CN104372193B

CN104372193B - 一种铝合金复合孕育剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104372193B
Application number: CN201410667369.8A
Authority: CN
Inventors: 杨成刚; 余爱武; 黄忠宝; 冀海贵
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: CN104372193A

Abstract

本发明公开了一种铝合金复合孕育剂及其制备方法，铝合金复合孕育剂，其组分按质量百分比计：La 3%～8%，Zr 3%～8%，Ti 5%～12%，余量为Al。其制备的方法是：按设定的成分配比称取原料Al‑20La、Al‑10Zr、Al‑10Ti中间合金进行配料，在真空环境下对熔体进行高频电磁震荡处理，再经快速凝固处理制得用于铝合金晶粒细化的复合孕育剂。本发明的优点是：该复合孕育剂是由Al、La、Zr、Ti四种元素组成的，不含贵金属，其成本较低，且在变质过程中烧损小，稳定性好；实现了晶粒的进一步细化，使铝合金组织完全转变成细小且均匀的等轴晶、使铝合金的力学性能得到显著的提高。

Description

一种铝合金复合孕育剂及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金孕育剂领域，具体涉及一种铝合金复合孕育剂及其制备方法，主要用于细化铝合金的晶粒组织、提高铝合金的综合力学性能。

背景技术

铝合金是工业生产中应用最为广泛的一类有色金属材料，以独特的性能特点在航空航天、汽车船舶、电工电子等领域得到了广泛应用。随着高新技术领域的不断发展，对铝合金材料的微观组织与力学性能提出了更高层次的要求，但由于铝合金在前期的铸造过程中，易出现粗大且不均匀的晶粒组织并伴随气孔和裂纹等缺陷，导致合金性能无法达到所需指标，极大地限制了铝合金作为结构件在高新技术领域的进一步使用和推广。

通过在铸造过程中向熔体中添加孕育剂来细化合金晶粒以改善组织，是充分提高和发挥铝合金性能的最快捷有效的途径之一。Ti、Zr是铝合金较为常用的孕育剂，当合金中含有微量的Ti或Zr元素时会在合金凝固过程中形成细小的Al₃Ti或Al₃Zr弥散相，二者都能充当α(Al)的有效形核质点以促进晶粒细化，显著提高合金的性能。同时，含Ti孕育剂的细化长效性及细化效果的稳定性较含Zr孕育剂更加优异；但Zr元素能更加显著降低合金的淬火敏感性，有效抑制了合金的再结晶，显著提高了合金的热稳定性。因此，为了能够综合二者的优异作用，一些研究者试图在铝合金中复合添加Ti,Zr元素，结果发现，在铝合金中复合添加Ti,Zr孕育剂时，能同时形成Al₃Ti、Al₃Zr及Al₃(Ti,Zr)三种形核质点，使形核质点数量显著增加，晶粒尺寸能到进一步细化。但是，在实验过程中也发现，Ti,Zr复合添加时对Zr的含量精度要求很高，当Zr的含量及铸造工艺控等制不当时很容易引起Zr元素分布的不均匀而导致Al₃Zr的粗化和偏聚，对合金的性能产生不利的影响。为了解决上述问题，一些研究者发现，在同时含有Ti、Zr的孕育剂中添加了微量稀土元素Sc时，能显著的提高Al₃Zr弥散相在基体中分布的均匀性，有效避免Al₃Zr的粗化和偏聚，稀土Sc还能在熔体中形成Al3Sc及Al3(Sc,Zr)等形核质点，进一步促进晶粒的细化；同时稀土Sc还具有变质、精炼、净化和除气作用，显著改善合金的力学性能。虽然在Zr，Ti复合孕育剂中添加微量的Sc时能有效改善及避免第二相粒子的粗化和偏聚，并充分发挥Zr，Ti复合孕育剂的晶粒细化作用，但稀土Sc的价格十分昂贵，即使添加微量的Sc元素也会很大程度增加合金的成本，因此很大程度制约了含Sc铝合金的应用和推广，目前含Sc铝合金的研究尚停留在实验性的研究阶段，尚未投入工业生产。

