CN103305714B - 一种细化铝硅合金熔体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铝硅合金的晶粒细化剂及细化铝硅合金熔体的方法，它是将Al-Ti-C中间合金的合成和使用有机结合在一起，采用简单的元素直接合成法、进一步通过使用过程中对铝硅合金液的过热处理，促进C与Ti化合生成TiC的反应，从而实现在有效合成TiC的同时、有效细化铝硅合金熔体的目的。该方法可以在常规熔炼条件下完成，不需额外增添设备和投资，而且工艺简单，细化效果好。与现有Al-Ti-C中间合金的制备技术相比，该方法注重于使用中的细化效果，将TiC的有效合成和熔体细化处理工艺有机结合在一起，大大降低了生产难度，减少了生产成本。

Description

一种细化铝硅合金熔体的方法

技术领域

本发明属于铝合金熔铸技术领域，特别是涉及一种用于铝硅合金的晶粒细化剂的制备方法和使用方法。 

背景技术

铸造铝硅合金是制造发动机活塞的理想材料，该合金具有耐磨性好、热膨胀系数低、高温强度和抗蠕变性能较高等优点。近年来，随着发动机向高转速、低能耗、低噪音方向发展，对发动机活塞的性能提出了更高的要求。活塞材料的组织细化是使合金获得良好的铸造性能、机械性能和使用性能的重要基础。Al-Ti-B和Al-Ti-C是铝合金中重要的晶粒细化剂。与Al-Ti-B相比，Al-Ti-C细化效果优异、抗衰退能力强、TiC粒子聚集倾向小、对Zr或Cr中毒有免疫力。Al-Ti-C被认为是铝合金最有效的晶粒细化剂。但是，由于Al-Ti-C中间合金的制备需要特殊的工艺手段，如真空沸腾法、热爆合成法等，使得其生产难度大、成本高，限制了它的推广和使用。目前，工业生产中广泛使用的晶粒细化剂仍是Al-Ti-B中间合金。为了有效细化铝硅活塞合金的组织、进一步提高其性能，发明一种低成本、高效的晶粒细化方法具有迫切的现实意义。 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂的制备方法和使用方法。 

为了实现上述目的，本发明提供一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤： 

（1）以工业纯铝、钛屑为原料，置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金；其中，钛屑的重量为原料量的4~8 wt %；熔炼温度为1000～1300℃，精炼时间15~20分钟；

（2）保持Al-Ti二元合金液温度在1000～1300℃，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体；其中，石墨颗粒的加入量为所述Al-Ti二元合金的0.2~1 wt%；

（3）静置5~10min；

（4）将合金熔体浇注成型即得Al-Ti-C晶粒细化剂。

进一步，本发明还提供一种细化铝硅合金熔体的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）在坩埚中熔炼铝硅合金，所述铝硅合金中含硅重量为8~13 wt %，余量为工业纯铝；熔炼温度为720~760℃，精炼时间15~20分钟； 

（2）以不低于20℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至900~950℃，然后加入上述Al-Ti-C晶粒细化剂；其中，Al-Ti-C晶粒细化剂的加入量为铝硅合金总量的0.2~0.8 wt%；并均匀搅拌熔体，接着保温20~40min;

（3）将步骤（2）所得的合金液降温至720~760℃，降温冷却时间控制在5~30min；

（4）浇铸成铸锭，获得细晶铝硅合金锭。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果： 

1、本发明提出首先按常规生产工艺熔炼Al-Ti二元合金，保持合金液温度在1000～1300℃时加入石墨颗粒，由于此时合金熔体具有较好的流动性，通过搅拌使得石墨颗粒易于在熔体中均匀分散。同时，部分石墨颗粒可与合金熔体中的Ti反应生成TiC，以TiC质点的形式存在于Al-Ti-C中间合金。

进一步，本发明提出在使用Al-Ti-C中间合金时，将铝硅合金液过热至900~950℃保温一定的时间。在这样的工艺条件和熔体中Si元素的共同作用下，将使C在熔体中的活度大大增加，从而促进C与Ti的进一步反应、使TiC的数量增多。随后将合金液快冷至720~760℃，TiC将被保留下来，稳定存在于熔体中。TiC是Al熔体凝固过程中有效的形核核心，大量细小、分散、均匀分布的TiC粒子可以有效细化晶粒。因而通过这样的处理工艺，可以获得细晶铝硅合金锭。 

2、本发明将中间合金的合成和使用有机结合在一起，注重使用中的细化效果，而不单纯追求在合成中间合金时就获得大量的TiC。基于TiC反应的本质热力学特点，在Al-Ti-C三元系中，元素Ti与C很难直接化合生成TiC，因此不得不采取特殊的制备工艺，例如前面提到的真空沸腾法、热爆合成法等，使得其生产难度和成本增大。本发明基于Al-Ti-C-Si四元系中Si对C活度的影响，通过使用过程中对铝硅合金液的过热处理，进一步促进C与Ti化合生成TiC的反应，将TiC的有效合成和熔体细化处理工艺有机结合在一起，因而大大降低了生产难度，减少了生产成本。 

