CN104894404A - 一种铝合金细化剂、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种细化处理铝合金的方法及其制备的铝合金，其特征在于，所述的方法包括使用含有锆基非晶合金的细化剂对铝合金进行细化处理；优选地，所述的铝合金是A356.2铝合金。本发明所述细化剂的制备过程简单，只需将商购条带与铝粉混合并压制成块即可使用，工时短，生产率高。本发明细化剂选用的是对A356.2合金细化能力强的含锆合金，且为非晶态，其加入熔体后元素分布比传统合金更加均匀，析出相为纳米相，大大增加了异质形核质点数量，改善了铝合金的晶粒细化效果。

Description

一种铝合金细化剂、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及铝合金熔炼领域，具体地涉及一种铝合金细化剂、其制备方法及应用。

背景技术

A356.2铝合金具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小，比重小，耐蚀性好等优良特性，是汽车轮毂的主要使用材料。然而，未细化变质的A356.2铝合金的铸态组织为粗大片状或针状共晶硅和α-Al枝晶组织，力学性能较低。因此，必须添加变质元素及晶粒细化元素，使共晶硅形态由粗大的片状或针状转变为细小的球状或棒状，同时使α-Al晶粒得到细化，才能提高A356.2合金的使用性能，扩展其应用范围。目前，工业生产中A356.2铝合金常用的细化剂有Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C等。

在先技术，CN102886511A公开了一种制备Al-Ti-C晶粒细化剂的方法。所述细化剂由TiC加入铝液中制得。涉及到的TiC为纳米颗粒，材料成本高，制备工艺复杂。且需要使用氩气或氮气将该纳米粉末分散到熔体中，加大了工艺的复杂程度和整个工艺的周期，不易控制，不利于产业化生产。

在先技术，CN103667759A公开了一种Al-Mg-Si系合金α-Al晶粒细化剂及其制备方法。该方法需将Ti、Bi、Cr三种粉末混合后研磨至200-400目，加大了工艺时长。且粉末需用铝箔紧密包裹后，在200-250℃下烘烤30min后方可使用，增加了工艺复杂程度，不利于产业化生产。

在先技术，CN103589916A公开了一种快速凝固Al-Ti-B-Sc中间合金细化剂及其制备方法。该细化剂为晶态材料，其显微组织由α-Al及尺度为微米级的TiAl₃、TiB₂、AlB₂和Al₃Sc晶体相组成，微米级的析出相提供有限的形核质点，限制了元素的细化效果。

综上所述，现有技术中的铝合金细化剂要么成本较高难以广泛应用，要么使用步骤和过程复杂，限制了其在生产上的应用。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种新型的铝合金细化剂，从而克服以上的各个问题。

在本发明的一个方面，提供了一种细化处理铝合金的方法，所述的方法包括使用含有锆基非晶合金的细化剂对铝合金进行细化处理；优选地，所述的铝合金是A356.2铝合金。

在本发明一个优选的方面，所述的锆基非晶合金是不含Be，不含Fe，且Zr的原子分数大于50％的锆基非晶合金；优选地，所述的锆基非晶合金选自Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5、Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅和Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄。

在本发明一个优选的方面，所述的细化剂是将锆基非晶合金与铝粉混合并压制成的圆柱块。

在本发明一个优选的方面，锆基非晶合金与铝粉的质量比是(8～12):1；优选地，其质量比是10:1。

在本发明一个优选的方面，在铝合金的细化处理中，加入的锆基非晶圆柱试块按重量计为铝合金的0.16～0.22％。

在本发明一个优选的方面，所述的方法包括步骤：(1)测定锆基非晶合金的熔化温度；(2)在比步骤(1)确定的熔化温度高20～30℃的温度下熔化铝合金；(3)将含有锆基非晶合金的细化剂圆柱试块加入到铝合金的熔体中，并且机械搅拌60～150秒，并将合金液静置5～12分钟，除渣之后进行浇铸。

在本发明一个优选的方面，步骤(2)中的熔化温度是比步骤(1)中确定的锆基非晶合金的熔化温度高20℃，且步骤(3)中机械搅拌时间为120秒，静置时间为10分钟。

在本发明的另一个方面，提供了锆基非晶合金在细化处理铝合金中的用途，其特征在于，所述的锆基非晶合金选自Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5、Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅和Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄。

