CN104946938A

CN104946938A - Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用

Info

Publication number: CN104946938A
Application number: CN201510395505.7A
Authority: CN
Inventors: 耿浩然; 盛萌; 罗宏; 姬鹏飞; 陶珍东
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明涉及一种Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用。Al-Ti-B-Y中间合金由以下成分组成：钛（Ti）3~8wt.%，硼（B）1~5wt.%，钇（Y）0.5~4wt.%，其余为铝（Al）。其制备方法为：用中频感应电炉熔化Al-Ti、Al-B中间合金及纯钇锭，至1300-1500℃全部熔化，搅拌均匀，浇入铸模即得。本发明采用制备的Al-Ti-B-Y中间合金处理亚共晶铝-硅合金，使合金微观组织发生变化和明显细化，提高了合金材料的力学性能。该制备方法易于操作，生产成本较低，与纯单质稀土及Al-Ti-B中间合金相比，对铝-硅合金的细化及强化效果明显。

Description

Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及采用该中间合金处理亚共晶铝-硅合金力学性能的工艺方法，属于金属材料及金属熔炼技术领域。

背景技术

铝硅合金具有较好的铸造性能、流动性，易于生产出形状复杂的工件，市场应用前景关阔。含硅量低于12.6wt.%的亚共晶铝-硅合金，其显微组织是由粗大的α-Al树枝晶和共晶硅组成，其中共晶硅呈粗大针状，严重割裂基体，使其力学等性能下降而不能满足实际应用需求。因此，采取有效手段来改善合金的晶粒形貌和分布是必要的。另外，进行不变质处理，改变晶粒形貌也有助于力学性能的改善。

改变铝合金中晶粒大小以及形貌的有效方法是进行变质细化处理，通过改变合金的晶相组织、形貌及分布能提高合金的力学性能。文献报道，目前工业上最常用的铝及铝合金晶粒细化剂是Al-Ti-B 中间合金，全世界约有75%的铝加工材和铸造铝产品在铸造过程中需要添加Al-5Ti-1B 合金晶粒细化剂。但由于合金中第二相粒子(TiAl₃ 和TiB₂ 等)的密度大于铝，在静置过程中会产生聚集沉淀, 使细化效果衰退以至失效，同时Cr、Zr、Mn等杂质元素还会与Ti反应导致中毒现象。文献[任峻，马颖. 稀土在Al-Ti-B-Re细化剂中的作用及细化机理研究. 稀有金属与硬质合金，2010(38)：14-17]及[蒋建军. 新型Al-Ti-B-稀土(Re)晶粒细化剂. 轻合金加工技术，2004(32): 18-21]中报道，向Al -Ti –B中添加稀土元素Ce、La可以提高细化剂的细化能力，稀土元素不仅可以改善Al -Ti -B 中的TiB₂ 、TiAl₃ 粒子的形态和分布，还能细化TiB₂ 、TiAl₃ 粒子的尺寸，从而增加了晶核数。改善后的TiB₂ 粒子分布均匀，基本上无TiB₂ 的聚集团块，可保证其在熔体中较长时间的处于悬浮状态，而不易沉淀，充分发挥了变质形核作用，从而更加增强了四元中间合金的细化效果。

文献[汪长勤，赵玉涛，张松利，陈刚. 稀土钇对A356合金显微组织和拉伸性能的影响. 机械工程材料，2010(34): 13-16]中报道钇对铝-硅合金有良好的变质作用。文献[郭有军，沈利. Al-Ti-B对A356铝合金组织和性能的影响. 世界有色金属，2008(10): 72-73]中报道，Al-Ti-B中间合金可以改善铝-硅合金显微组织，提高性能。但由于两者未制成低熔点合金，使加入过程较复杂，细化效果不稳定。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种适合亚共晶铝-硅合金晶粒细化用的Al-Ti-B-Y中间合金，该中间合金对比Al-Ti-B中间合金对亚共晶铝-硅合金有更好的晶粒细化和变质作用，可提高亚共晶铝-硅合金的力学性能。

本发明是通过以下措施实现的：

本发明的Al-Ti-B-Y中间合金由以下成分组成：钛3~8wt.%，硼1~5 wt.%，钇0.5~4 wt.%，其余为铝。

上述中间合金中，最优成分为：钛3~5wt.%，硼1~3wt.%，钇1~3wt.%，其余为铝。

本发明Al-Ti-B-Y中间合金是通过以下制备方法实现的，其步骤为：

（1）按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料；

（2）将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃；

（3）待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后，继续升温至1300-1500℃，加入块状纯钇锭，用碳棒搅拌，静置10~30分钟，调低温度，合金液在1200℃左右出炉浇注金属型凝固成形。

上述Al-Ti-B-Y中间合金用于细化亚共晶铝-硅合金的方法为，将Al-Ti-B-Y中间合金以0.5~4 wt%的量加入到710~780℃的待细化亚共晶铝-硅合金熔体中，搅拌均匀，保温5~20分钟后，浇注铸件。

