CN103131968A

CN103131968A - 用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103131968A
Application number: CN2013100440295A
Authority: CN
Inventors: 邱丰; 姜启川; 百志好; 胡威
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明涉及一种用于铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂及其制备方法。其中，该新型非晶态合金孕育剂的成分按原子百分比组成：Ni：40.000～70.000；Nb：10.000～40.000；Ti：5.000～20.000；Zr：0.000～10.000。制备工艺步骤为：将Ni、Nb、Ti和Zr合金元素一定成分进行配比，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧辅助电磁搅拌反复翻面熔炼，然后将镍基合金熔体吸铸成型。再将吸铸的合金棒放入感应加热单辊旋淬系统重熔，随后旋淬制成非晶条带。具有便于分散和均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，生产效率高，适合长时间大批量的连续铸造等优点。

Description

用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金凝固领域，特别是涉及用于孕育处理铸造铝合金的一种新型镍基非晶合金孕育剂及其制备方法。

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和孕育，细化结晶相或者改变结晶相的生长方式。其机制一般为核心(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或者孕育的文献报道。本发明涉及用于孕育处理铸造铝合金的一种新型非晶态镍基合金孕育剂及其制备方法。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。该非晶态镍基合金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用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂及其制备方法，该孕育剂及方案对铝合金体系的普适性强、变质剂实际收得率高、便于分散和均匀、细化后的组织均匀、变质处理和合金凝固时间短、适合长时间大批量的连续铸造的铸造铝合金。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂，该孕育剂是Ni基多元非晶合金，由Ni、Nb、Ti和Zr元素组成，其成分按原子百分比为：Ni：40.000～70.000，Nb：10.000～40.000，Ti：5.000～20.000，Zr：0.000～10.000，使用电弧熔炼吸铸和感应加热旋淬方法制备成条带状。

所述的一种用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂的制备方法，非晶孕育剂制备工艺步骤为：

1)多元合金的熔炼及吸铸成型：

将Ni、Nb、Ti和Zr合金元素按所述成分进行配比，放入电弧炉真空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镍基多元合金，熔炼电流为250-350A，一次熔炼3-4分钟，熔炼过程中加电磁搅拌，电磁搅拌电流为1-2A，反复翻面熔炼合金4-5次，使合金成分充分均匀，最后开动真空泵，抽气，造成铜模具腔体内与熔炼室内的压力差，将水冷铜坩埚内的镍基合金熔体吸入铜模具内冷却成型为合金棒；

2)感应加热旋淬方法制备非晶条带：

将吸铸的镍基合金棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼室的石英坩锅内，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高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率6-10KW，感应加热熔炼时间约30-60秒，然后将镍基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条带，喷注压力为0.06-0.08MPa.

所用高纯氩气的纯度都为99.998-99.999vol.％。

该孕育剂是制成薄条带状的，以薄带的形式加入到熔体中，便于分散和均匀，孕育剂实际收得率高，孕育处理时间大为缩短，细化后组织均匀，提高了生产效率，适合长时间大批量的连续铸造。

该孕育剂是非晶态的，由Ni、Nb、Ti和Zr元素组成的镍基多元非晶合金，不含贵金属，其成本较低，在变质过程中烧损小，较为稳定。

本发明一种用于孕育处理铸造铝合金的新型镍基非晶合金孕育剂及其制备方法与目前已有的变质及孕育技术相比具有以下特点：

1)本发明的孕育剂是非晶态的，不同于以往的晶态孕育剂。

2)非晶合金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。

3)该非晶态孕育剂是由Ni、Nb、Ti和Zr元素组成的镍基多元非晶合金，不含贵金属，其成本较低，在变质过程中烧损小，较为稳定。

附图说明

图1(a)是未经非晶孕育处理的铝合金(实施例1)的铸态微观组织光镜照片。

图1(b-f)是经非晶孕育处理的铝合金(实施例2-6)的铸态微观组织光镜照片。

图2曲线1-6是对应实施例1-6经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线。

具体实施方式

以下结合附图所述实施例进一步说明本发明的具体内容及实施方式。

本发明一种铸造铝合金的新型非晶合金孕育剂，由以下成分按原子百分比组成：Ni：40.000～70.000；Nb：10.000～40.000；Ti：5.000～20.000；Zr：0.000～10.000。

