CN105734315A - 一种铸造铝合金晶粒细化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可适用于铸造铝合金的晶粒细化剂及其制备方法，以工业纯铝，Al?3B中间合金，LaCl3·7H2O为原料，制备的细化剂中各成分的质量百分数：镧为2％?3％，硼为1％?2％，其他杂质为0.3％?0.5％，余量为铝，原料丰富，成本较低，制备设备简单。本发明的铸造铝合金晶粒细化剂不仅能应用于工业纯铝的晶粒细化处理，更适用于复杂成分的铸造铝合金的晶粒细化，使其凝固组织中的初生铝枝晶由原来的发达树枝晶转变为细小的等轴晶，并且不发生细化衰退及变质退化等有害现象，从而提高铸造铝合金的综合力学性能，并且能改善其铸造性能。

Description

一种铸造铝合金晶粒细化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种可适用于铸造铝合金的晶粒细化剂及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金广泛应用于汽车、机械、航空航天等工业领域。改善铸造铝合金综合性能的有效方法是对其进行晶粒细化，从而获得细小的等轴晶组织，目前最经济有效的方法是向铝熔体中加入细化剂，但是由于其成分复杂，造成目前常见的晶粒细化剂(例如，二元Al-Ti、Al-B等中间合金、三元Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金，以及以KBF4、K2ZrF6等为主要成分的复合盐)在熔体细化处理过程中，容易出现晶粒细化元素钛、硼、锆与合金中的硅、锶等元素发生反应，形成多元化合物，显著降低细化元素有效含量，从而发生细化衰退现象。因此，新型铸造铝合金晶粒细化剂必须具备稳定的化学性质以及高效的细化效率，从而在铸造铝合金凝固组织中，获得细小、均匀分布的等轴初生铝相，对于提高合金力学性能是十分必要的。
稀土元素化学性质活泼，易与其他元素形成稳定的化合物，广泛应用于高性能铸造铝合金的开发中。研究发现稀土元素钪、镱对铝合金初生铝晶粒具有明显的细化作用，但是它们价格高、不适用于工业生产。本发明利用轻稀土元素镧与常见细化元素硼合成含镧硼元素的新型铝合金晶粒细化剂，所开发的新型铝合金晶粒细化剂既能细化纯铝，也能细化铸造铝合金，成本较低，可应用于铝铸件的批量生产。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以实现工业纯铝及复杂成分铸造铝合金中初生铝晶粒的高效细化，解决了含钛细化剂在高硅合金中的“毒化”问题，以及避免出现锶硼“毒化”现象的铸造铝合金晶粒细化剂。
技术方案：本发明的铸造铝合金晶粒细化剂，以工业纯铝，Al-3B中间合金，LaCl3·7H2O为原料，按照以下方法制备得到：
步骤1：将LaCl3·7H2O置于马弗炉中于450℃-550℃保温2-3小时，使其完全水解，获得白色的LaClO粉末，置于干燥皿中备用，同时将Al-3B中间合金及工业纯铝在高温烘箱中预热至250℃-300℃；
步骤2：在坩埚电阻炉将所述步骤1中预热后的工业纯铝在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝熔体；
步骤3：将所述步骤2中获得的铝熔体降温至720～730℃，向其中加入所述步骤1中预热后的Al-3B中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；
步骤4：将所述步骤3中获得的均匀熔体升温至750℃-850℃，然后将所述步骤1中得到的LaClO粉末用铝箔包裹加入到所述均匀熔体当中；
步骤5：将步骤4中最终得到的均匀熔体于750℃-850℃保温1-2小时，期间每隔20-30分钟对熔体进行搅拌，然后在750℃-850℃将所述均匀熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得晶粒细化剂。
进一步的，本发明的晶粒细化剂中，各成分质量百分数：镧为2％-3％，硼为1％-2％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。
本发明的制备上述铸造铝合金晶粒细化剂的方法，包括步骤如下：
