中，将非晶合金条带加入到铝合金熔体时，非晶合金发生晶化，生成大量细小的团簇或者纳米晶，随着对铝合金熔体的搅拌，团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，作为α-Al的异质形核核心，显著地增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而十分明显地细化了α-Al晶粒。 

所述步骤(2)非晶孕育处理采用制备铸造铝合金方法进行，所述铝合金按重量百分比计为Al：93.16，Cu：5.5，Mn：0.45，Ti：0.3，V：0.2，Cd：0.2，B：0.04，Zr：0.15，在电阻坩埚炉中加热熔炼到750℃-770℃，经过除渣精炼工艺后，静置，向铝合金熔体中加入非晶孕育剂 条带，再经孕育处理、辅助机械搅拌和辅助超声震荡后，在750-770℃下浇铸入铁模冷却成型，随后经T6固溶、时效热处理后，制取微观组织分析和拉伸试样。 

本发明一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金的新方法与目前已有的变质及孕育技术相比具有以下独特的特点： 

1)该非晶孕育方法中使用的孕育剂是非晶态合金，区别以往的晶态孕育剂及孕育方法。 

2)非晶孕育方法是利用非晶遇热晶化成小的团簇或者纳米晶的物理现象增加异质形核，对不同的合金体系具有一定的普适性。 

3)非晶孕育方法以薄带的形式加入到熔体中，便于分散和均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，变质处理和合金凝固时间大为缩短，提高了生产效率，适合长时间大批量的连续铸造。 

4)该非晶态孕育方法使用的孕育剂是Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系等多元非晶合金，不含贵金属，其成本较低，在孕育过程中烧损小，较为稳定。 

附图说明

图1(a)：未经非晶孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(b-m)：经Zr系、Ni系、Cu系、Ti系和Al系非晶合金孕育处理的铝合金铸态微观组织光镜照片，其中： 

图1(b)：经Zr₅₀Cu₅₀非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(c)：经Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(d)：经Zr₆₅Cu₁₅Al₁₀Ni₁₀非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(e)：经(Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅)₉₅La₅非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(f)：经Ni₆₀Nb₂₅Ti₁₅非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(g)：经Ni₇₀Nb₁₀Ti₁₀Zr₁₀非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(h)：经Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(i)：经Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(j)：经Ti₅₀Cu₄₅Ni₅非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(k)：经Ti₅₀Cu₄₅Ni₅非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图1(m)：经Al₈₄Ni₁₀La₆非晶合金孕育处理的铝合金的铸态微观组织光镜照片。 

图2：曲线1-12是对应未孕育处理合金(实施例1)和非晶孕育剂处理铝合金(实施例2-12)经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。其中： 

曲线1：对应未孕育处理合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线2：对Zr₅₀Cu₅₀非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应 变曲线。 

曲线3：对Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线4：对Zr₆₅Cu₁₅Al₁₀Ni₁₀非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线5：对(Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅)₉₅La₅非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线6：对Ni₆₀Nb₂₅Ti₁₅非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线7：对Ni₇₀Nb₁₀Ti₁₀Zr₁₀非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线8：对Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线9：对Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线10：对Ti₅₀Cu₄₅Ni₅非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线11：对Ti₅₀Cu₄₅Ni₅非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

曲线12：对Al₈₄Ni₁₀La₆非晶合金孕育剂处理的铝合金经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。 

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。 

本发明的技术方案是：1.孕育剂的制备：在高纯氩气的保护下，将按一定比例混合的纯金属物料，在高真空多功能电弧炉中熔炼成合金，并吸铸成棒材。然后通过高真空感应加热单辊旋淬系统制成非晶条带。2.非晶孕育处理：使用多功能气氛保护有色合金熔炼装置熔炼铝合金，当铝合金熔体达到750℃-770℃时，将条带状非晶态孕育剂加入合金熔体中，非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％(重量百分比)；孕育处理时间为15-600秒；辅助机械搅拌0-300秒；辅助超声震荡0-180秒。制备出非晶孕育铸造铝合金。将非晶合金条带加入到铝合金熔体时，非晶合金发生晶化，生成大量细小的团簇或者纳米晶。随着对铝合金熔体的搅拌，团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，作为α-Al的异质形核核心，显著 地增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而十分明显地细化了α-Al晶粒。 

