CN106498198A - 一种提高铝合金热稳定性的复合细化‑变质剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高铝合金热稳定性的复合细化‑变质剂，该复合细化‑变质剂的组成为Al‑Sr‑La‑Sc合金，其质量百分组成为：Sr 0.48％‑6％，La 0.56％‑7％，Sc 0.05％‑1.8％，其余为Al。该细化‑变质剂以Al‑Sr、Al‑La、Al‑Sc中间合金为原料，大大降低了复合细化‑变质剂的制备成本，并可以保证细化变质处理后的A356.2铝合金在不同使用温度条件下保持良好的微观形貌和力学性能。同时，通过调整Sc元素的含量可以在进一步细化A356.2铝合金的同时提高合金的热稳定性。

Description

一种提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂及其制备方法 和应用

技术领域：

本发明属于轻合金材料设计及制造领域，具体为一种具有高热稳定性A356.2铝合金的制备方法及其使用的复合细化-变质剂。

背景技术:

随着不可再生能源的日益枯竭和人们环保意识的不断提高，针对汽车节能减排控制技术的研究引起了人们越来越多的关注。因为目前绝大多数汽车都以石油为原料的不可再生能源为燃料，并且随着汽车保有量和尾气排放量的不断增加，如何提高汽车的节能减排效率引起了人们的日益关注。研究表明提高汽车的节能减排效率最有效的方法就是利用轻质高强度材料降低汽车自重。

A356.2铝合金是汽车工业中最常用的轻合金材料，应用范围主要包括发动机部件、行走系统部件、汽车车身、轮毂及热交换器等。一般采用Al-Ti-B和Al-Sr中间合金分别对A356.2合金中粗大的初生α-Al和尖角状共晶硅进行细化和变质，并且结合热处理工艺进一步优化合金的组织，提高其综合使用性能。已有的研究表明在现有的制备工艺条件下A356.2铝合金的工作温度一般要求低于185℃，在更高的工作温度下Mg₂Si相将发生粗化或溶解导致合金力学性能急剧降低。目前，随着汽车行业的发展，汽车发动机的功率逐渐增加，加上发动机缸体和缸盖的结构相对复杂，其在一定时间范围内的使用温度可达200℃～300℃。经已有的细化剂和变质剂处理的A356.2铝合金由于在此温度范围内的热稳定性较差而不能满足使用要求。另，截至目前仍未见关于提高A356.2铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的报道。为了适应汽车工业的发展，进一步发挥A356.2铝合金的性能优势并扩大其应用范围，迫切需要一种能够提高铝合金热稳定性同时能够对合金进行细化和变质的复合细化-变质剂，使A356.2铝合金铸件在高温使用过程中依然能够保持良好的使用效果。

发明内容

本发明的目的是针对当前A356.2铝合金性能的不足，提供一种具有高热稳定性A356.2铝合金的制备方法及其使用的复合细化-变质剂。该复合细化-变质剂的组成为Al-Sr-La-Sc，在制备中，以Al-Sr、Al-La、Al-Sc中间合金为原料，大大降低了复合细化-变质剂的制备成本。进而，在A356.2铝合金制备过程中，通过Sr和La元素，可以保持对A356.2铝合金细化和变质，并通过Sc加入，在加强细化变质效果的同时，进一步提高合金的热稳定性，提高了合金的使用温度。此发明可以保证细化变质处理后的A356.2铝合金在不同使用温度条件下保持良好的微观形貌和力学性能。同时，通过调整Sc元素的含量可以在进一步细化A356.2铝合金的同时提高合金的热稳定性。

本发明的技术方案为：

一种提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂，该复合细化-变质剂的组成为Al-Sr-La-Sc合金，其质量百分组成为：Sr 0.48％-6％，La 0.56％-7％，Sc 0.05％-1.8％，其余为Al。

所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂，其组成元素的质量百分比中，优选为Sr 0.48％-6％，La 0.56％-7％，Sc 0.05％-1.8％，其余为Al，且Sr与La的质量比为6:7。

