CN106167866A

CN106167866A - 一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂以及变质处理方法

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Publication number: CN106167866A
Application number: CN201610717116.6A
Authority: CN
Inventors: 马朝利; 刘文祎; 肖文龙; 徐聪; 刘茂文; 王成远
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: CN106167866B

Abstract

本发明公开了一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂以及变质处理，该变质剂由Al‑5wt％Gd中间合金和Al‑5wt％Zr中间合金组成。是在铝硅铸造合金熔炼过程中，先后加入Gd、Zr元素，实现对铝硅铸造合金的细化与变质处理。细化与变质后的铝硅铸造合金中Gd的含量为0.1～0.8wt％，Zr的含量为0.1～0.8wt％。稀土元素Gd对铝硅铸造合金有较弱的晶粒细化效果和共晶硅变质效果。当Zr与Gd复合添加时，不但获得了很好的晶粒细化效果，而且同时获得了很好的远好于两种元素单独添加的共晶硅变质效果。由于组织的改善，合金的力学性能也有所提高。

Description

一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂以及变质处理方法

技术领域

本发明涉及一种适用于铝硅铸造合金用的变质剂。

背景技术

Al－Si合金熔炼时的变质处理是生产中改善Al－Si合金组织、性能的关键技术，近共晶Al－Si合金目前在工业生产中主要采用钠、钠盐和锶进行变质处理。

铸造Al－Si合金中组大晶粒，共晶硅都限制了合金的应用。通常需要对其进行细化与变质。目前被广泛使用的晶粒细化剂有Al－Ti－B、Al－Ti－C或Al－B等。常用的变质剂有Na、Sr等。然而，Al－Ti－B、Al－Ti－C中的Ti会与Al－Si合金中的Si反应，降低晶粒细化效果。而Al－B中的B会与Sr变质剂发生毒化。

发明内容

为了使Al－Si铸造合金的晶粒达到细化、同时共晶硅达到变质，本发明设计了一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂。在本发明的变质剂中Zr对Al－Si铸造合金具有很好的晶粒细化效果，却无变质效果。稀土元素Gd对Al－Si铸造合金有较弱的晶粒细化效果和共晶硅变质效果。当Zr与Gd复合添加时，不但获得了很好的晶粒细化效果，而且同时获得了很好的远好于两种元素单独添加的共晶硅变质效果。由于组织的改善，合金的力学性能也有有所提高。

在本发明中，用于对铝硅铸造合金进行细化变质的元素是Gd与Zr的复合变质剂。

本发明的一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其变质剂由Al－5wt％Gd中间合金和Al－5wt％Zr中间合金组成。经所述变质剂处理后制得的铝硅铸造合金中Gd的含量为0.1～0.8wt％，Zr的含量为0.1～0.8wt％。

本发明Gd与Zr的复合变质剂对铝硅铸造合金的细化与变质的优点：

①本发明Gd与Zr的复合变质剂具有长效性和重熔稳定性。

②使得铝硅铸造合金得到较好的晶粒细化效果，平均晶粒尺寸细化到小于80微米。

③使得铝硅铸造合金得到较好的共晶硅变质效果，共晶硅形貌变为纤维状，共晶硅尺寸下降到小于2微米。

④在对铝硅铸造合金变质过程中不产生有害气体，不腐蚀设备。

附图说明

图1A是未细化变质前的实施例1成分的合金的宏观晶粒照片。

图1B是经本发明Gd与Zr的复合变质剂细化变质后的实施例1成分的合金的宏观晶粒照片。

图2A是未细化变质前的实施例1成分的合金的共晶硅形貌扫描电镜图。

图2B是经本发明Gd与Zr的复合变质剂细化变质后的实施例1成分的合金的共晶硅形貌扫描电镜图。

图3是细化变质前后实施例1成分的合金的力学性能图。

图4A是未细化变质前的实施例2成分的合金的宏观晶粒照片。

图4B是经本发明Gd与Zr的复合变质剂细化变质后的实施例2成分的合金的宏观晶粒照片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明设计了一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，该变质剂由Al－5wt％Gd中间合金和Al－5wt％Zr中间合金组成。所述变质剂的用量是以制得铝硅铸造合金来限定的，即经所述变质剂处理后制得的铝硅铸造合金中Gd的含量为0.1～0.8wt％，Zr的含量为0.1～0.8wt％。

制备本发明铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂的方法：

步骤A，将纯铝(Al)和纯钆(Gd)放入高频感应炉内，在熔炼温度为800℃～900℃，熔炼时间30min～50min后；在铸锭温度不低于750℃时浇铸到金属模具中，经冷却、脱模，制得Al－5％wtGd中间合金；

步骤B，将纯铝(Al)和纯锆(Zr)放入高频感应炉内，在熔炼温度为1000℃～1200℃，熔炼时间30min～50min后；在铸锭温度不低于850℃时浇铸到金属模具中，经冷却、脱模，制得Al－5wt％Zr中间合金。

