CN104328293A - 一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂及其制备方法和应用，该强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：铝和铁，铝和铬，铝和镍，铝和锰，铝和钒，铝和铜，铝和铈，铝和镧，铁和硅，铬和硅，镍和硅，锰和硅，铜和硅。该强化剂可以大幅度提高铝熔体中存在的异质形核核心的形核能力，从而大幅度提高铝熔体中铝晶粒的形核率，改善凝固组织。

Description

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂及其制备方法和应用，属于金属材料技术领域。

背景技术

铝合金由于其高的比强度，良好的耐蚀性和机加工性能，成为汽车轻量化的首选材料。在工业生产中往往在铝熔体凝固过程中施加影响，以期细化凝固组织，提高力学性能。目前经常采用的措施是向铝合金熔体中添加异质形核核心(通常被称为细化剂或者形核剂)或者在凝固过程中施加外场。添加异质形核核心可以大幅地提高铝晶粒形核率，从而降低凝固合金中铝晶粒的尺寸。由于关于铝熔体中铝晶粒的异质形核核心的研究已经持续了几十年，所以使用这种方法进一步细化凝固组织的潜力大大降低，铝晶粒尺寸细化的极限多年未取得新的进展。所以为了提高铝合金的服役性能，需要开发一种有别于目前普遍使用的提供异质形核核心的方法，通过促进铝熔体中铝晶粒形核，实现凝固组织调控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂及其制备方法和应用，该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂本身不作为异质形核核心，但是可以大幅度提高熔体中潜在的异质形核核心的形核能力，从而大幅度提高铝熔体中铝晶粒的形核率，改善凝固组织。

本发明的技术方案如下：

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数60％-99％的铝和余量的铁，质量分数60％-99％的铝和余量的铬，质量分数60％-99％的铝和余量的镍，质量分数60％-99％的铝和余量的锰，质量分数60％-99％的铝和余量的钒，质量分数50％-99％的铝和余量的铜，质量分数10％-99％的铝和余量的铈，质量分数10％-99％的铝和余量的镧，质量分数20％-90％的铁和余量的硅，质量分数20％-90％的铬和余量的硅，质量分数20％-90％的镍和余量的硅，质量分数20％-90％的锰和余量的硅，质量分数20％-90％的铜和余量的硅。

根据本发明，优选的，所述的强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数80-95％的铝和余量的铁，质量分数80％-95％的铝和余量的铬，质量分数80％-95％的铝和余量的镍，质量分数80％-95％的铝和余量的锰，质量分数80％-95％的铝和余量的钒，质量分数50％-75％的铝和余量的铜，质量分数10％-40％的铝和余量的铈，质量分数10％-40％的铝和余量的镧，质量分数60％-90％的铁和余量的硅，质量分数60％-90％的铬和余量的硅，质量分数60％-90％的镍和余量的硅，质量分数60％-90％的锰和余量的硅，质量分数70％-90％的铜和余量的硅。

根据本发明，优选的，所述的强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数90％的铝和10％的铁，质量分数90％的铝和10％的铬，质量分数90％的铝和10％的镍，质量分数90％的铝和10％的锰，质量分数90％的铝和10％的钒，质量分数60％的铝和40％的铜，质量分数15％的铝和85％的铈，质量分数15％的铝和85％的镧，质量分数75％的铁和25％的硅，质量分数70％的铬和30％的硅，质量分数70％的镍和30％的硅，质量分数70％的锰和30％的硅，质量分数89％的铜和11％的硅。

根据本发明，上述铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)按上述质量配比称取工业纯的单质原料；

(2)将单质原料熔化并在对应的液相线温度以上150-250℃保温15-30min；

(3)将步骤(2)保温处理后的熔体浇铸成铸锭或连铸连轧成线材，即得。

根据本发明，优选的，步骤(2)中保温温度为200℃，保温时间为20min。

根据本发明，优选的，当单质原料易于氧化时，步骤(2)熔炼过程中使用惰性气体保护，优选的惰性气体为氮气或氩气。

根据本发明，所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂在促进铝熔体中铝晶粒形核中的应用。强化剂的加入量为铝合金熔体质量的0.1-2％。还可与常用的铝合金细化剂或铝合金形核剂(如铝钛硼和铝钛碳等)联合使用，待熔体均匀后浇注。

