CN104962788A

CN104962788A - 一种铝合金用细化剂及制备方法

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Publication number: CN104962788A
Application number: CN201510353864.6A
Authority: CN
Inventors: 尹冬松; 赵继涛; 张忠凯; 安勇良; 毛新宇; 王振玲; 徐海杰; 于朝阳; 陈永生; 王春阳; 王振廷; 徐家文; 宋良; 刘兴; 李洲; 陈睿
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: CN104962788B

Abstract

本发明提供的是一种铝合金用细化剂及制备方法。铝合金用细化剂的重量比组成为：钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝。通过比较Al-5Ti和Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce两种细化剂对Al-Si合金的细化效果，发现Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce的细化效果明显高于Al-5Ti，这是由于Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce中的Al₃Ti尺寸明显低于Al-5Ti，因此增加了异质形核数量，所以细化效果更显著；此外，Mg元素和稀土元素填补与α-Al树枝晶与共晶硅界面处，阻碍α-Al树枝晶生长，也有利于细化效果提高，并且值得注意的是Mg元素和稀土元素的交互作用，比单一稀土元素对细化剂结构的改善更显著。

Description

一种铝合金用细化剂及制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种铝合金细化剂。

背景技术

铝合金具有质量轻、耐蚀性好、导电性能优良并具有可焊性能好的优点，在航空航天，汽车电子领域具有广泛的应用。但是铸造铝合金的凝固组织存在晶粒粗大的特点，并存在大量的柱状晶，影响了其力学性能以及铝合金件的进一步生产加工。因此，需要采取各种措施对铝合金的凝固组织进行细化，来获得细小均匀的等轴晶组织。

铝合金的细化方法主要是在铝熔体中添加细化剂，目前生产中常用的细化剂有Al-5Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等，其中Al-5Ti、Al-Ti-B应用最为广泛，这两种细化剂是采用氟盐法制备，存在Al₃Ti粒子过于粗大，TiB粒子偏聚的问题，影响了其细化效率。当铝合金中含有Cr、Mn、Zr等离子时，Al-Ti及Al-Ti-B中间合金常表现出极弱的或完全失去细化能力，也就是通常所说的晶粒细化剂的“中毒”现象，并且无法满足铝及其合金在罐材用料、超薄铝箔、磁盘、阳极氧化产品等方面的性能要求，因此开发新型高效细化剂迫在眉睫。

研究者对铝合金细化剂展开了大量的研究，“Al-Ti-C基中间合金的合成及其细化效果研究“(许春香等，太原理工大学博士学位论文.2010.4)中，研究了Al-Ti-C对铝合金细化效果，发现该细化剂的细化效果好于Al-Ti-B；“稀土在Al-Ti-B-RE中间合金中的作用”(张胜华,张涵,朱云..中南大学学报(自然科学版).2005,36(3):386-388)，研究了富Ce稀土对Al-Ti-B组织和细化效果影响，发现稀土可以改善TiAl3和TiB2粒子的分布，降低其尺寸，提高其细化效果；“铝钛硼稀土细化剂的组织特点”(李志扬，倪红军，汪兴兴，朱昱，黄明宇..铸造技术.2012.32(1):20-22)，研究了富Ce稀土对工业纯铝细化的影响，发现稀土能够延长Al-Ti-B的细化衰退时间；李志扬等研究LaF3和碳酸富La稀土对Al-Ti-B微观组织影响，发现0.3％La可以使Al3Ti相长度降低20-30μm。

申请号为CN200910304877.9，名称为“一种高效低成本的铝及铝合金细化剂及其制备方法”的专利文件中，公开的细化剂为铝-钛-碳-稀土中间合金，其中间合金中各组分按照重量百分比为：3％-10％Ti，0.02-1％C和0.02-1％RE，90-97％铝和其余成分杂质元素；申请号为CN201410742570.8，名称为“超强铝合金细化剂及其制备和添加方法”的专利文件中，公开的细化剂化学组成按质量百分比为：1.0～2.5wt％Cu，1.5～3.0wt％Mg，4.5～6.5wt％Zn，0.4～0.5wt％RE，0.2～0.4wt％Be，余量为Al。

综上，人们已经开始关注利用稀土元素来改善Al-Ti-B微观组织，加强其细化效果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本，故进一步提高稀土的细化效果还是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的纯净性和优良的细化效果的铝合金用细化剂。本发明的目的还在于提供一种铝合金用细化剂的制备方法。

