CN104894409A - 一种细化铝合金的方法 - Google Patents

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朱志华
刘春海
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张振栋
白帮伟
赵维民
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Abstract

本发明提供一种细化铝合金的方法，其使用Al-Nd二元非晶合金作为铝合金细化剂，并且所述的Al-Nd二元非晶合金中Nd的原子百分比为8-12％。细化剂为非晶态材料，该材料加入铝熔体后可提供大量、分布均匀的纳米级形核质点，大大提高了A356.2合金的细化效果。该方法工艺过程较为简单，生产周期短，克服了熔炼和制备过程工艺复杂、工艺时间长、细化效果有限等弊端。

Description

一种细化铝合金的方法
技术领域
本发明涉及铝合金熔炼领域，具体地涉及一种细化铝合金的方法。
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，CN103589912A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。
为了实现以上的发明目的，本发明提供了以下的技术方案：
在本发明的一个方面，提供了一种细化铝合金的方法，其特征在于，其使用Al-Nd二元非晶合金作为铝合金细化剂，并且所述的Al-Nd二元非晶合金中Nd的原子百分比为8-12％。
在本发明一个优选的方面，所述的非晶合金的熔点为800℃以内。
在本发明一个优选的方面，所述的铝-稀土元素的非晶合金是Al90Nd10。
在本发明一个优选的方面，在铝合金细化过程中，按铝合金的重量计，加入0.17-0.32％的铝合金细化剂，熔炼温度为比铝合金细化剂的熔化温度高20-40摄氏度,但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃。
在本发明一个优选的方面，加入0.25％的铝合金细化剂，并且熔炼温度为比铝合金细化剂的熔化温度高20摄氏度,但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃。
在本发明一个优选的方面，所述的铝-稀土元素的非晶合金是圆柱形试块。
在本发明一个优选的方面，提供了按照前文所述的方法细化加工得到的铝合金。
在本发明一个优选的方面，提供了按照前文所述的方法细化加工得到的铝合金在铸造车轮中的用途。
在本发明的其他方面，还提供了以下的技术方案：
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种利用二元铝—稀土非晶对A356.2合金进行晶粒细化的方法，包括如下步骤：
第一步，铝基二元非晶成分的选择。
选择熔点800℃以内的铝-稀土二元非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。所选铝基非晶是Al90Nd10。
第二步，铝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15μm、宽1.5mm的商业铝基非晶条带(购自安泰科技股份有限公司)。利用压块机将条带在500MPa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。
根据所选铝基非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析铝基非晶的熔化温度，从而确定A356.2合金的熔炼温度，使得A356.2合金熔炼温度比铝基非晶的熔化温度高至少20℃，但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃，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0.25％的铝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。
本发明的有益效果是：本发明中用于细化A356.2合金的铝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：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。本发明专利细化剂选用的是对A356.2合金细化能力强的含稀土合金，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。细化剂为非晶态材料，该材料加入铝熔体后可提供大量、分布均匀的纳米级形核质点，大大提高了A356.2合金的细化效果。该方法工艺过程较为简单，生产周期短，克服了熔炼和制备过程工艺复杂、工艺时间长、细化效果有限等弊端。
具体实施方式
第一步，铝基非晶成分的选择。
选择熔点800℃以内的铝-稀土二元非晶成分，保证能耗较低，降低合金熔炼过程中的挥发。本实施例选择了以下的非晶合金：
试验组1：Al88Nd12非晶合金
试验组2：Al90Nd10非晶合金
试验组3：Al92Nd8非晶合金
以上的非晶合金均购自安泰科技股份有限公司。
对照组：Al-Ti-B细化剂
以上的铝合金细化剂购自KBM Affilips公司。
本发明实施例的A356.2铝合金均购自滨州盟威联信新材料有限公司。
第二步，铝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15μm、宽1.5mm的商业Al88Nd12、Al90Nd10和Al92Nd8非晶条带(购自安泰科技股份有限公司),试验结果表明，Al90Nd10条带的X射线衍射显示出典型的“馒头状”漫散射峰，证实条带确实为非晶。利用压块机将条带在500MPa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Al90Nd10非晶的差示扫描量热仪(DSC)检测结果，分析该铝基非晶的熔化温度在644℃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合金熔炼温度比铝基非晶的熔化温度高至少20℃，但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃，最终确定铝合金熔炼温度为720℃，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，针对三个试验组，分别取以铝合金的质量计算，质量分数分别为0.17％(试验组1)、0.25％(试验组2)和0.32％(试验组3)的铝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。
试验结果表明，A356.2铝合金(6.82％Si,0.34％Mg,0.06％Fe,0.09％Ti,0.022％Sr,0.0008％B,余量Al)的铸态金相显微组织。A356.2铝合金铸态组织中α-Al晶粒较粗大，其平均晶粒尺寸为134.3μm。
试验结果表明，A356.2铝合金中加入质量分数0.25％传统铸态Al-5Ti-1B细化剂后(试验组2)合金铸态显微组织。试验组2中，处理后α-Al晶粒得到细化，其平均晶粒尺寸为81.4μm。
试验结果表明，A356.2铝合金中加入质量分数0.25％的Al90Nd10非晶圆柱试块后(试验组2)合金铸态显微组织。如此处理后α-Al晶粒得到进一步细化，其平均晶粒尺寸为40.3μm。可见本实施例所制二元铝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。
经试验，各组合金经热处理后(热处理工艺为540℃×2h+150℃×12h)的抗拉强度均高于283MPa，屈服强度均高于242MPa,伸长率均高于8.7％(试验组1和3的图未显示)。汽车车轮对A356铝合金的力学性能的一般要求为：抗拉强度Rm>220MPa、屈服强度Rp0.2>180MPa、伸长率As>7％。一般来说，传统的添加Al-5Ti-1B中间合金的A356的力学性能为Rm：270-280MPa、Rp0.2：220-230MPa、As：8％-9％。由此可见，本申请的三种细化剂均符合铝合金车轮铸造生产的需求。
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 (8)

1.一种细化铝合金的方法，其特征在于，其使用Al-Nd二元非晶合金作为铝合金细化剂，并且所述的Al-Nd二元非晶合金中Nd的原子百分比为8-12％。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的非晶合金的熔点为800℃以内。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝-稀土元素的非晶合金是Al90Nd10。
4.权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在铝合金细化过程中，按铝合金的重量计，加入0.17-0.32％的铝合金细化剂，熔炼温度为比铝合金细化剂的熔化温度高20-40摄氏度,但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，加入0.25％的铝合金细化剂，并且熔炼温度为比铝合金细化剂的熔化温度高20摄氏度,但不低于A356.2合金的通常熔炼温度720℃。
6.权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述的铝-稀土元素的非晶合金是圆柱形试块。
7.按照权利要求1-6所述的方法细化加工得到的铝合金。
8.按照权利要求1-6所述的方法细化加工得到的铝合金在铸造车轮中的用途。
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