CN106282620B - 一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al‑Bi合金的方法，属于Al‑Bi轴瓦合金材制备技术领域。采用向Al‑Bi合金熔体中添加TiC粒子作为形核剂，在Al‑Bi合金熔体冷却发生液‑液相变时，TiC粒子可以做为富Bi相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al‑Bi合金复合凝固组织的形成。本发明可用于制备高质量Al‑Bi合金轴瓦材料。
Description
技术领域
本发明属于Al-Bi轴瓦合金材制备技术领域，具体地说是一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法。
背景技术
Al-Bi合金是一种重要的轴瓦材料，在Al中加入适量的Bi可提高材料的减摩性。Al-Bi合金相图如图1所示。它们在液态存在着组元不混溶温度区间(L1+L2，L1和L2分别为富集不同组元的熔体)。当均一的合金熔体冷却到L1+L2区内时，它将发生液-液相变(L→L1+L2)，富Bi相液滴自熔体中沉淀析出。由于两液相间的比重差很大，液-液相变期间极易形成相偏析严重乃至两相分层的现象，因此，制备具有弥散型凝固组织的Al-Bi合金极为困难，采用传统铸造法很难得到组织均匀的合金材料，这限制了Al-Bi合金的工业应用。采取适当的措施，提高弥散相液滴的形核率，从而减小弥散相液滴的尺寸及迁移速度，减缓相偏析的形成速度，是制备Al-Bi合金的有效途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法。该方法以Al-Ti-C中间合金的形式向Al-Bi合金熔体中添加微、纳米尺寸TiC粒子，TiC粒子可作为Al-Bi合金液-液相变过程中富Bi相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al-Bi合金复合凝固组织的形成。
本发明的技术方案是：
一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法，该方法采用铸造技术(模铸或连铸)，通过向Al-Bi合金熔体中添加微、纳米尺寸的TiC粒子，在Al-Bi合金熔体冷却发生液-液相变时，TiC粒子作为富Bi相液滴的形核基底，从而提高富Bi相液滴的形核率，熔体凝固后形成具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金。
所述Al-Bi合金的熔炼温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb+100以上，在1050℃以下。
所述Al-Bi合金的浇注温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb以上，在Tb+100℃以下。所述TiC粒子以Al-Ti-C中间合金的形式加入Al-Bi合金熔体中；Al-Ti-C中间合金的添加温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb以上，在1050℃以下。
所述Al-Ti-C中间合金中Ti元素和C元素的摩尔比为(1～1.1)：1。
所述Al-Ti-C中间合金的加入量应保证合金熔体浇注前其内部有足够多的TiC残余粒子，TiC的加入量可由下式(1)确定：
wt％TiC≥8.3D3 (1)；
TiC的最佳加入量可由下式(2)确定：
(9.3-1)D3≤wt％TiC≤(9.3+1)D3 (2)；
式(1)和(2)中：D为Al-Ti-C中间合金中TiC粒子的直径，单位为微米；wt％TiC表示Al-Pb合金中TiC的重量百分数。
本发明Al-Bi合金中，Bi元素含量为5～20wt.％，合金中还可以加入其它合金化元素，如Cu、Zn、Mg等，以提高Al基体的强度。
所制备的Al-Bi合金中，Bi元素以粒子形式弥散分布于Al基体中。
本发明的原理如下：
本发明通过向Al-Bi合金熔体添加微、纳米尺寸TiC粒子，这些粒子可作为Al-Bi合金液-液相变过程中富Bi相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al-Bi合金复合凝固组织的获得。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用异质形核技术，控制Al-Bi合金的凝固动力学，获得具有Bi以粒子形式弥散分布于Al基体的Al-Bi合金复合材料，满足工业需求。
2、本发明尤其适合于冷却速度较快的铸造技术，如：铸锭尺寸较小，金属型、石墨型铸造，薄板连铸等。
附图说明
图1为Al-Bi偏晶合金示意相图。
图2为Al-Ti-C中间合金组织(图中白色粒子为TiC粒子)。
图3为Al-9wt％Bi合金试样的金相；其中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。图中黑色相为Al基体，白色相为Bi粒子。
图4为Al-12wt％Bi合金试样的金相；其中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。图中黑色相为Al基体，白色相为Bi粒子。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
Al-Bi合金凝固时极易形成偏析严重乃至两相分层的凝固组织，制备极为困难。本发明研究了TiC粒子对Al-Bi合金凝固行为及组织的影响，发现微、纳米尺寸TiC粒子能显著提高Al-Bi合金液-液相变过程中弥散相富Bi相液滴的异质形核率、细化凝固组织、促进弥散型凝固组织的获得。据此，本发明通过向Al-Bi合金熔体添加微、纳米尺寸TiC粒子，制备Al-Bi合金弥散型复合材料。在合金熔体冷却到Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb(见图1)以上时加入TiC粒子，TiC粒子以Al-Ti-C中间合金的方式加入合金熔体中，图2所示为Al-Ti-C中间合金(Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C)组织图。用此方法制备的Al-Bi合金组织如图3、图4所示。
实施例1
如图3所示，铸造Al-7wt％Bi合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加TiC粒子的试样相比，添加TiC粒子的合金试样中富Bi相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。
其制备过程如下：
用电阻炉熔炼Al-7wt％Bi偏晶合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Bi的溶解，然后向合金熔体中添加15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中间合金中TiC粒子的平均直径约为300nm。中间合金加入后搅拌熔体3-5min，当合金熔体温度为840℃时浇注。
实施例2
如图4所示，铸造Al-5wt％Bi合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加TiC粒子的试样相比，添加TiC粒子的合金试样中富Bi相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。
其制备过程如下：
用电阻炉熔炼Al-5wt％Bi合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Bi的溶解，然后向合金熔炼中添加15％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中间合金TiC粒子的平均直径约为300nm。中间合金加入后搅拌熔体3-5min，当合金熔体温度为800℃时浇注。
Claims (3)
1.一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法，其特征在于：该方法采用铸造技术，通过向Al-Bi合金熔体中添加微、纳米尺寸的TiC粒子，在Al-Bi合金熔体冷却发生液-液相变时，TiC粒子作为富Bi相液滴的形核基底，从而提高富Bi相液滴的形核率，熔体凝固后形成具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金；所述TiC粒子以Al-Ti-C中间合金的形式加入Al-Bi合金熔体中；所述Al-Ti-C中间合金中Ti元素和C元素的摩尔比为(1～1.1)：1；
所述Al-Bi合金的熔炼温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb+100℃以上，在1050℃以下；所述Al-Bi合金的浇注温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb以上，在Tb+100℃以下；Al-Ti-C中间合金的添加温度在Al-Bi合金的平衡液-液相变温度Tb以上，在1050℃以下；
TiC的加入量由下式(2)确定：
(9.3-1)D3≤wt％TiC≤(9.3+1)D3 (2)；
式(2)中：D为Al-Ti-C中间合金中TiC粒子的直径，单位为微米。
2.根据权利要求1所述的通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法，其特征在于：所述Al-Bi合金中，Bi元素含量为5～20wt.％。
3.根据权利要求1所述的通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Bi合金的方法，其特征在于：所制备的Al-Bi合金中，Bi以粒子形式弥散分布于Al基体中。
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