通过以下给出的12个实施例对本发明一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金的新方法作进一步阐述。 

1、12个实施例的中非晶合金孕育剂的化学成分及孕育工艺参数： 

本发明一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金的新方法的12个实施例的非晶合金孕育剂的化学成分、加入量、孕育时间和辅助处理工艺，如表1所示。 

表1非晶合金孕育剂的化学成分、加入量、孕育时间和辅助处理工艺 

2、上述实施例中非晶合金孕育剂的制备： 

首先按孕育剂成分进行配料，将配好的合金放入电弧炉熔炼室的水冷铜坩埚内。熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼本发明孕育剂，熔炼电流为250-350A，熔炼3-4分钟，翻面，熔炼过程中加电磁搅拌，反复翻面熔炼4-5次，使合金实现成分均匀。最后开动真空泵，将坩埚内的合金液体吸入铜模具内成型。然后在高真空感应加热单辊旋淬系统中将上一步制备出的合金棒装入石英坩埚内。熔炼之前先将单辊旋淬系统的熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气。开动中频感应电源，将合金棒熔化。待全部熔化后(约熔炼20-40秒)，用高纯氩气将合金熔体从石英坩埚内喷到高速旋转的滚轮上，制备出 薄的连续的非晶条带。即为本发明的非晶合金孕育剂。本实验中所用高纯氩气的纯度都为99.998-99.999vol.％。 

3、上述实施例中非晶合金孕育剂对铝合金的孕育处理工艺： 

按照常规制备铸造铝合金方法，在电阻坩埚炉中将铝合金(Al：93.16，Cu：5.5，Mn：0.45，Ti：0.3，V：0.2，Cd：0.2，B：0.04，Zr：0.15，重量百分比)熔体加热到750℃-770℃熔炼合金，经过除渣精炼工艺后，静置5-10分钟，在浇铸合金之前，向铝合金熔体中加入0.05-1.0wt.％(重量百分比)非晶孕育剂条带，孕育处理时间为15-600秒，辅助机械搅拌0-300秒，辅助超声震荡0-180秒，然后在750-770℃下浇铸入铁模冷却成型。随后经T6(固溶、时效)热处理后，制取微观组织分析和拉伸试样。 

4、非晶合金孕育剂处理的铝合金的微观组织与力学性能： 

图1(a)是未经非晶孕育处理的铝合金(实施例1)和(b-m)经Zr系、Ni系、Cu系、Ti系和Al系非晶合金孕育剂处理的铝合金(实施例2-12)的铸态微观组织(光学显微镜照片)。由1图表明，未经孕育处理的铝合金的铸态微观组织晶粒尺寸比较粗大，晶粒尺寸大多在150-250微米，而经不同合金体系非晶合金孕育剂处理的铝合金(实施例2-12)的铸态微观组织得到了意想不到的细化，晶粒尺寸大多介于35-150微米，相比未经非晶孕育处理的铝合金的铸态组织，晶粒细化到其的3/5甚至1/4。并且大多近似等轴晶，组织均匀。图2曲线1-12是未孕育处理合金和非晶孕育处理合金(实施例2-12)经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线，具体的力学性能列于表2中。由图2和表2表明，未经孕育处理的铝合金经T6热处理之后的抗拉强度平均值为475MPa，延伸率平均为6.7％。而所有的经非晶合金条带孕育处理的铝合金的强度和延伸率都显著地高于未孕育处理合金的。例如实施例4，平均最大抗拉强度达540MPa，比未孕育处理的提高了近13.7％，延伸率达12.6％，提高了88％。揭示出经非晶孕育剂孕育处理得到的意想不到的细化晶粒效应起到了强烈的细晶强化作用。表2未孕育处理和实施例2-12非晶孕育剂孕育处理铝合金经T6热处理之后的拉伸力学性能 

