CN106048273B - 一种铝硅镧硼四元中间合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于铸造铝硅合金细化的铝硅镧硼中间合金及其制备方法，以工业纯铝、结晶硅、Al‑10La中间合金和Al‑3B中间合金为原料，该四种原料的质量比为1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)，本发明涉及的铝硅镧硼中间合金中的镧硼化物能被共晶硅给均匀分割开，没有明显的团聚现象，可以对复杂成分铸造铝硅合金中的初生铝晶粒实现高效细化，特别是在高硅合金中能够取得优异的细化效果，且不会与变质元素锶产生“毒化”作用，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。另外，本细化剂几乎无孕育期，且细化效果持续时间长。同时原料丰富，成本较为低廉，无需气氛保护，制备设备与工艺简单。

Description

一种铝硅镧硼四元中间合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种铸造铝硅合金用铝硅镧硼四元中间合金及其制备方法。

技术背景

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。但是随着社会的进步与发展，对铝合金的组织和性能提出了更高的要求。而熔铸出细小均匀的等轴晶组织是获得优良性能的关键所在，晶粒细化成为提高铝合金性能的重要手段。目前最经济有效的方法是向铝熔体中加入细化剂，但是由于铝合金种类繁多，成分也非常复杂。常见的Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B及Al-Ti-C等晶粒细化剂在熔体细化处理过程中，细化元素钛和硼容易与合金元素硅及变质元素锶发生交互作用，显著降低细化元素有效含量，从而发生细化剂失效或出现显著的细化衰退现象，限制了这些细化剂在铸造铝合金中的广泛应用。因此，开发可适用于铸造铝合金的新型晶粒细化剂，使其在复杂的合金成分条件下具备高效、稳定的细化效力是十分必要的。

稀土在铝合金中具有变质、净化等许多积极作用。例如稀土元素钪、镱不仅能细化初生铝晶粒，同时还能在一定程度上应用于共晶硅变质处理；同时，稀土元素钪、镱与铝、镁、铜、铁及硅等元素形成的高温化合物相，还能有效改善合金的高温性能。但是稀土元素钪、镱的价格过高，不适用于大批量生产，严重制约了其在铸造铝合金中的广泛应用。另一方面，稀土元素由于其在高温铝熔体中非常活泼，因此向熔体中以单质稀土形式添加时烧损非常严重，元素收得率很低，开发新的稀土元素添加工艺也是十分重要的。

发明内容

技术问题：本发明提供一种铝硅镧硼四元中间合金及其制备方法，通过本发明获得的铝硅镧硼四元中间合金，其中的六硼化镧能被共晶硅均匀分割开，没有明显的团聚现象，可以对复杂成分铸造铝硅合金中的初生铝枝晶实现高效细化，特别是在高硅合金中能够取得优异的细化效果，且不会与变质元素锶产生“毒化”作用。另外，本细化剂几乎无孕育期，且细化效果持续时间长。

技术方案：本发明的铝硅镧硼四元中间合金，按照以下方法制备得到：

步骤1：以工业纯铝、结晶硅、Al-10La中间合金和Al-3B中间合金为原料，按照四种原料的质量比为1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)称料并经烘箱烘干备用；

步骤2：将结晶硅粉碎成平均尺寸为1～2mm的颗粒，并均匀地平铺于石墨黏土坩埚的底部；

步骤3：将所述步骤2中的石墨黏土坩埚置于坩埚电阻炉中，并将烘干后的工业纯铝放置于结晶Si颗粒之上，在850℃-950℃熔化，保温2～3小时，获得均匀的铝硅熔体；

步骤4：在所述步骤3获得的铝硅熔体中，加入烘干后的Al-3B中间合金，于850～900℃保温20-40分钟，获得均匀熔体，

步骤5：在所述步骤4获得的均匀熔体中，于880～920℃加入Al-10La中间合金，并保温20-40分钟，期间每隔5-10分钟对熔体进行搅拌，获得均匀熔体。

步骤6：将所述步骤5获得的均匀熔体浇入铜模中，并用冷水对铜模进行激冷，待冷却后获得中间合金。

进一步的，本发明合金中，各成分的质量百分数：硅为10％-14％，镧为1.5％-2.5％，硼为0.5％-1.5％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。

本发明的制备上述铝硅镧硼四元中间合金的方法，包括以下步骤：

步骤1：以工业纯铝、结晶硅、Al-10La中间合金和Al-3B中间合金为原料，按照四种原料的质量比为1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)称料并经烘箱烘干备用；