用于铸造铝合金的新型非晶态镍基多元合金孕育剂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瞬时大幅增加铝合金熔体中α-Al相的异质形核核心数量，细化α-Al晶粒。

本发明的技术方案是：将Ni、Nb、Ti和Zr合金元素按设计成分进行配比，放入电弧炉真空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镍基多元合金，熔炼电流为250-350A，一次熔炼3-4分钟，熔炼过程中加电磁搅拌，电磁搅拌电流为1-2A，反复翻面熔炼合金4-5次，使合金成分充分均匀，最后开动真空泵，抽气，造成铜模具腔体内与熔炼室内的压力差，将水冷铜坩埚内的镍基合金熔体吸入铜模具内冷却成型。将吸铸的合金棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼室的石英坩锅内，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高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率6-10KW，感应加热熔炼时间约30-60秒，然后将镍基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条带。喷注压力为0.06-0.08MPa。本实验中所用高纯氩气的纯度都为99.998-99.999vol.％。使用多功能气氛保护有色合金熔炼装置熔炼铝合金，当铝合金熔体达到一定温度(750-770℃)时，将已剪成小块的非晶条带变质剂加入合金熔体中，充分搅拌，保温一定时间后浇铸，制备出非晶变质铸造铝合金。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，并作为α-Al的异质形核核心，大幅增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而细化α-Al晶粒。

通过以下给出的6个实施例对本发明一种用于孕育处理铸造铝合金的新型镍基非晶合金孕育剂作进一步阐述。

1.镍基非晶合金孕育剂6个实施例的中镍基非晶合金孕育剂的化学成分及加入工艺：

本发明一种用于孕育处理铸造铝合金的新型镍基非晶合金孕育剂6个实施例的镍基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镍基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.上述实施例中镍基非晶合金孕育剂的制备：

将Ni、Nb、Ti和Zr元素按预先设计加入成分进行配比，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合金，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，制备出合金棒。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30-60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铜合金(成分为：Al：93.16，Cu：5.5，Mn：0.45，Ti：0.3，V：0.2，Cd：0.2，B：0.04，Zr：0.15，重量百分比)熔体加热到730-750℃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，辅助机械搅拌和超声分散，孕育处理15-300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，制取金相和拉伸试样。

4.所获上述实施例经非晶合金孕育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-f)经非晶孕育处理的铝合金(实施例2-6)的铸态微观组织。由该图可见，未经非晶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，而经非晶孕育处理的铝铜合金(实施例1-8) 的铸态微观组织，则较为细小，晶粒尺寸大多介于50-100微米。由此可知，经非晶孕育处理后的铝合金的铸态组织明显细化，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1/3甚至2/5。图2曲线1-6是对应图1(a-f)中实施例1-6经T6热处理之后的拉伸工程应力应变曲线，详细的力学性能列于表2中。有图2和表2可见，未经孕育处理的铝合金经T6热处理之后的强度平均值为475MPa，延伸率平均为6.7％。而所有的经镍基非晶合金条带孕育处理的铝合金的强度和延伸率都明显高于未处理的合金，其中，强度至少提高6％以上，延伸率提高21％以上。例如实施例6，平均最大抗拉强度达535MPa，比为孕育处理的提高了12.6％，延伸率达13.6％，提高了103％。可见经非晶孕育剂孕育处理得到的细化晶粒起到了显著的细晶强化的作用。

表2实施例1-6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

1.一种用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂，其特征在于，该孕育剂是Ni基多元非晶合金，由Ni、Nb、Ti和Zr元素组成，其成分按原子百分比为：Ni：40.000～70.000，Nb：10.000～40.000，Ti：5.000～20.000，Zr：0.000～10.000，使用电弧熔炼吸铸和感应加热旋淬方法制备成条带状。

2.根据权利要求1所述的一种用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂的制备方法，其特征在于，非晶孕育剂制备工艺步骤为：

1)多元合金的熔炼及吸铸成型：

2)感应加热旋淬方法制备非晶条带：

将吸铸的镍基合金棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼室的石英坩锅内，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高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率6-10KW，感应加热熔炼时间约30-60秒，然后将镍基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条带，喷注压力为0.06-0.08MPa。

3.根据权利要求1所述的一种用于孕育处理铸造铝合金的非晶态镍基合金孕育剂的制备方法，其特征在于，所用高纯氩气的纯度都为99.998-99.999vol.％。