步骤1：将LaCl3·7H2O置于马弗炉中于450℃-550℃保温2-3小时，使其完全水解，获得白色的LaClO粉末，置于干燥皿中备用，同时将Al-3B中间合金及工业纯铝在高温烘箱中预热至250℃-300℃；
步骤2：在坩埚电阻炉将所述步骤1中预热后的工业纯铝在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝熔体；
步骤3：将所述步骤2中获得的铝熔体降温至720～730℃，向其中加入所述步骤1中预热后的Al-3B中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；
步骤4：将所述步骤3中获得的均匀熔体升温至750℃-850℃，然后将所述步骤1中得到的LaClO粉末用铝箔包裹加入到所述均匀熔体当中；
步骤5：将步骤4中最终得到的均匀熔体于750℃-850℃保温1-2小时，期间每隔20-30分钟对熔体进行搅拌，然后在750℃-850℃将所述均匀熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得晶粒细化剂。
进一步的，本发明方法中，步骤4中，向均匀熔体加入LaClO粉末时，是将LaClO粉末压入坩埚底部，充分搅拌，使其充分反应。
进一步的，本发明方法中，步骤4中，Al与LaClO在高温下发生反应获得La元素，并与均匀熔体中存在的B元素形成LaB6，所述均匀熔体中存在的B元素来自于Al-3B中间合金的溶解。
本发明利用Al与LaClO的放热反应在铝熔体中置换出La，再与Al-3B中间合金中溶解出的B元素合成化学性质稳定的LaB6化合物，作为初生铝相的异质形核核心，促进初生铝相的形核和细化，达到晶粒细化的效果，LaB6化学性质稳定，不与合金中的其他元素发生反应。其中LaClO来自于原料中LaCl3·7H2O的水解产物。
本发明方法中，LaCl3·7H2O高温水解得到LaClO，Al与LaClO在高温下发生反应获得La元素，并与熔体中存在的B元素(来自于Al-3B中间合金的溶解)形成LaB6，通过机械搅拌结合保温处理，随后在金属型中冷却，得到细化剂。本发明重点在于Al与LaClO的放热反应获得La，解决了纯La加入高温铝熔体后容易烧损的问题。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明合成的新型铸造铝合金晶粒细化剂不仅能应用于工业纯铝的晶粒细化处理，更适用于复杂成分的铸造铝合金的晶粒细化，使其凝固组织中的初生铝枝晶由原来的发达树枝晶转变为细小的等轴晶，并且不发生细化衰退及变质退化等有害现象，从而提高铸造铝合金的综合力学性能，并且能改善其铸造性能。
(2)、本发明采用LaCl3·7H2O高温水解获得LaClO原料，能够在铝熔体中与Al发生放热反应，获得La元素，并与Al-3B中间合金溶解后形成的B元素合成LaB6，有效避免了直接添加纯La导致的La元素烧损问题，并且相比于直接添加纯La，本发明原料丰富，成本较低。同时，本发明仅需要使用干燥箱和普通电阻炉就可制备晶粒细化剂，无需气氛保护及大功率电炉，制备设备简单。
附图说明
图1实施例1未添加及添加细化剂的工业纯铝宏观腐蚀组织照片。
图2实施例1未添加细化剂的A356合金金相组织照片。
图3实施例1添加细化剂的A356合金金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
一种铸造铝合金晶粒细化剂的制备方法，以工业纯铝，Al-3B中间合金，LaCl3·7H2O为原料，根据细化剂中各成分的质量百分数：镧为2％-3％，硼为1％-2％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝，进行原料称量备用，制备步骤如下：
步骤1：将LaCl3·7H2O置于马弗炉中于450℃-550℃保温2-3小时，使其完全水解，获得白色的LaClO粉末，置于干燥皿中备用。将Al-3B中间合金及工业纯铝在高温烘箱中预热至250℃-300℃。
步骤2：在坩埚电阻炉将步骤1中预热后的工业纯铝在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝熔体。
步骤3：将步骤2中的铝熔体降温至720～730℃，加入预热后的Al-3B中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体。