步骤2：将结晶硅粉碎成平均尺寸为1～2mm的颗粒，并均匀地平铺于石墨黏土坩埚的底部；

步骤3：将所述步骤2中的石墨黏土坩埚置于坩埚电阻炉中，并将烘干后的工业纯铝放置于结晶Si颗粒之上，在850℃-950℃熔化，保温2～3小时，获得均匀的铝硅熔体；

步骤4：在所述步骤3获得的铝硅熔体中，加入烘干后的Al-3B中间合金，于850～900℃保温20-40分钟，获得均匀熔体，

步骤5：在所述步骤4获得的均匀熔体中，于880～920℃加入Al-10La中间合金，并保温20-40分钟，获得均匀熔体，期间每隔一段时间对熔体进行搅拌。

步骤6：将所述步骤5获得的均匀熔体浇入铜模中，并用冷水对铜模进行激冷，待冷却后获得中间合金。

进一步的，本发明方法中，通过步骤3中加入Si元素，提高了熔体粘度，获得近共晶或共晶铝硅基体。步骤5中，Al-10La中间合金加入后，通过La元素与B元素之间的反应获得六硼化镧颗粒。

本发明方法中，通过加入硅元素，使得该中间合金中大部分组织为铝硅共晶组织，作为异质形核核心的六硼化镧颗粒被共晶硅均匀分割开，不产生明显的团聚。

本发明方法的步骤6中，采用铜模结合水冷工艺，提高中间合金冷却速度，抑制六硼化镧颗粒的沉降。

本发明在合金中加入一定的Si元素，使得中间合金处于近共晶成分，存在大量的铝硅共晶组织，共晶Si可以将六硼化镧颗粒均匀分割，而不产生明显的偏聚。

有益效果本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)常见的铝中间合金，例如Al-Ti-B及最近开发的Al-La-B系中间合金，在制备过程中均会出现硼化物颗粒团聚的现象，导致在应用于铝合金晶粒细化时，出现细化效率下降的问题，只能通过提高添加量达到效果，但会导致硼化物颗粒在合金晶界的析出，影响合金的力学性能。本发明在Al-La-B系中间合金的基础上，通过添加Si元素，利用中间合金凝固过程中形成的铝硅共晶组织分割先期形成的六硼化镧颗粒，从而抑制颗粒的团聚，能够进一步提高其晶粒细化效力。

(2)常见的Al-Ti-B系中间合金的制备过程中，当原位生成硼化物颗粒后，由于纯铝的粘度较小，颗粒不仅容易团聚，还会快速沉降，导致颗粒的宏观偏析严重，影响了晶粒细化效果。本发明添加Si元素后，可以有效提高铝熔体的粘度，减缓六硼化镧颗粒的沉降速度，更有利于在中间合金的组织中获得均匀弥散分布的颗粒组织，对于铸造铝硅合金的晶粒细化效果更显著。

附图说明

图1是实施例一未添加细化剂ZL102合金金相组织照片，放大50倍

图2是实施例一添加细化剂ZL102合金金相组织照片，放大50倍

图3是实施例一未添加细化剂ZL101合金金相组织照片，放大50倍

图4是实施例一添加细化剂ZL101合金金相组织照片，放大50倍。

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。

实施例一：本实施例中Al-Si-La-B中间合金的制备方法如下：

步骤1：以工业纯铝、结晶Si、Al-10La中间合金和Al-3B中间合金为原料，四种原料的质量比为1∶0.2∶0.5∶0.8称料并经烘箱烘干备用；

步骤2：将结晶硅粉碎成平均尺寸约为1mm的颗粒，并均匀地平铺于石墨黏土坩埚的底部；

步骤3：将步骤2中的石墨黏土坩埚置于坩埚电阻炉中，并将烘干后的工业纯铝放置于结晶Si颗粒之上，在850℃熔化，保温2小时，获得均匀的铝硅熔体。

步骤4：加入烘干后的Al-3B中间合金，于850℃保温20分钟，获得均匀熔体。

步骤5：在步骤4获得均匀熔体中，于880℃加入Al-10La中间合金，并保温20分钟，获得均匀熔体，期间每隔一段时间对熔体进行搅拌。

步骤6：将该熔体浇入烘干的铜模中，并用冷水对铜模进行激冷，待冷却后获得晶粒细化剂。

采用本实施例制备的Al-Si-La-B中间合金细化ZL102合金方法如下：将ZL102放入5KW电阻炉坩埚中，加热至原料完全熔化，熔体温度为720～740℃，采用徐州思源三合一精炼剂除气精炼后静置30分钟，然后在710～730℃加入质量分数为1％的Al-Si-La-B细化剂，获得铝熔体，铝熔体中的镧和硼的质量百分数为0.02％～0.05％和0.01％～0.025％，720℃保温30分钟后浇注至金属型模具中。