本发明的铝合金用细化剂的重量比组成为：钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝。

本发明的铝合金用细化剂的制备方法为：按照重量比为钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝的比例，在N₂和SF₆保护气氛下进行熔炼，所述熔炼在感应炉中进行，熔炼时电压控制在300～400V，电流控制在100～120A，熔炼温度在1200℃～1300℃，熔炼过程中，首先加入纯铝锭，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将钛粉压入铝熔体液面之下，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce(含Mg元素70wt％，含Ce元素30wt％)中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理，浇注前静置5分钟后，浇入预热至200℃的石墨型模具中。

本发明提供了一种铝合金的新型细化剂，它适合细化铝合金的晶粒，从而提高铝合金的强度、伸长率及耐疲劳性能。本发明的细化剂特别适合作为纯铝及铝硅合金的细化剂。

镁元素能够激发稀土对Al-Si合金中的共晶Si的细化效果，因此，本发明通过采用铝稀土中间合金和镁稀土中间合金的形式，通过熔铸法制备的Al-Ti-RE和Al-Ti-Mg-RE，考察稀土Ce对Al-Ti微观组织影响，以及Mg元素对Al-Ti-Ce合金微观结构的影响，为生产高效、稳定、成本低廉的细化剂提供新的依据。

本发明中间合金细化剂中每种元素的作用如下：

根据Al-Ti相图，在Ti含量在10at％范围内，会发生如下的包晶反应：

L+Al₃Ti→α(Al)

其中Al₃Ti的晶体结构复合作为Al合金凝固过程中异质形核质点的特点，因此采用铝合金生产中采用Al-5Ti或Al-10Ti作为细化剂，经研究发现，Al-5Ti中Al₃Ti相尺寸越小，分布越弥散，细化效果越好。

Al的原子半径为0.144nm而稀土Ce的原子半径范围为0.27nm，与Al的原子半径相差较大，错配度超过15％，因此，稀土元素在铝中固溶度较小，且为活性元素，为降低自由能，易于填补界面处缺陷，在凝固过程中，稀土原子易于堆积析出相Al₃Ti凝固前沿形成富集，富集于凝固前沿的稀土，由于具有较大的原子半径，其扩散速率较慢，富集层将阻碍Al原子和Ti原子向熔体中向Al₃Ti相扩散，因此，抑制了Al₃Ti相长大，从而细化Al₃Ti。另外，第二相前沿稀土元素富集也会造成成分过冷，促使TiAl₃相发生离断，并由条状转变为羽毛状。

本发明在Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce合金的Al₃Ti相与Al的界面处发现了富镁相，Mg的原子半径为0.160nm，大于Al的原子半径，可以推测Mg元素在凝固过程中也会富集于Al₃Ti相前沿，辅助稀土元素降低Al₃Ti相尺寸。

通过比较Al-5Ti和Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce两种细化剂对Al-Si合金的细化效果，发现Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce的细化效果明显高于Al-5Ti，这是由于Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce中的Al₃Ti尺寸明显低于Al-5Ti，因此增加了异质形核数量，所以细化效果更显著；此外，Mg元素和稀土元素填补与α-Al树枝晶与共晶硅界面处，阻碍α-Al树枝晶生长，也有利于细化效果提高，并且值得注意的是Mg元素和稀土元素的交互作用，比单一稀土元素对细化剂结构的改善更显著。

附图说明

图1a-图1c为Al-5Ti合金、Al-5Ti-0.3Ce及Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce合金金相显微组织照片，其中图1a为Al-5Ti、图1b为Al-5Ti-0.3Ce、图1c为Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce。

图2a-图2b为Al-5Ti-0.3Ce的SEM形貌和EDS分析，其中图2a为Al-Ti相SEM形貌、图2b为EDS分析。

图3a-图3b为Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce的SEM形貌和EDS分析，其中图3a为SEM像、图3b为EDS分析。

图4a-图4b为富镁相SEM形貌和EDS分析，其中图4a为SEM像、图4b为EDS分析。

图5a-图5b为添加Al-5Ti和Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce后Al-Si金相组织，其中图5a为SEM形貌、图5b为EDS分析。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