在本发明的另一个方面，提供了按照前文所述的方法细化处理得到的铝合金。

在本发明的另一个方面，提供了按照前文所述的方法细化处理得到的铝合金在制造铝合金车轮中的应用。

在本发明的其他方面，还提供了以下的技术方案：

一种利用锆基非晶对A356.2合金进行晶粒细化的方法，包括如下步骤：

第一步，锆基非晶成分的选择。

选择熔点1000℃以内的锆基非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。选择不含Be等对人体有毒害作用的锆基非晶成分。选择不含Fe等对A356.2合金性能有害的锆基非晶成分。选择Zr原子含量大于50％的锆基非晶成分，保证细化剂的高效作用。所选锆基非晶可以是Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5、Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅、Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄等成分中的一种。

第二步，锆基非晶细化剂的制备。

按照上述成分选择原则，选择一种纯度不低于99.99％、厚10μm、宽1.5mm的商业锆基非晶条带(购置于安泰科技股份有限公司)。将非晶条带与工业铝粉(纯度99.9％，100目，铝粉的加入可加快熔解速率)以质量比(8～12):1进行混合，并利用压块机将混合物在800MPa压力下压制5秒，制成 的圆柱形试块，以方便取用。

第三步，铝合金熔炼温度的确定及熔炼过程。

根据所选锆基非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析锆基非晶的熔化温度，从而确定A356.2合金的熔炼温度，使得A356.2合金熔炼温度比锆基非晶的熔化温度高20～40℃，保证非晶合金加入A356.2铝合金后能够顺利熔解。待A356.2合金熔化后，取质量分数0.16～0.22％的锆基非晶圆柱试块加入到A356.2铝合金液中，机械搅拌60～150s使其充分熔解并分散均匀，将合金液静置5～12min，除渣后进行浇铸。

本发明的有益效果是：本发明中用于细化A356.2合金的锆基合金为非晶态合金，具有成分均匀的特点，其加入到铝合金液后析出大量纳米级颗粒相，这些纳米析出相作为异质形核核心，均匀分散在铝液中。细化处理后A356.2合金中α-Al晶粒尺寸比传统细化剂处理的铝合金显著减小，细化效果更好。

与现有技术相比，本发明的显著进步如下：

(1)本发明专利所述细化剂的制备过程简单，只需将商购条带与铝粉混合并压制成块即可使用，工时短，生产率高。

(2)本发明专利细化剂选用的是对A356.2合金细化能力强的含锆合金，且为非晶态，其加入熔体后元素分布比传统合金更加均匀，析出相为纳米相，大大增加了异质形核质点数量，改善了铝合金的晶粒细化效果。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为实施例1中Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶的X射线衍射曲线；

图2为实施例1中Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶的差示扫描量热曲线；

图3为A356.2合金热处理后的显微组织；

图4为传统Al-Ti-B细化剂处理后的A356.2合金再经热处理后的显微组织；

图5为Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶处理后的A356.2合金再经热处理后的显微组织。

具体实施方式

实施例1

第一步，锆基非晶成分的选择。

选择熔点1000℃以内的锆基非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。选择不含Be等对人体有毒害作用的锆基非晶成分。选择不含Fe等对A356.2合金性能有害的锆基非晶成分。选择Zr原子含量大于50％的锆基非晶成分，保证细化剂的高效作用。本实施例选用Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶成分。

第二步，锆基非晶细化剂的制备。

按照上述成分选择原则，选择纯度不低于99.99％、厚10μm、宽1.5mm的商业Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶条带(购置于安泰科技股份有限公司)。如图1所示，合金X射线衍射(XRD)曲线显示出典型的漫散射峰，无尖锐的晶态峰出现，证实该合金确实为非晶合金。将非晶条带与工业铝粉(纯度99.9％，100目，铝粉的加入可加快熔解速率)以质量比10:1进行混合，并利用压块机将混合物在800MPa压力下压制5秒，制成的圆柱形试块，以方便取用。

第三步，铝合金熔炼温度的确定及熔炼过程。

根据所选Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析该锆基非晶的熔化温度在918℃左右(放热峰曲线切线交点对应的温度)，从而确定A356.2合金的熔炼温度，使得A356.2合金熔炼温度比锆基非晶的熔化温度高20℃，最终确定铝合金熔炼温度为940℃，保证非晶合金加入A356.2铝合金后能够顺利熔解。待A356.2合金熔化后，取质量分数0.18％的锆基非晶圆柱试块加入到A356.2铝合金液中，机械搅拌120s使其充分熔解并分散均匀，将合金液静置10min，除渣后进行浇铸。