图1为中ZL102合金细化前放大50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；图2为ZL102合金细化后放大50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，初生铝均以均匀的等轴状存在；

采用本实施例制备的Al-Si-La-B细化剂细化ZL101合金方法如下：将ZL101放入5KW电阻炉坩埚中，加热至原料完全熔化，熔体温度为720～740℃，采用徐州思源三合一精炼剂除气精炼后静置30分钟，然后在710～730℃加入质量分数为1％的Al-Si-La-B细化剂，获得铝熔体，铝熔体中的镧和硼的质量百分数为0.02％～0.05％和0.01％～0.025％，720℃保温30分钟后浇注至金属型模具中。

图3为ZL101合金细化前放大50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；图4为ZL101合金细化后放大50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，初生铝均以均匀的等轴状存在。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤1中四种原料质量比为1∶0.4∶0.8：1.2，其他与实施例一相同。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是步骤1中四种原料质量比为1∶0.3∶0.7：1，其他与实施例一相同。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤2中结晶硅平均尺寸为2mm，其他与实施例一相同。

实施例五：本实施例与实施例一不同的是步骤2中结晶硅平均尺寸为1.5mm，其他与实施例一相同。

实施例六：本实施例与实施例一不同的是步骤3中熔化温度为950℃，保温时间为3小时，其他与实施例一相同。

实施例七：本实施例与实施例一不同的是步骤3中熔化温度为900℃，保温时间为2.5小时，其他与实施例一相同。

实施例八：本实施例与实施例一不同的是步骤4中保温温度为900℃，保温时间为40分钟，其他与实施例一相同。

实施例九：本实施例与实施例一不同的是步骤4中保温温度为870℃，保温时间为30分钟，其他与实施例一相同。

实施例十：本实施例与实施例一不同的是步骤5中保温温度为920℃，保温时间为40分钟，其他与实施例一相同。

实施例十一：本实施例与实施例一不同的是步骤5中保温温度为900℃，保温时间为30分钟，其他与实施例一相同。

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 (3)

1.一种铝硅镧硼四元中间合金，其特征在于，该合金按以下方法制备得到：

步骤1：以工业纯铝、结晶硅、Al-10La中间合金和A1-3B中间合金为原料，按照四种原料的质量比为1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)称料并经烘箱烘干备用；

步骤2：将结晶硅粉碎成平均尺寸为1～2mm的颗粒，并均匀地平铺于石墨黏土坩埚的底部；

步骤3：将所述步骤2中的石墨黏土坩埚置于坩埚电阻炉中，并将烘干后的工业纯铝放置于结晶Si颗粒之上，在850℃-950℃熔化，保温2～3小时，获得均匀的铝硅熔体；

步骤4：在所述步骤3获得的铝硅熔体中，加入烘干后的A1-3B中间合金，于850～900℃保温20-40分钟，获得均匀熔体；

步骤5：在所述步骤4获得的均匀熔体中，于880～920℃加入Al-10La中间合金，并保温20-40分钟，期间每隔5-10分钟对熔体进行搅拌，获得均匀熔体；

步骤6：将所述步骤5获得的均匀熔体浇入铜模中，并用冷水对铜模进行激冷，待冷却后获得晶粒细化剂，即为铝硅镧硼四元中间合金。

2.根据权利要求1所述的铝硅镧硼四元中间合金，其特征在于，该合金中各成分的质量百分数：硅为10％-14％，镧为1.5％-2.5％，硼为0.5％-1.5％，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所述铝硅镧硼四元中间合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：以工业纯铝、结晶硅、Al-10La中间合金和Al-3B中间合金为原料，按照四种原料的质量比为1∶(0.2～0.4)∶(0.5～0.8)∶(0.8～1.2)称料并经烘箱烘干备用；

步骤2：将结晶硅粉碎成平均尺寸为1～2mm的颗粒，并均匀地平铺于石墨黏土坩埚的底部；

步骤3：将所述步骤2中的石墨黏土坩埚置于坩埚电阻炉中，并将烘干后的工业纯铝放置于结晶Si颗粒之上，在850℃-950℃熔化，保温2～3小时，获得均匀的铝硅熔体；

步骤4：在所述步骤3获得的铝硅熔体中，加入烘干后的Al-3B中间合金，于850～900℃保温20-40分钟，获得均匀熔体，

步骤5：在所述步骤4获得的均匀熔体中，于880～920℃加入Al-10La中间合金，并保温20-40分钟，获得均匀熔体，期间每隔一段时间对熔体进行搅拌；

步骤6：将所述步骤5获得的均匀熔体浇入铜模中，并用冷水对铜模进行激冷，待冷却后获得中间合金。