步骤4：将步骤3中的熔体升温至750℃-850℃，然后将步骤1中的水解产物用铝箔包裹加入到熔体当中，加入时将粉末压入坩埚底部，充分搅拌，使其充分反应。
步骤5：将步骤4中的熔体于750℃-850℃保温1-2小时，期间每隔20-30分钟对熔体进行搅拌，然后在750℃-850℃将熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得晶粒细化剂。
下面结合实施例来对本发明进一步说明，不能以下实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1
按照上述步骤制备铸造铝合金晶粒细化剂，细化剂中各成分的质量百分数：镧为2％，硼为1％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。使用此细化剂细化工业纯铝，添加量为工业纯铝总质量的1％。如图1所示，未添加细化剂时，工业纯铝宏观组织主要以柱状晶为主；添加细化剂后，工业纯铝宏观组织为细小等轴状铝晶粒，平均晶粒尺寸为500-600微米。使用此细化剂细化A356合金，添加量为A356合金总质量的1％。如图2所示，未添加细化剂的A356合金凝固组织中，初生铝枝晶表现为发达树枝晶，有明显二次枝晶臂。如图3所示，添加细化剂后的A356合金凝固组织中，初生铝相完全等轴化，呈细小花瓣状，二次枝臂完全消失，平均尺寸为75-90微米。
实施例2
按照上述步骤制备铸造铝合金晶粒细化剂，细化剂中各成分的质量百分数：镧为3％，硼为1％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。使用此细化剂细化工业纯铝，添加量为工业纯铝总质量的1％。未添加细化剂时，工业纯铝宏观组织主要以柱状晶为主；添加细化剂后，工业纯铝宏观组织为细小等轴状铝晶粒，平均晶粒尺寸为600-650微米。使用此细化剂细化A356合金，添加量为A356合金总质量的1％。未添加细化剂的A356合金凝固组织中，初生铝枝晶表现为发达树枝晶，有明显二次枝晶臂。添加细化剂后的A356合金凝固组织中，初生铝相完全等轴化，呈细小花瓣状，二次枝臂完全消失，平均尺寸为80-95微米。
实施例3
按照上述步骤制备铸造铝合金晶粒细化剂，细化剂中各成分的质量百分数：镧为2％，硼为2％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。使用此细化剂细化工业纯铝，添加量为工业纯铝总质量的1％。未添加细化剂时，工业纯铝宏观组织主要以柱状晶为主；添加细化剂后，工业纯铝宏观组织为细小等轴状铝晶粒，平均晶粒尺寸为450-550微米。使用此细化剂细化A356合金，添加量为A356合金总质量的1％。未添加细化剂的A356合金凝固组织中，初生铝枝晶表现为发达树枝晶，有明显二次枝晶臂。添加细化剂后的A356合金凝固组织中，初生铝相完全等轴化，呈细小花瓣状，二次枝臂完全消失，平均尺寸为65-75微米。
实施例4
按照上述步骤制备铸造铝合金晶粒细化剂，细化剂中各成分的质量百分数：镧为3％，硼为2％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。使用此细化剂细化工业纯铝，添加量为工业纯铝总质量的1％。未添加细化剂时，工业纯铝宏观组织主要以柱状晶为主；添加细化剂后，工业纯铝宏观组织为细小等轴状铝晶粒，平均晶粒尺寸为600-650微米。使用此细化剂细化A356合金，添加量为A356合金总质量的1％。未添加细化剂的A356合金凝固组织中，初生铝枝晶表现为发达树枝晶，有明显二次枝晶臂。添加细化剂后的A356合金凝固组织中，初生铝相完全等轴化，呈细小花瓣状，二次枝臂完全消失，平均尺寸为75-95微米。
实施例5
按照上述步骤制备铸造铝合金晶粒细化剂，细化剂中各成分的质量百分数：镧为2.5％，硼为1.5％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。使用此细化剂细化工业纯铝，添加量为工业纯铝总质量的1％。未添加细化剂时，工业纯铝宏观组织主要以柱状晶为主；添加细化剂后，工业纯铝宏观组织为细小等轴状铝晶粒，平均晶粒尺寸为500-550微米。使用此细化剂细化A356合金，添加量为A356合金总质量的1％。未添加细化剂的A356合金凝固组织中，初生铝枝晶表现为发达树枝晶，有明显二次枝晶臂。添加细化剂后的A356合金凝固组织中，初生铝相完全等轴化，呈细小花瓣状，二次枝臂完全消失，平均尺寸为65-80微米。