所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的制备方法，包括如下步骤：

首先，进行预处理，依据目标合金中各组分元素的质量百分比将Al-Sr、Al-La、Al-Sc中间合金锭以及纯铝锭切割后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后进行烘干、称量。

其次，在SG-5-10井式坩埚电阻炉中进行熔炼：将纯铝块置于石墨坩埚内，并置于730-750℃下的电阻炉中；待纯Al完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入Al-Sc中间合金；待Al-Sc中间合金完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入Al-Sr中间合金；保温20-40min后，加入Al-La中间合金；待中间合金完全熔化后，用石墨搅拌棒机械搅拌5-10min；将炉温降至710-730℃，静置5-10min，去除表面浮渣后，向金属液中通入高纯氩气2-3min进行精炼；静置3-5min后，去除表面浮渣，并将金属液浇入模具中，获得所需要的Al-Sr-La-Sc复合细化-变质剂。

需要注意的是，从开始放入Al-Sc中间合金到完成整个浇注过程，持续向电阻炉中通入高纯氩气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

所述的Al-Sr优选为Al-10Sr合金；Al-La优选为Al-20La合金；Al-Sc合金优选为Al-1.95Sc。

所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的应用方法，包括以下步骤：

首先，进行预处理：切取A356.2铝合金及Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，清洗后进行烘干，称量；

其次，在坩埚电阻炉中进行熔炼：将A356.2铝合金置于石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于720-740℃电阻炉内；待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气2-3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；再静置3-5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入占A356.2铝合金质量分数为0.1％-5％的Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂；保温3-5min后，向金属液中通入高纯氩气2-3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；静置3-5min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中，最后得到一种组织性能优化的A356.2铝合金。

本发明的有益之处是：

本发明的Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂可通过其前期制作使其元素分布更加均匀，充分利用Sc元素和La元素对A356.2铝合金的细化作用以及Sr元素对合金的变质作用；同时，由于Al-Sr-La-Sc是在Al-Sr-La的基础上添加了Sc元素，因此可以发挥Sr、La的作用，对A356.2铝合金发挥良好的细化变质作用，且与用Al-Ti-B、Al-Sr细化变质的A356.2铝合金相比，Sc元素添加可在强化Sr和La元素变质和细化效果的基础上，通过Sc、Sr和La元素的协同作用进一步提高A356.2铝合金在不同热作用条件下微观组织和力学性能的稳定性，使其在高温环境的使用过程中仍能保持良好的组织形态，从而提高其服役温度；此外，可以通过调整复合细化-变质剂中Sc与Sr、La之间的配比来获得不同的Al-Sr-La-Sc复合细化-变质剂，从而使晶粒获得不同程度的细化的同时令共晶硅获得不同程度的变质，进而获得不同强度与延伸率，同时通过调整Sc与Sr、La之间的比例控制合金在常规条件和热作用条件下的服役性能。

不同于大多传统细化-变质剂直接加入到A356.2铝合金中，Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂是先经过预制备，此过程可以很大程度上去除Al-Sr、Al-La、Al-Sc中间合金中带有的杂质，并且由于最终加入到A356.2铝合金中的有效元素含量很少，因此通过先制备只含Al、Sr、La、Sc中间合金，可以使加入量更加精确。

附图说明

图1分别为实施例三中A356.2铝合金在加入Al-Sr-La-1.8Sc细化-变质剂处理后，铸态与经过耐热试验处理的100倍金相组织照片，其中，图1a为铸态下A356.2铝合金金相组织照片，图1b为经过耐热试验处理后A356.2铝合金金相组织照片。

图2分别为对比例中A356.2铝合金在加入Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂处理后，铸态与经过耐热试验处理的100倍金相组织照片，其中，图2a为铸态下A356.2铝合金金相组织照片，图2b为经过耐热试验处理后A356.2铝合金金相组织照片。

具体实施方式

实施例一：

1、中间合金熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 1.26％，La 1.48％，Sc 0.1％，其余为Al进行备料；切取Al-10Sr、Al-20La、Al-1.95Sc中间合金锭以及纯铝锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中进行清洗，之后进行烘干、称量；