图3所示为A356.2铝合金(6.81％Si,0.35％Mg,0.06％Fe,0.10％Ti,0.021％Sr,0.0007％B,余量Al，购自滨州盟威联信新材料有限公司)热处理后的金相显微组织，热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h。由图3可见，A356.2铝合金热处理后α-Al晶粒较粗大，其平均晶粒尺寸为134.6μm。合金抗拉强度为229MPa，屈服强度为146MPa，延伸率为7.8％。图4所示为A356.2铝合金中加入质量分数0.2％传统铸态Al-5Ti-1B细化剂后又经热处理后的金相显微组织，热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h。由图4可见，如此处理后α-Al晶粒得到细化，其平均晶粒尺寸为78.2μm。此时合金抗拉强度为262MPa，屈服强度为168MPa，延伸率为12.3％。图5所示为A356.2铝合金中加入质量分数0.18％的Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶圆柱试块后又经热处理后的金相显微组织，热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h。由图5可见，如此处理后α-Al晶粒得到进一步细化，其平均晶粒尺寸为32.9μm。此时合金抗拉强度为283MPa，屈服强度为191MPa，延伸率为13.7％。可见本实施例所制锆基非晶条带圆柱形试块加入到A356.2合金后的细化效果比传统铸态细化剂更优，且所得合金力学性能更佳，可做为铝合金车轮制造材料。

实施例2

第一步，锆基非晶成分的选择。

选择熔点1000℃以内的锆基非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。选择不含Be等对人体有毒害作用的锆基非晶成分。选择不含Fe等对A356.2合金性能有害的锆基非晶成分。选择Zr原子含量大于50％的锆基非晶成分，保证细化剂的高效作用。本实施例选用Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅非晶成分。

第二步，锆基非晶细化剂的制备。

按照上述成分选择原则，选择纯度不低于99.99％、厚10μm、宽1.5mm的商业Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅非晶条带(购置于安泰科技股份有限公司)。将非晶条带与工业铝粉(纯度99.9％，100目，铝粉的加入可加快熔解速率)以质量比12:1进行混合，并利用压块机将混合物在800MPa压力下压制5秒，制成的圆柱形试块，以方便取用。

第三步，铝合金熔炼温度的确定及熔炼过程。

根据所选Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析该锆基非晶的熔化温度在910℃左右(放热峰曲线切线交点对应的温度)，从而确定A356.2合金的熔炼温度，使得A356.2合金熔炼温度比锆基非晶的熔化温度高30℃，最终确定铝合金熔炼温度为940℃，保证非晶合金加入A356.2铝合金后能够顺利熔解。待A356.2合金熔化后，取质量分数0.16％的锆基非晶圆柱试块加入到A356.2铝合金液中，机械搅拌60s使其充分熔解并分散均匀，将合金液静置5min，除渣后进行浇铸。

A356.2铝合金(6.81％Si,0.35％Mg,0.06％Fe,0.10％Ti,0.021％Sr,0.0007％B,余量Al)热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒较粗大，其平均晶粒尺寸为134.6μm。合金抗拉强度为229MPa，屈服强度为146MPa，延伸率为7.8％。A356.2铝合金中加入质量分数0.2％传统铸态Al-5Ti-1B细化剂后又经热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒得到细化，其平均晶粒尺寸为75.2μm。此时合金抗拉强度为262MPa，屈服强度为168MPa，延伸率为12.3％。A356.2铝合金中加入质量分数0.16％的Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶圆柱试块后又经热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒得到进一步细化，其平均晶粒尺寸为33.8μm。此时合金抗拉强度为286MPa，屈服强度为192MPa，延伸率为13.4％。可见本实施例所制锆基非晶条带圆柱形试块加入到A356.2合金后的细化效果比传统铸态细化剂更优，且所得合金力学性能更佳，可做为铝合金车轮制造材料。

实施例3

第一步，锆基非晶成分的选择。

选择熔点1000℃以内的锆基非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。选择不含Be等对人体有毒害作用的锆基非晶成分。选择不含Fe等对A356.2合金性能有害的锆基非晶成分。选择Zr原子含量大于50％的锆基非晶成分，保证细化剂的高效作用。本实施例选用Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄非晶成分。