参考图1为上述实施例1中工业纯铝细化前后宏观组织对比。照片中a为工业纯铝细化前宏观组织，存在大量粗大柱状晶；b为工业纯铝细化后宏观组织，为完全的细小等轴状晶粒。
参考图2为上述实施例1中A356合金细化前放大100倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出存在大量明显取向性的粗大树枝状的初生铝。
参考图3为上述实施例1中A356合金细化后放大100倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出不存在明显取向性的粗大树枝状初生铝，初生铝均以等轴状存在。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铸造铝合金晶粒细化剂，其特征在于：该晶粒细化剂以工业纯铝，Al-3B中间合金，LaCl3·7H2O为原料，按照以下方法制备得到：
步骤1：将LaCl3·7H2O置于马弗炉中于450℃-550℃保温2-3小时，使其完全水解，获得白色的LaClO粉末，置于干燥皿中备用，同时将Al-3B中间合金及工业纯铝在高温烘箱中预热至250℃-300℃；
步骤2：在坩埚电阻炉将所述步骤1中预热后的工业纯铝在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝熔体；
步骤3：将所述步骤2中获得的铝熔体降温至720～730℃，向其中加入所述步骤1中预热后的Al-3B中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；
步骤4：将所述步骤3中获得的均匀熔体升温至750℃-850℃，然后将所述步骤1中得到的LaClO粉末用铝箔包裹加入到所述均匀熔体当中；
步骤5：将步骤4中最终得到的均匀熔体于750℃-850℃保温1-2小时，期间每隔20-30分钟对熔体进行搅拌，然后在750℃-850℃将所述均匀熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得晶粒细化剂。
2.根据权利要求1所述铸造铝合金晶粒细化剂，其特征在于，该晶粒细化剂中各成分质量百分数：镧为2％-3％，硼为1％-2％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。
3.一种制备权利要求1或2所述铸造铝合金晶粒细化剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将LaCl3·7H2O置于马弗炉中于450℃-550℃保温2-3小时，使其完全水解，获得白色的LaClO粉末，置于干燥皿中备用，同时将Al-3B中间合金及工业纯铝在高温烘箱中预热至250℃-300℃；
步骤2：在坩埚电阻炉将所述步骤1中预热后的工业纯铝在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝熔体；
步骤3：将所述步骤2中获得的铝熔体降温至720～730℃，向其中加入所述步骤1中预热后的Al-3B中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；
步骤4：将所述步骤3中获得的均匀熔体升温至750℃-850℃，然后将所述步骤1中得到的LaClO粉末用铝箔包裹加入到所述均匀熔体当中；
步骤5：将步骤4中最终得到的均匀熔体于750℃-850℃保温1-2小时，期间每隔20-30分钟对熔体进行搅拌，然后在750℃-850℃将所述均匀熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得晶粒细化剂。
4.根据权利要求3所述的制备铸造铝合金晶粒细化剂的方法，其特征在于，所述步骤4中，向均匀熔体加入LaClO粉末时，是将LaClO粉末压入坩埚底部，充分搅拌，使其充分反应。
5.根据权利要求3或4所述的制备铸造铝合金晶粒细化剂的方法，其特征在于，所述步骤4中，Al与LaClO在高温下发生反应获得La元素，并与均匀熔体中存在的B元素形成LaB6，所述均匀熔体中存在的B元素来自于Al-3B中间合金的溶解。
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