实施例1

细化变质处理后的Al－Si铸造合金的成分记为最终产物A：

Al－Si铸造合金原材料(质量百分数)：Al－9％Si－0.6％Mg中间合金和铝锭(铝锭的质量百分比纯度为99.7％)。

变质剂(质量百分数)：Al－5wt％Gd中间合金和Al－5wt％Zr中间合金。

用量：制500g的最终产物A需要389g的Al－9％Si－0.6％Mg中间合金、40g的Al－5wt％Gd中间合金、25g的Al－5wt％Zr中间合金和余量的铝锭。

将Al－9％Si－0.9％Mg中间合金和铝锭放入高频感应加热炉内，调节熔炼温度800℃、熔炼时间20min；待完全熔化后，在温度800℃先加入Al－5wt％Gd中间合金，搅拌均匀后保温5min；再加入Al－5wt％Zr中间合金，搅拌均匀后保温5min；待熔体降温至750℃，浇铸到金属模具中，冷却，取出铸锭，进行组织性能分析。

高频感应加热炉选用深圳市东达实业有限公司生产的DD－25I型号。

对实施例1制得的最终产物A采用Olympus BX51M型金相显微镜进行晶粒放大观察，如图1A和图1B所示，图中晶粒被显著细化。平均晶粒尺寸由3012微米减小到80微米，使得最终产物A的合金组织改善。

对实施例1制得的最终产物A用JEOL JSM－6010LA型扫描电镜进行共晶硅形貌观察。共晶硅由粗大片状转为纤维状，共晶硅尺寸明显减小。如图2A和图2B所示，共晶硅平均尺寸由17.6微米下降到1.8微米。

对实施例1制得的最终产物A进行热处理，从而获得力学性能的测试。采用T6热处理工艺，即在535℃保温10h进行固溶处理后，水中淬火，在175℃保温8小时进行时效处理，空气中冷却。对热处理后的产物采用50KN Instron液压伺服疲劳试验机(Instron8801)对T6热处理态合金进行力学性能测试，拉伸速率为0.2mm/min。如图3所示经本发明的细化变质处理后，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为325.5MPa、282.7MPa、3.7％，对比处理前的为255.5MPa、224.7MPa、2.8％。

在实施例1中使用本发明Zr与Gd的复合变质剂进行细化变质处理，同时达到了较好的晶粒细化与共晶硅变质效果。平均晶粒尺寸80微米以下和平均共晶硅尺寸2微米以下同时获得，并且共晶硅形貌变为纤维状。而传统Gd单独变质对晶粒细化和共晶硅变质效果并不佳，Zr单独变质仅能使平均晶粒尺寸降低到100微米以下，无法获得好的共晶硅变质效果。Zr与Gd的复合变质处理，显著的改善了最终产物A的组织，提高了性能。

实施例2

对A356型号的Al－Si铸造合金的细化变质处理，得到的成分记为最终产物B：

A356型号的Al－Si铸造合金的成分请参考《有色金属》第60卷第4期，2008年11月，“A356铝合金力学性能与微观结构”，范宋杰等。

变质剂(质量百分数)：Al－5％Gd中间合金和Al－5％Zr中间合金。

用量：制500g的最终产物B需要450g的A356型号的Al－Si铸造合金、25g的Al－5wt％Gd中间合金和25g的Al－5wt％Zr中间合金。

将外购的A356型号Al－Si铸造合金放入高频感应炉内，调节熔炼温度750℃、熔炼时间30min；待完全熔化后，在温度750℃先加入Al－5％Gd中间合金，搅拌均匀后保温12min；再加入Al－5％Zr中间合金，搅拌均匀后保温5min；待熔体降温至720℃，浇铸到金属模具中，冷却，取出铸锭，进行组织性能分析。

采用与实施例1相同的方法进行性能测试：对A356型号的Al－Si铸造合金进行本发明的细化变质处理，其金相显微镜下观察，晶粒被显著细化。如图4A、图4B所示平均晶粒尺寸由2770微米减小到65微米。

对实施例2制得的最终产物A的扫描电镜进行共晶硅形貌观察，共晶硅由粗大片状转为纤维状，共晶硅尺寸明显减小。共晶硅平均尺寸由14.6微米下降到1.2微米。

对实施例2制得的最终产物A进行热处理，从而获得力学性能的测试。经本发明的细化变质处理后，合金的抗拉强度，延伸率分别为335Mpa，4.2％，对比处理前的298Mpa，3.8％。

在实施例2中使用本发明Zr与Gd的复合变质剂对A356合金进行细化变质处理，使A356合金同时达到了较好的晶粒细化与共晶硅变质效果。平均晶粒尺寸80微米以下和平均共晶硅尺寸2微米以下同时获得，并且共晶硅形貌变为纤维状。Zr与Gd的复合变质处理，显著的改善了A356铝硅合金的组织，提高了性能。