2)将电阻炉升温至740℃，待温度稳定后，将纯铝块置于已清理干净的石墨坩埚中，并置于电阻炉中。待纯铝块完全熔化后去除其表面浮渣，之后加入步骤1称量好的Al-1.95Sc中间合金；

3)待Al-1.95Sc完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入称量好的Al-10Sr中间合金；

4)保温20min后，加入步骤1称量好的Al-20La中间合金；

5)待稀土完全熔化后，用石墨搅拌棒机械搅拌5min使合金混合均匀；

6)将炉温降至720℃，静置10min,去除表面浮渣后，向金属液中通入高纯Ar气3min进行精炼；

7)静置3min后，去除表面浮渣，并将金属液浇入铸铁模具中，获得所需要的Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂。

需要注意的是，从开始加入Al-Sc中间合金到完成整个浇注过程，持续往电阻炉中通入高纯Ar气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

2、细化变质工艺：

1)切取A356.2铝合金及Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗，之后进行烘干，称量。称取质量分数为5％的Al-Sr-La-Sc中间合金，其余为A356.2铝合金；

2)将电阻炉升温至730℃，待温度稳定后将A356.2铝合金置于清理干净的石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于电阻炉内；

3)待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；

4)静置5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂；

5)保温3min后，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；

6)静置3min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中；

3、热处理工艺：

1)在铸造好的铝合金同一水平位置处切取两个1cmx1cmx1cm的金属块，并取出其中一块；

2)将其置于540℃的井式电阻炉中加热280min后将其置于60℃的水中淬水2min做固溶处理；

3)之后放入150℃的井式电阻炉中处理6h进行时效处理；

4)空冷后将试样置于525℃的井式电阻炉中加热5h进行耐热试验；

5)将两个金属块一同制取金相试样，并用体积分数为0.05％的HF腐蚀。

实施例二

1、中间合金熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 0.85％，La 1％，Sc 1％，其余为Al进行备料；切取Al-10Sr、Al-20La、Al-1.95Sc中间合金锭以及纯铝锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后进行烘干、称量；

2)同实施例一；

3)同实施例一；

4)同实施例一；

5)同实施例一；

6)同实施例一；

7)同实施例一。

2、细化变质工艺：同实施例一。

3、热处理工艺：同实施例一。

实施例三

1、中间合金熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 0.48％，La 0.56％，Sc 1.8％，其余为Al进行备料；切取Al-10Sr、Al-20La、Al-1.95Sc中间合金锭以及纯铝锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后进行烘干、称量；

2)同实施例一；

3)同实施例一；

4)同实施例一；

5)同实施例一；

6)同实施例一；

7)同实施例一。

2、变质细化工艺：同实施例一。

3、热处理工艺：同实施例一。

图1a与图1b分别为本实施例中A356.2铝合金在加入Al-Sr-La-4Sc细化-变质剂处理后，铸态与经过耐热试验处理的100倍金相组织照片。对比图1a与图1b，可以看出经过耐热试验处理后，A356.2的二次枝晶间距增长幅度微小，即在高温下使用过程中，A356.2铝合金的组织形态基本保持不变，也即用Al-Sr-La-Sc细化变质后的A356.2铝合金可以在热作用条件下使用，并且保持良好的力学性能。

对比例

1、熔炼工艺：

1)切取A356.2铝合金及Al-Ti-B、Al-Sr中间合金后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后再进行烘干，称量。称取质量分数分别为0.2％的Al-Ti-B、Al-Sr合金块，其余为A356.2铝合金；

2)将电阻炉升温至730℃，待温度稳定后将步骤1称量好的A356.2铝合金置于清理干净的石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于电阻炉内；

3)待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；

4)静置5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入称量好的Al-Ti-B、Al-Sr中间合金；