按照重量比为钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝的比例，在N₂和SF₆保护气氛下进行熔炼，所述熔炼在感应炉中进行，熔炼时电压控制在300～400V，电流控制在100～120A，熔炼温度在1200℃～1300℃，熔炼过程中，首先加入纯铝锭，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将钛粉压入铝熔体液面之下，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce(含Mg元素70wt％，含Ce元素30wt％)中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理，浇注前静置5分钟后，浇入预热至200℃的石墨型模具中得到铝合金用细化剂。

按照重量比为钛5％、铈0.3％、镁0.7％和余量的铝的比例，在N₂和SF₆保护气氛下进行熔炼，所述熔炼在感应炉中进行，熔炼时电压控制在300～400V，电流控制在100～120A，熔炼温度在1200℃～1300℃，熔炼过程中，首先加入纯铝锭，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将钛粉压入铝熔体液面之下，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce(含Mg元素70wt％，含Ce元素30wt％)中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理，浇注前静置5分钟后，浇入预热至200℃的石墨型模具中得到Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce铝合金用细化剂。

为了证明本发明的效果进行如下验证试验。

在N₂和SF₆(六氟化硫)保护气氛下，在感应炉中进行新型Al-5Ti-Mg-Ce细化剂的熔配。熔炼时电压控制在300-400V之间，电流控制在100-120A之间，熔炼温度在1200℃至1300℃之间，熔炼过程中，首先加入纯铝锭(双零铝99.9wt％)，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将钛粉(99.9wt％)压入铝熔体液面之下，防止其氧化烧损，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce(含Mg元素70wt％，含Ce元素30wt％)中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，以确保中间合金成分均匀。搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理。浇注前静置5分钟后，浇入预热至200℃的石墨型模具中。得到的新型细化剂试样，其名义成分为Al-5Ti，Al-5Ti-0.3Ce。在两种新型细化剂相同部位切取金相试样，并依分别用体积分数为0.5％HF酸进行腐蚀。用金相显微镜对金相试样进行观察分析。用扫描电镜观察试样并用其附带能谱分析仪对试样中的第二相进行能谱成分分析，结果如表1。

表1合金的化学成分

试样	Ti	Mg	Ce	Al
					1	4.5	0.5	0.3	余量
2	5.2	—	—	余量

图4为Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce合金中富镁相形貌，可以看出，该相尺寸接近1μm，呈颗粒状，分布在Al₃Ti相的边缘；推测这种相是在Al-5Ti-0.7Mg-0.3Ce合金凝固过程中，Mg元素为活性元素，能够吸附在Al₃Ti相表面，形成膜层，导致Mg元素富集，当富集程度达到过饱和时，在Al3Ti相表面析出富镁相，在这种相中含Al元素为97.37at％，Mg元素含量为1.51at％和Ti元素含量为1.12at％。

图5为在Al-7Si合金中添加1％Al-5Ti及Al-5Ti-1(Mg-30Ce)后细化细化效果金相组织，图3a为Al-7Si中添加1wt％Al-5Ti的金相组织，可以看出：合金由灰白色的α-Al相和α-Al相树枝晶之间共晶硅组成，图3b为添加Al-5Ti-1(Mg-30Gd)细化剂后Al-7Si合金的金相组织，可知，与图3a相比，Al-7Si的二次树枝晶臂大小和间距都明显降低，细化效果明显要比Al-5Ti显著。

Claims

1.一种铝合金用细化剂，其特征是其重量比组成为：钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝。

2.根据权利要求1所述的铝合金用细化剂，其特征是其重量比组成为：钛5％、铈0.3％、镁0.7％和余量的铝。

3.一种铝合金用细化剂的制备方法，其特征是：按照重量比为钛4.5-5.5％、铈0.2-0.4％、镁0.6-1.8％和余量的铝的比例，在N2和SF6保护气氛下进行熔炼，所述熔炼在感应炉中进行，熔炼时电压控制在300～400V，电流控制在100～120A，熔炼温度在1200℃～1300℃，熔炼过程中，首先加入纯铝锭，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将钛粉压入铝熔体液面之下，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理，浇注前静置5分钟后，浇入预热至200℃的石墨型模具中。

4.根据权利要求1所述的铝合金用细化剂的制备方法，其特征是：重量比组成为：钛5％、铈0.3％、镁0.7％和余量的铝。