加入本发明所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后，可向铝熔体中引入一些局域有序结构，这些局域有序结构可激活铝熔体中本来不能起作用的一些固体颗粒作为铝晶粒形核核心，并大幅度提高铝合金细化剂中的形核粒子的形核效率，从而可显著的细化铝合金的凝固组织中铝晶粒的尺寸。

本发明铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂加入到铝合金熔体后会分解，不会留下任何可以作为异质形核核心的晶体固体，因此本身不能为铝熔体提供铝晶粒的异质形核核心。但是该异质形核强化剂能够向铝熔体中引入一些局域有序结构，这些局域有序结构可以激活铝熔体中本来不能起作用的固体颗粒作为形核核心，并且大幅度的提高常用铝合金细化剂中的形核粒子的形核效率。即，该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂能高效地促进熔体中潜在铝晶粒异质形核核心(包括在铝合金熔体中自然存在的和通过添加铝合金细化剂方法引入的固体晶体颗粒)起作用。因此，该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂可以显著的降低凝固组织中铝晶粒的尺寸。从附图的对比中可以发现单独使用该异质形核强化剂可以显著的细化工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的尺寸，而与常用的铝合金细化剂同时使用时可以大幅度提高细化剂的作用效果，突破现有铝合金金铝晶粒细化剂的细化极限。

本发明的有益效果是：

1、本发明的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂组成简单，原料来源广泛，加入到铝合金熔体中后可以激活熔体中的一些固体颗粒作为铝晶粒的形核核心，并可大幅度提高常见铝晶粒形核粒子的形核效率，从而显著的细化铝合金的凝固组织中铝晶粒的尺寸。

2、本发明的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂制备方法简单。

3、本发明的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂可与常用铝合金细化剂或铝合金形核剂(如铝钛硼和铝钛碳等)联合使用，效果更佳。

附图说明

图1是对比例1中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图2是实施例1中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图3是实施例2中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图4是实施例3中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图5是实施例4中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图6是实施例5中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图7是实施例6中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

图8是对比例2中工业纯铝的凝固组织中铝晶粒的形貌图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为铝99％，铁1％。

制备方法如下：

(1)按工业纯铝99％，铁1％的质量比称取原料；

(2)将铝和铁在中频炉中熔化并在800℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭或连铸连轧成线材，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝至完全熔化，按照工业纯铝质量2％的比例加入该异质形核强化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图2所示。由图2可知，使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比未经处理的铝晶粒(如图1所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂激活了一些铝熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进铝晶粒形核，从而细化凝固组织中的铝晶粒的尺寸。

实施例2

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为铝60％，镍40％。

制备方法如下：

(1)按工业纯铝60％，镍40％的质量比称取原料；

(2)将铝和镍在中频炉中熔化并在1300℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝至完全熔化，按照工业纯铝质量0.5％的比例加入该异质形核强化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图3所示。使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比未经处理的铝晶粒(如图1所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂激活了一些铝熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进铝晶粒形核，从而细化凝固组织中的铝晶粒的尺寸。

实施例3

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为铝50％，铜50％。

制备方法如下：

(1)按工业纯铝50％，铜50％的质量比称取原料；

(2)将铝和铜在中频炉中熔化并在850℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，按照工业纯铝质量0.2％的比例加入该异质形核强化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图4所示。使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比未经处理的铝晶粒(如图1所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂激活了一些铝熔体中自然存在的但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进铝晶粒形核，从而细化凝固组织中的铝晶粒的尺寸。

实施例4

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为铝15％，铈85％。

制备方法如下：

(1)按工业纯铝15％，铈85％的质量比称取原料；

(2)将铝和铈在电阻炉熔化并在1350℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，在以上熔炼过程中使用氩气保护熔体防止氧化，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，按照工业纯铝质量0.1％的比例加入该异质形核强化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图5所示。由图5可知，使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比未经处理的铝晶粒(如图1所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂激活了一些铝熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进铝晶粒形核，从而细化凝固组织中的铝晶粒的尺寸。

实施例5

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为镍70％，硅30％。

制备方法如下：

(1)按工业纯镍70％，硅30％的质量比称取原料；

(2)将纯镍和硅在中频炉中熔化并在1200℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，按照工业纯铝质量0.2％的比例加入该异质形核强化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图6所示。由图6可知，使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比未经处理的铝晶粒(如图1所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂激活了一些铝熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进铝晶粒形核，从而细化凝固组织中的铝晶粒的尺寸。