一直以来，为了能够将稀土元素的优异作用融入铝合金中，同时又能很大程度的节约成本，激发了研究者们不断的寻求着价格便宜且性能优异的稀土元素来代替Sc以发展高性能铝合金材料。本发明选用微量的廉价稀土元素La代替Sc，与Zr和Ti元素复合制得Al-La-Zr-Ti复合孕育剂，以便将Zr,Ti元素的晶粒细化作用和稀土的有效作用结合起来；同时，探究Al-La-Zr-Ti复合孕育剂对Al-Mg合金组织和性能的影响，希望为高强度低成本铝合金材料的设计提供一条新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金复合孕育剂及其制备方法，由其所得的复合孕育剂不仅具有优异的晶粒细化效果，同时使细化后的铝合金力学性能得到显著提高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种铝合金复合孕育剂，所述孕育剂为中间合金复合孕育，在真空环境下经高频电磁震荡后快速凝固处理制得的；其特征在于：由Al、La、Zr、Ti四种元素组成，其组分按质量百分比计：La 3%～8%，Zr 3%～8%，Ti 5%～12%，余量为Al。

一种铝合金复合孕育剂的制备方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）配料，按设计好的化学成分配比：La 3%～8%，Zr 3%～8%，Ti 5%～12%，余量为Al，称取原料Al-20La、Al-10Zr及Al-10Ti中间合金进行配料；

（2）真空环境下高频电磁震荡熔炼；将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；

（3）快速冷却制得中间合金复合孕育剂；当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得中间合金复合孕育剂。

本发明所述该复合孕育剂是便于分散和均匀的中间合金复合孕育剂，且同时含有Al₃Ti、Al₃Zr、Al₃(Ti,Zr)和 Al₃(La_,Zr)等异质形核粒子。

本发明所述在应用方面，为了对比Al-La-Zr-Ti复合孕育剂与Al-Ti及Al-Zr-Ti孕育剂对Al-Mg合金的晶粒细化效果。按每1000gAl-Mg合金熔体中分别添加质量分数为0.2%中间合金孕育剂。熔炼温度为740℃，并通氩气保护，待合金完全融化后，用金属钟罩将已用铝箔包裹且预热的六氯乙烷压入熔体中，并不断搅拌以充分发挥精炼剂的除渣脱氢作用，在720℃保温不同时间后浇注，随后测量所得合金的晶粒尺寸，并对合金的力学性能进行测试。

本发明的优点是：

1、存在La，Zr，Ti的复合孕育剂不仅具有Ti，Zr复合添加时形成的异质形核粒子Al₃Ti、Al₃Zr和Al₃(Ti,Zr)，同时还形成了大量尺寸更小，弥散度更高的异质形核粒子Al₃(La,Zr)，进一步增加了异质形核核心的数量；四种形核粒子共同作用实现了晶粒的进一步细化，使铝合金组织完全转变成细小且均匀的等轴晶、使铝合金的力学性能得到显著的提高。

2、稀土La的添加显著改善了Al₃Zr粒子在铝熔体中分布的均匀性，有效的避免了Al₃Zr粒子的粗化和偏聚，从而保证了大量的Al₃Zr粒子充当基体的有效形核质点。

3、本发明方法克服了现有的制备中间合金晶粒细化剂的氧化物法、氟盐法和纯钛颗粒法等方法的工序繁杂、对设备要求苛刻及制备成本高的缺点，具有制备成本低，工艺简单，可以实现产业化生产的优点。

4、该复合孕育剂是由Al、La、Zr、Ti四种元素组成的，不含贵金属，其成本较低，且在变质过程中烧损小，稳定性好。

附图说明

图1是本发明实施例制得的Al-La-Zr-Ti复合孕育剂的X-射线衍射图。

图2是本发明不同孕育剂对Al-Mg合金的细化效果微观组织对比图。

图3是本发明实施例3所得合金晶粒内部形核质点A的形貌和能谱。

在图2中，(a)实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3。

在图3中，(a)实施例3所得合金晶粒内部形核质点A的形貌，

(b)实施例3所得合金晶粒内部形核质点A的能谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

根据本发明孕育剂的化学成分范围，对所需的复合孕育剂进行了加工和制备，制备工艺流程如下：

按设计好的化学成分配比：La 0%，Zr 0%，Ti10%，Al90%，称取国产的原料Al-20La、Al-10Zr及Al-10Ti中间合金进行配料。将准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，在电磁震荡下保温5分钟。当熔体保温到制定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得中间合金复合孕育剂。