（3）本发明提供的用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂及其细晶铝硅合金锭，可以在常规熔炼条件下完成，不需额外增添设备（因而不增加额外投资），而且工艺简单，细化效果好。 

附图说明

图1（a）是未添加Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片； 

图1（b）是添加0.5 wt%Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片。

具体实施方式

　　下面结合具体实施例对本发明方法作进一步祥细说明。 

实施例1：

1、一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，以工业纯铝、钛屑及石墨颗粒为原料制备而成，其中，钛屑的重量百分比为5%，石墨颗粒的重量百分比为0.3%，余量为工业纯铝。

首先，将工业纯铝、钛屑置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金。熔炼温度为1150℃，精炼15分钟；然后，保持合金液温度在1150℃左右，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体，静置5min后，将熔液浇注成合金饼锭。 

2、一种细化铝硅合金熔体的方法，首先在坩埚中熔炼铝硅合金（含硅重量百分比为10.5%，余量为工业纯铝），熔炼温度为720℃，精炼20分钟；然后以20℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至900℃，加入铝硅合金重量0.5 wt%　的上述Al-Ti-C晶粒细化剂，并均匀搅拌，接着保温0.5h；然后，将合金液降温至730℃，降温冷却时间为0.5h，随即浇铸成铸锭。 

在铝硅合金铸锭中心取样，进行金相显微组织观察和晶粒度测定，结果表明，添加Al-Ti-C中间合金的铝硅合金组织得到明显细化，一次枝晶间距由未添加Al-Ti-C中间合金时的220μm降低至95μm，同时二次枝晶数量增多、尺寸细化。 

实施例2：

1、一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，以工业纯铝、钛屑及石墨颗粒为原料制备而成，其中，钛屑的重量百分比为8%，石墨颗粒的重量百分比为0.8%，余量为工业纯铝。

首先，将工业纯铝、钛屑置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金。熔炼温度为1300℃，精炼20分钟；然后，保持合金液温度在1300℃左右，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体，静置10min后，将熔液浇注成合金饼锭。 

2、一种细化铝硅合金熔体的方法，首先在坩埚中熔炼铝硅合金（含硅重量百分比为13%，余量为工业纯铝），熔炼温度为750℃，精炼15分钟；然后以40℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至930℃，加入铝硅合金重量0.3 wt%的上述Al-Ti-C晶粒细化剂，并均匀搅拌，接着保温20min；然后，将合金液降温至750℃，降温冷却时间为15min，随即浇铸成铸锭。 

在铝硅合金铸锭中心取样，进行金相显微组织观察和晶粒度测定，结果表明，添加Al-Ti-C中间合金的铝硅合金组织得到明显细化，一次枝晶间距由未添加Al-Ti-C中间合金时的215μm降低至82μm，同时二次枝晶数量增多、尺寸细化。 

经过本发明提供的晶粒细化剂和细化方法处理，可以有效细化铝硅合金。附图1（a）是未添加Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片；图1（b）是添加0.5 wt%Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片。附图1比较了添加和未添加本发明所述的Al-Ti-C晶粒细化剂的铝硅合金的典型铸态金相显微组织，照片显示添加晶粒细化剂的铝硅合金组织得到明显细化。 

本发明是将Al-Ti-C中间合金的合成和使用有机结合在一起，采用简单的元素直接合成法、进一步通过使用过程中对铝硅合金液的过热处理，促进C与Ti化合生成TiC的反应，从而实现在有效合成TiC的同时、有效细化铝硅合金熔体的目的。该方法可以在常规熔炼条件下完成，不需额外增添设备和投资，而且工艺简单，细化效果好。与现有Al-Ti-C中间合金的制备技术相比，该方法注重于使用中的细化效果，将TiC的有效合成和熔体细化处理工艺有机结合在一起，大大降低了生产难度，减少了生产成本。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (1)

1.一种细化铝硅合金熔体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在坩埚中熔炼铝硅合金，所述铝硅合金中含硅重量为8~13 wt %，余量为工业纯铝；熔炼温度为720~760℃，精炼时间15~20分钟； 

2）以不低于20℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至900~950℃，然后加入Al-Ti-C晶粒细化剂；其中，Al-Ti-C晶粒细化剂的加入量为铝硅合金总量的0.2~0.8 wt%；并均匀搅拌熔体，接着保温20~40min;

3）将步骤2）所得的合金液降温至720~760℃，降温冷却时间控制在5~30min；

4）浇铸成铸锭，获得细晶铝硅合金锭；

其中，步骤2）所述Al-Ti-C晶粒细化剂，采用如下方法获得：

（1）以工业纯铝、钛屑为原料，置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金；其中，钛屑的重量为原料量的4~8 wt %；熔炼温度为1000～1300℃，精炼时间15~20分钟；

（2）保持Al-Ti二元合金液温度在1000～1300℃，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体；其中，石墨颗粒的加入量为所述Al-Ti二元合金的0.2~1 wt%；

（3）静置5~10min；

（4）将合金熔体浇注成型即得Al-Ti-C晶粒细化剂。