5)保温3min后，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；

6)静置3min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中。

2、热处理工艺：同实施例一。

图2a与图2b分别为本对比例中A356.2铝合金在加入Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂处理后，铸态与经过耐热试验处理的100倍金相组织照片。对比图2a与图2b，可以看出经过耐热试验处理后，A356.2的二次枝晶间距增长幅度较大，且α-Al之间相互粘连，共晶硅的偏聚也更加严重。即用Al-Ti-B、Al-Sr细化变质后的A356.2铝合金在高温下使用的过程中无法保持其良好的力学性能。另外通过对比图1a与图2a发现，用Al-Sr-La-Sc细化变质后的A356.2铝合金其二次枝晶间距更小，即其晶粒尺寸更小，因此用Al-Sr-La-Sc细化变质后的A356.2铝合金不管在常规条件下使用还是在热作用条件下使用，都具有更优的组织状态，即更优的力学性能。

根据实施例的结果分析，从实施例一到实施例三，Sc在Al-Sr-La-Sc中间合金中所占的比例逐渐增大，即Sc与Sr、La之间的配比逐渐增大。在此过程中，经过同样的处理过程后，A356.2铝合金的尺寸呈现逐渐减小的趋势，共晶硅的圆整程度也逐渐减小。并且，随着Sc在Al-Sr-La-Sc细化-变质剂中所占的比例逐渐增大，A356.2铝合金的细化程度逐渐增强，变质效果逐渐减弱，此时A356.2铝合金的强度逐渐增加，塑性逐渐减小。换句话说，提高Sc与Sr、La之间的比例可提高合金的细化效果的同时提高耐热性；降低Sc与Sr、La之间的比例可提高合金的变质效果，可以通过定量调整Sc与Sr、La之间的比例可以实现对合金的变质和细化效果的定量控制以及控制合金在常规条件和热作用条件下微观组织，从而实现对合金的力学性能的调控。在实际工业应用中可根据材料所处环境选择恰当的Sc与Sr、La配比。

通过上述结合实验附图对本发明进行了描述，但以上具体实施案例仅仅是部分实验，并不是用来限制本发明的实施范围。本领域的相关技术人员依据本发明或不脱离本发明宗旨的情况下，所进行的等效变形和相关修饰，这些都在本发明的保护范围之内。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂，其特征为该复合细化-变质剂的组成为Al-Sr-La-Sc合金，其质量百分组成为：Sr 0.48％-6％，La 0.56％-7％，Sc 0.05％-1.8％，其余为Al。

2.如权利要求1所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂，其特征为其组成元素的质量百分比中，优选为Sr 0.48％-6％，La 0.56％-7％，Sc 0.05％-1.8％，其余为Al，且Sr与La的质量比为6:7。

3.如权利要求1所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的制备方法，其特征为包括如下步骤：

首先，进行预处理，依据目标合金中各组分元素的质量百分比将Al-Sr、Al-La、Al-Sc中间合金锭以及纯铝锭切割后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后进行烘干、称量；

其次，在SG-5-10井式坩埚电阻炉中进行熔炼：将纯铝块置于石墨坩埚内，并置于730-750℃下的电阻炉中；待纯Al完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入Al-Sc中间合金；待Al-Sc中间合金完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入Al-Sr中间合金；保温20-40min后，加入Al-La中间合金；待中间合金完全熔化后，用石墨搅拌棒机械搅拌5-10min；将炉温降至710-730℃，静置5-10min，去除表面浮渣后，向金属液中通入高纯氩气2-3min进行精炼；静置3-5min后，去除表面浮渣，并将金属液浇入模具中，获得所需要的Al-Sr-La-Sc复合细化-变质剂。

4.如权利要求3所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的制备方法，其特征为所述的Al-Sr优选为Al-10Sr合金；Al-La优选为Al-20La合金；Al-Sc合金优选为Al-1.95Sc。

5.如权利要求1所述的提高铝合金热稳定性的复合细化-变质剂的应用方法，其特征为包括以下步骤：

首先，进行预处理：切取A356.2铝合金及Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，清洗后进行烘干，称量；

其次，在坩埚电阻炉中进行熔炼：将A356.2铝合金置于石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于720-740℃电阻炉内；待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气2-3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；再静置3-5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入占A356.2铝合金质量分数为0.1％-5％的Al-Sr-La-Sc复合细化变质剂；保温3-5min后，向金属液中通入高纯氩气2-3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；静置3-5min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中，最后得到一种组织性能优化的A356.2铝合金。