第二步，锆基非晶细化剂的制备。

按照上述成分选择原则，选择纯度不低于99.99％、厚10μm、宽1.5mm的商业Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄非晶条带(购置于安泰科技股份有限公司)。将非晶条带与工业铝粉(纯度99.9％，100目，铝粉的加入可加快熔解速率)以质量比8:1进行混合，并利用压块机将混合物在800MPa压力下压制5秒，制成的圆柱形试块，以方便取用。

第三步，铝合金熔炼温度的确定及熔炼过程。

根据所选Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析该锆基非晶的熔化温度在905℃左右(放热峰曲线切线交点对应的温度)，从而确定A356.2合金的熔炼温度，使得A356.2合金熔炼温度比锆基非晶的熔化温度高25℃，最终确定铝合金熔炼温度为930℃，保证非晶合金加入A356.2铝合金后能够顺利熔解。待A356.2合金熔化后，取质量分数0.22％的锆基非晶圆柱试块加入到A356.2铝合金液中，机械搅拌150s使其充分熔解并分散均匀，将合金液静置12min，除渣后进行浇铸。

A356.2铝合金(6.81％Si,0.35％Mg,0.06％Fe,0.10％Ti,0.021％Sr,0.0007％B,余量Al，购自滨州盟威联信新材料有限公司)热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒较粗大，其平均晶粒尺寸为134.6μm。合金抗拉强度为229MPa，屈服强度为146MPa，延伸率为7.8％。A356.2铝合金中加入质量分数0.2％传统铸态Al-5Ti-1B细化剂后又经热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒得到细化，其平均晶粒尺寸为75.2μm。此时合金抗拉强度为262MPa，屈服强度为168MPa，延伸率为12.3％。A356.2铝合金中加入质量分数0.16％的Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5非晶圆柱试块后又经热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的α-Al晶粒得到进一步细化，其平均晶粒尺寸为33.8μm。此时合金抗拉强度为287MPa，屈服强度为190MPa，延伸率为13.8％。可见本实施例所制锆基非晶条带圆柱形试块加入到A356.2合金后的细化效果比传统铸态细化剂更优，且所得合金力学性能更佳，可做为铝合金车轮制造材料。

上述实施例中所用的原材料和设备均通过公知的途径获得，所用的操作工艺是本技术领域的技术人员所能掌握的。

Claims (10)

1.一种细化处理铝合金的方法，其特征在于，所述的方法包括使用含有锆基非晶合金的细化剂对铝合金进行细化处理；优选地，所述的铝合金是A356.2铝合金。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的锆基非晶合金是不含Be，不含Fe，且Zr的原子分数大于50％的锆基非晶合金；优选地，所述的锆基非晶合金选自Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5、Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅和Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的细化剂是将锆基非晶合金与铝粉混合并压制成的圆柱块。

4.权利要求4所述的方法，其特征在于，锆基非晶合金与铝粉的质量比是(8～12):1；优选地，其质量比是10:1。

5.在本发明一个优选的方面，在铝合金的细化处理中，加入的锆基非晶圆柱块按重量计为铝合金的0.16～0.22％。

6.权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：(1)测定锆基非晶合金的熔化温度；(2)在比步骤(1)确定的熔化温度高20～30℃的温度下熔化铝合金；(3)将含有锆基非晶合金的细化剂加入到铝合金的熔体中，并且机械搅拌60～150秒，并将合金液静置5～12分钟，除渣之后进行浇铸。

7.权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的熔化温度是比步骤(1)中确定的锆基非晶合金的熔化温度高20℃，且步骤(3)中机械搅拌时间为120秒，静止时间为10分钟。

8.锆基非晶合金在细化处理铝合金中的用途，其特征在于，所述的锆基非晶合金选自Zr_65.5Cu_22.4Al_5.6Ni_6.5、Zr_52.5Al₁₀Cu_17.9Ni_14.6Ti₅和Zr₅₃Al₁₄Cu₁₉Ni₁₀Y₄。

9.按照权利要求1-7中任一项所述的方法细化处理得到的铝合金。

10.按照权利要求1-7中任一项所述的方法细化处理得到的铝合金在制造铝合金车轮中的应用。