实施例3

对A319型号的Al－Si铸造合金的细化变质处理，得到的成分记为最终产物C：

元素

Si

Cu

Fe

Zn

Gd

Zr

Mg

Ti

Al

含量/wt％

5.3

2.7

0.68

0.27

0.25

0.5

<0.1

余量

A319型号的Al－Si铸造合金的成分请参考《中国有色金属学报》第11卷第5期，2001年10月，“熔体温度处理工艺对A319合金组织和性能的影响”，何树先等。

元素

Si

Cu

Fe

Zn

Mg

Ti

Al

含量/wt％

6.16

3.2

0.75

0.3

<0.1

余量

用量：制500g的最终产物C需要425g的A319型号的Al－Si铸造合金、25g的Al－5wt％Gd中间合金和50g的Al－5wt％Zr中间合金。

将外购的A319型号Al－Si铸造合金放入高频感应炉内，调节熔炼温度830℃、熔炼时间20min；待完全熔化后，在温度800℃先加入Al－5wt％Gd中间合金，搅拌均匀后保温10min；再加入Al－5wt％Zr中间合金，搅拌均匀后保温10min；待熔体降温至750℃，浇铸到金属模具中，冷却，取出铸锭，进行组织性能分析。

采用与实施例1相同的方法进行性能测试：对A319型号的Al－Si铸造合金进行本发明的细化变质处理，其金相显微镜下观察，晶粒被显著细化。平均晶粒尺寸由2800微米减小到76微米。

对实施例3制得的最终产物C的扫描电镜进行共晶硅形貌观察，共晶硅由粗大片状转为纤维状，共晶硅尺寸明显减小。共晶硅平均尺寸由15.4微米下降到1.5微米。

对实施例3制得的最终产物C进行热处理，从而获得力学性能的测试。经本发明的细化变质处理后，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为305Mpa、145MPa、5.2％，对比处理前的270Mpa、112MPa、3.3％。

在实施例3中使用本发明Zr与Gd的复合变质剂对A319合金进行细化变质处理，使A319合金同时达到了较好的晶粒细化与共晶硅变质效果。平均晶粒尺寸80微米以下和平均共晶硅尺寸2微米以下同时获得，并且共晶硅形貌变为纤维状。Zr与Gd的复合变质处理，显著的改善了A319铝硅合金的组织，提高了性能。

Claims

1.一种铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其特征在于：变质剂由Al－5wt％Gd中间合金和Al－5wt％Zr中间合金组成。

2.根据权利要求1所述的铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其特征在于：按目标成分Al－5wt％Gd中间合金称取纯铝(Al)、纯钆(Gd)，在高频感应炉内熔炼后铸锭制得；熔炼温度800℃～900℃、熔炼时间30min～50min；铸锭温度不低于750℃。

3.根据权利要求1所述的铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其特征在于：按目标成分Al－5wt％Zr称取纯铝(Al)、纯锆(Zr)，在高频感应炉内熔炼后铸锭制得；熔炼温度1000℃～1200℃、熔炼时间30min～50min；铸锭温度不低于850℃。

4.根据权利要求1所述的铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其特征在于：经所述变质剂处理后制得的铝硅铸造合金中Gd的含量为0.1～0.8wt％，Zr的含量为0.1～0.8wt％。

5.根据权利要求1所述的铝硅铸造合金用稀土－锆复合的细化变质剂，其特征在于：变质剂为铸锭。

6.应用权利要求1所述稀土－锆复合的细化变质剂进行铝硅铸造合金的变质处理方法，其特征在于：铝硅铸造合金放入高频感应炉内，调节熔炼温度750℃～900℃、熔炼时间20min～40min；待完全熔化后，在温度不低于720℃时，先加入Al－5wt％Gd中间合金，搅拌均匀后保温5min～15min；再加入Al－5wt％Zr中间合金，搅拌均匀后保温5min～15min；待熔体温度不低于700℃，浇铸到金属模具中，冷却，取出铸锭，得到铝硅铸造合金。

7.根据权利要求6所述稀土－锆复合的细化变质剂进行铝硅铸造合金的变质处理方法，其特征在于：经所述变质剂处理后制得的铝硅铸造合金中Gd的含量为0.1～0.8wt％，Zr的含量为0.1～0.8wt％。

8.根据权利要求6所述稀土－锆复合的细化变质剂进行铝硅铸造合金的变质处理方法，其特征在于：经变质剂处理后的铝硅铸造合金的合金组织得到改善，且变质前的平均晶粒尺寸为2700微米～3100微米，变质后的平均晶粒尺寸为60微米～80微米。

9.根据权利要求6所述稀土－锆复合的细化变质剂进行铝硅铸造合金的变质处理方法，其特征在于：变质前的共晶硅为片状，平均尺寸为14微米～20微米，变质后的共晶硅为纤维状，平均尺寸为1微米～2微米。