注：+、-号代表性能检测误差上、下限。 

Claims (8)

1.一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，按一线步骤进行：

(1)孕育剂的制备：

a)在高纯氩气的保护下，将按一定比例混合的纯金属物料，在高真空多功能电弧炉中熔炼成合金，并吸铸成棒材；

b)然后将棒材通过高真空感应加热单辊旋淬系统制成非晶条带；

所述孕育剂包括Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系多元非晶合金；

(2)非晶孕育处理：

使用多功能气氛保护有色合金熔炼装置熔炼铝合金，当铝合金熔体达到750℃-770℃时，将条带状非晶态孕育剂加入合金熔体中，非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％，孕育处理时间为15-600秒，辅助机械搅拌0-300秒，辅助超声震荡0-180秒，制备出非晶孕育铸造铝合金。

2.根据权利要求1所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，所述非晶孕育剂成分按原子百分比为：

Zr₅₀Cu₅₀；Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅；Zr₆₅Cu₁₅Al₁₀Ni₁₀；(Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅)₉₅La₅；Ni₆₀Nb₂₅Ti₁₅；Ni₇₀Nb₁₀Ti₁₀Zr₁₀；Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈；Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈；Ti₅₀Cu₄₅Ni₅；Ti₅₀Cu₄₅Ni₅；Al₈₄Ni₁₀La₆。

3.根据权利要求1所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，

所述步骤a)棒材的制备过程：

首先按孕育剂成分进行配料，将配好的合金放入电弧炉熔炼室的水冷铜坩埚内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼，熔炼电流为250-350A，熔炼3-4分钟，翻面，熔炼过程中加电磁搅拌，反复翻面熔炼4-5次，使合金实现成分均匀，最后开动真空泵，将坩埚内的合金液体吸入铜模具内成型合金棒；

所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。

4.根据权利要求3所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，所述熔炼之前电弧炉熔炼室的真空度为0.006-0.008Pa，向熔炼真空室内通入的高纯氩气为0.05-0.06MPa，熔炼电流为250-350A，反复翻面熔炼次数为4-5次，所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。

5.根据权利要求1所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，

所述步骤b)非晶条带的制备过程：

在高真空感应加热单辊旋淬系统中将步骤a)制备出的合金棒装入石英坩埚内，熔炼之前先将单辊旋淬系统的熔炼室的真空度抽到0.006-0.008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0.05-0.06MPa的高纯氩气，开动中频感应电源，将合金棒熔化，待熔炼20-40秒全部熔化后，用高纯氩气将合金熔体从石英坩埚内喷到高速旋转的滚轮上，制备出薄的连续的非晶条带状的非晶合金孕育剂；所用高纯氩气的纯度均为99.998-99.999vol.％。

6.根据权利要求5所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，熔炼之前单辊旋淬系统的熔炼室的真空度为0.006-0.008Pa，向熔炼真空室内通入的高纯氩气为0.05-0.06MPa，所用高纯氩气的纯度为99.998-99.999vol.％。

7.根据权利要求1所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将非晶合金条带加入到铝合金熔体时，非晶合金发生晶化，生成大量细小的团簇或者纳米晶，随着对铝合金熔体的搅拌，团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，作为α-Al的异质形核核心，显著地增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而十分明显地细化了α-Al晶粒。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，其特征在于，所述步骤(2)非晶孕育处理采用制备铸造铝合金方法进行，所述铝合金按重量百分比计为Al：93.16，Cu：5.5，Mn：0.45，Ti：0.3，V：0.2，Cd：0.2，B：0.04，Zr：0.15，在电阻坩埚炉中加热熔炼到750℃-770℃，经过除渣精炼工艺后，静置，向铝合金熔体中加入非晶孕育剂条带，再经孕育处理、辅助机械搅拌和辅助超声震荡后，在750-770℃下浇铸入铁模冷却成型，随后经T6固溶、时效热处理后，制取微观组织分析和拉伸试样。

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