本发明中间合金对亚共晶铝-硅合金中的初生α-Al相和共晶硅相具有明显的细化作用，将该中间合金加入到硅含量为9wt.%的亚共晶铝-硅合金中，可将尺寸为120~270μm的初生α-Al相细化至30~60μm，将尺寸为15~25μm的针状共晶硅细化至几微米的颗粒状共晶硅，且分布较均匀。晶粒尺寸形貌和分布的改善也可提高合金的力学性能。上述Al-Ti-B-Y中间合金可使硅含量为9wt.%的亚共晶铝-硅合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率得到较大提高。本发明的中间合金制备方法简单，易操作，成本低，对亚共晶铝-硅合金细化效果好，可使合金获得较好的综合力学性能。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比（wt. %）为：钛3wt.%，硼3wt.%，钇0.5wt.%；待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比（wt. %）为：硅9wt.%，其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为3wt.%。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料；

（3）待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后，继续升温至1300-1500℃，加入块状纯钇锭，用碳棒搅拌，静置10~30分钟，调低温度，合金液在1200℃左右出炉浇注成形，既得Al-Ti-B-Y中间合金。

（4）将此Al-Ti-B-Y中间合金以3wt.%的加入量加入到760℃的Al-9Si合金中，搅拌均匀，保温20分钟，在730℃左右浇注成形。

所得合金的性能见表1。

实施例2

本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比（wt.%）为：钛3wt.%，硼3wt.%，钇1wt.%；待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比（wt.%）为：硅9wt.%，其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为3wt.%。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料；

所得合金的性能见表1。

实施例3

本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比（wt.%）为：钛3wt.%，硼3wt.%，钇3wt.%；待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比（wt.%）为：硅9wt.%，其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为2wt.%。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料；

所得合金的性能见表1。

选取与实施合金组元相同的Al-9Si合金作为对比例，其成分组成为：9wt.%硅，其余为铝和不可避免的杂质。对比例1和实施例的各性能对比结果如表1所示。结果表明，本发明的中间合金可使亚共晶铝-硅合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率得到较大提高，分别最大提高29.6%、28.3%、27.1%、72.3%。

选取与实施例合金组元相同的Al-9Si合金作为对比例，其成分组成为：9wt.%硅，其余为铝和不可避免的杂质，且向其中加入Al-Ti-B中间合金作为对比例2，Al-Ti-B中间合金成分为：钛3wt.%，硼3wt.%，Al-Ti-B中间合金加入量为3wt.%。对比例2和实施例的各性能对比结果如表1所示。结果表明，当Al-Ti-B中间合金与Al-Ti-B-Y中间合金加入量相同时（对比例2与实施例2比较），Al-Ti-B中间合金对亚共晶铝-硅合金力学性能的提高效果比Al-Ti-B-Y中间合金差。所以采用Al-Ti-B-Y中间合金处理亚共晶铝-硅合金，可使合金获得较好的综合力学性能。

表1 本发明实施例和对比例材料的性能对比

序号	试样号	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	硬度(HB)	伸长率(%)
						1	对比例1	186	106	74	2.31
2	对比例2	220	118	85	3.12
						3	实施例1	228	120	87	3.06
4	实施例2	241	136	94	3.98
						5	实施例3	234	124	91	3.46

Claims

1. 一种Al-Ti-B-Y中间合金，其特征是，由以下成分组成：钛3~8wt.%，硼1~5wt.%，钇0.5~4wt.%，其余为铝。

2. 根据权利要求1所述的Al-Ti-B-Y中间合金，其特征是，最优成分为：钛3~5wt.%，硼1~3wt.%，钇1~3wt.%，其余为铝。

3. 一种权利要求1所述中间合金的制备方法，其特征是采用以下步骤：

（1）按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料；

（3）待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后，继续升温至1300-1500℃，加入块状纯钇锭，用碳棒搅拌，静置10~30分钟，调低温度，合金液在1200℃左右出炉浇注成形。

4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，合金液在1300-1500℃时，加入块状纯钇锭，静置10~30分钟，合金液在1200℃左右出炉浇注成形。

5.熔化温度根据钇加入量提高，可适当提高。

6. 根据权利要求1、2所述的Al-Ti-B-Y中间合金的应用，其特征是，将Al-Ti-B-Y中间合金以0.5wt.%~4wt.%的加入量加入到710~780℃的待细化亚共晶铝-硅合金中，保温5~20分钟并使之均匀分布。

7. 根据权利要求5所述的Al-Ti-B-Y中间合金在亚共晶铝-硅合金中的应用，其特征是，细化亚共晶铝-硅合金中的α-Al相和共晶硅相；并使亚共晶铝-硅合金力学性能提高。