实施例二

按设计好的化学成分配比：La 0%，Zr 5%，Ti 5%，Al90%，称取国产的原料Al-20La、Al-10Zr及Al-10Ti中间合金进行配料。将准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa ，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，在电磁震荡下保温5分钟。当熔体保温到制定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得中间合金复合孕育剂。

实施例三

按设计好的化学成分配比：La 5%，Zr 5%，Ti 5%，Al 85%，称取国产的原料Al-20La、Al-10Zr及Al-10Ti中间合金进行配料。将准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa,然后向熔炼真空室内通入0.05MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，在电磁震荡下保温5分钟。当熔体保温到制定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得中间合金复合孕育剂。

采用本发明的Al-La-Zr-Ti复合孕育剂与Al-Ti及Al-Zr-Ti孕育剂对Al-Mg合金的晶粒细化效果进行对比。所用的复合孕育剂和对比孕育剂的化学成分如表1所示。

表1 实施例Al-Ti、Al-Zr-Ti及Al-La-Zr-Ti复合孕育剂

的化学成分（质量百分比%）

本发明所述Al-La-Zr-Ti复合孕育剂的X-射线衍射如图1所示，表明制得的复合孕育剂中确实同时含有Al₃Ti、Al₃Zr、Al₃(Ti,Zr)和Al₃(La,Zr)四种异质形核粒子。实施例Al-La-Zr-Ti复合孕育剂和对比孕育剂Al-Ti、Al-Zr-Ti细化后的Al-Mg合金熔体在保温5min时所得试样的微观组织如图2所示，可见，La、Zr、Ti复合存在的孕育剂对晶粒的细化效果明显优于Al-Ti、Al-Zr-Ti孕育剂，得到的晶粒组织最为细小且均匀，且并未发现黑色的Al₃Zr粒子的粗化和偏聚现象。实施例复合孕育剂和对比孕育剂分别细化后的Al-Mg合金熔体在730℃保温5min所得试样的平均晶粒尺寸、抗拉强度及断后伸长率如表2所示，可见La、Zr、Ti复合存在的孕育剂的晶粒细化效果最好，所得的晶粒尺寸最细小，且细化后的合金具有更加优异的力学性能。实施例3所得合金晶粒内部形核质点的形貌及能谱如图3所示，可见La、Zr、Ti复合孕育剂在细化铝合金过程中确实能形成大量有效的异质形核粒子，从而促进晶粒的有效细化。

表2 实施例合金及母材晶粒尺寸、力学性能、抗晶粒细化衰退时间

由此可见，本发明Al-La-Zr-Ti复合孕育剂细化后的铝合金具有更加细小的晶粒尺寸、更加优异的力学性能。因此本发明复合孕育剂对铝合金的组织和性能具有综合的优化作用。

Claims

1.一种铝合金复合孕育剂，所述孕育剂为中间合金复合孕育，在真空环境下经高频电磁震荡后快速凝固处理制得的；其特征在于：由Al、La、Zr、Ti四种元素组成，其组分按质量百分比计：La3%～8%，Zr3%～8%，Ti5%～12%，余量为Al；所述铝合金复合孕育剂的制备步骤如下：

（1）配料，按设计好的化学成分配比：La3%～8%，Zr3%～8%，Ti5%～12%，余量为Al，称取原料Al-20La、Al-10Zr及Al-10Ti中间合金进行配料；

（2）真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；

（3）快速冷却制得中间合金复合孕育剂：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得中间合金复合孕育剂；

所述制得的复合孕育剂是便于分散和均匀的中间合金复合孕育剂，同时含有Al₃Ti、Al₃Zr、Al₃(Ti,Zr)和Al₃(La_,Zr)异质形核粒子。