实施例6

一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，该强化剂的元素质量百分比组成为铜90％，硅10％。

制备方法如下：

(1)按工业纯铜90％，硅10％的质量比称取原料；

(2)将纯铜和硅在中频炉中熔化并在1050℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的应用：

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，按照工业纯铝质量0.1％的比例加入该异质形核强化剂和0.5％比例的铝钛硼细化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图7所示。使用该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂后铝晶粒的尺寸相比仅适用铝钛硼细化处理的铝晶粒(如图8所示)尺寸明显的减小，数量显著增加。这是由于该铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂大大的强化了加入的细化剂中形核粒子的作用，使得他们可以更有效地促进铝晶粒形核，从而能够突破常见铝合金细化剂的细化极限。

对比例1

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图1所示。由图1可知，未经处理的熔体中有效的形核粒子数目少，导致了凝固组织中铝晶粒的尺寸大，数量少。

对比例2

在中频炉里熔化工业纯铝，至完全熔化，加入熔体质量0.5％的铝钛硼细化剂，保温20min后，按照正常工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。使用王水腐蚀后显示出铝晶粒的形貌如图8所示。由图8可知，使用铝钛硼细化剂处理后，熔体中形核粒子数目增加，最终凝固组织中铝晶粒尺寸小，数目多(相比图1而言)。但是由细化剂引入的形核粒子中大部分都不起作用，所以细化剂的细化极限是可以使用其他方法突破的。所以在联合使用本发明中的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂和铝钛硼细化剂后，可以进一步发挥只使用铝钛硼情况下没有被利用的形核粒子的作用，铝晶粒可以被进一步大幅度的细化(如图7)。

Claims (10)

1.一种铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，其特征在于，该强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数60％-99％的铝和余量的铁，质量分数60％-99％的铝和余量的铬，质量分数60％-99％的铝和余量的镍，质量分数60％-99％的铝和余量的锰，质量分数60％-99％的铝和余量的钒，质量分数50％-99％的铝和余量的铜，质量分数10％-99％的铝和余量的铈，质量分数10％-99％的铝和余量的镧，质量分数20％-90％的铁和余量的硅，质量分数20％-90％的铬和余量的硅，质量分数20％-90％的镍和余量的硅，质量分数20％-90％的锰和余量的硅，质量分数20％-90％的铜和余量的硅。

2.根据权利要求1所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，其特征在于，元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数80-95％的铝和余量的铁，质量分数80％-95％的铝和余量的铬，质量分数80％-95％的铝和余量的镍，质量分数80％-95％的铝和余量的锰，质量分数80％-95％的铝和余量的钒，质量分数50％-75％的铝和余量的铜，质量分数10％-40％的铝和余量的铈，质量分数10％-40％的铝和余量的镧，质量分数60％-90％的铁和余量的硅，质量分数60％-90％的铬和余量的硅，质量分数60％-90％的镍和余量的硅，质量分数60％-90％的锰和余量的硅，质量分数70％-90％的铜和余量的硅。

3.根据权利要求1所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂，其特征在于，元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数90％的铝和10％的铁，质量分数90％的铝和10％的铬，质量分数90％的铝和10％的镍，质量分数90％的铝和10％的锰，质量分数90％的铝和10％的钒，质量分数60％的铝和40％的铜，质量分数15％的铝和85％的铈，质量分数15％的铝和85％的镧，质量分数75％的铁和25％的硅，质量分数70％的铬和30％的硅，质量分数70％的镍和30％的硅，质量分数70％的锰和30％的硅，质量分数89％的铜和11％的硅。

4.一种权利要求1-3任一项所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)按上述质量配比称取工业纯的单质原料；

(2)将单质原料熔化并在对应的液相线温度以上150-250℃保温15-30min；

(3)将步骤(2)保温处理后的熔体浇铸成铸锭或连铸连轧成线材，即得。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中保温温度为200℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中保温时间为20min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当单质原料易于氧化时，步骤(2)熔炼过程中使用惰性气体保护。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所用的惰性气体为氮气或氩气。

9.权利要求1-3任一项所述的铝合金熔体中铝晶粒异质形核强化剂在促进铝熔体中铝晶粒形核中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将强化剂加入到铝熔体中使用，强化剂的加入量为铝合金熔体质量的0.1-2％。