CN106544531A - 一种原位生成TiC颗粒细化铝合金凝固组织的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，属于凝固技术领域。针对铝合金铸件显微组织粗大的问题，本发明采用原位反应生成TiC颗粒金属型铸造的方法制备铝合金铸件，细化了铝合金的凝固组织，达到提高铸件性能的目的。其具体工艺如下：（1）按照指定成分配制的铝合金放入到坩埚电阻炉中，加热到1100-1150℃，使得合金完全熔化并具有一定过热度；（2）待金属熔体各组分均匀化后，先向熔体中加入碳粉搅拌均匀后再加入钛粉，使其在熔体反应并生成TiC颗粒；（3）待其反应充分并扩散均匀后停止加热使金属熔体随炉冷却至浇铸温度710-730℃行精炼；（4）把熔融铝合金熔体浇入到金属铸型中，自然冷却后取出铸件。按照上述方法制备的铝合金铸件，细化了凝固组织，提高了铸件的性能，扩大了铝合金铸件的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于凝固技术领域，涉及一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，适用于汽车、通讯电子和航空航天等工业领域需求高性能铝合金铸件的制备。
背景技术
随着铝及铝合金材料的广泛应用和飞速发展，尤其是在汽车、电子、航空航天领域的应用，汽车行业已经成功地应用了座椅架、变速箱、车轮、发动机缸体等汽车用铝合金压铸件，其对铸造铝合金及其深加工后的组织提出了严格的要求。显微组织细化既能提高材料的强度，又能提高材料的塑性。显微组织细化技术可显著提高铝合金的综合性能，目前已受到人们的广泛关注和高度重视。迄今为止，国内外研究学者对铝合金显微组织细化技术进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。
大量研究表明，在铝合金熔体成形工艺过程中，如果通过向铝熔体中加入一些能够产生非自发晶核的物质，使其在凝固过程中通过异质形核而达到细化晶粒的目的。其中Al-Ti-B是目前国内公认的最有效的细化剂之一，其与Re、Sr等元素共同作用细化效果更佳。但在实际条件下，受各种因素影响，TiB2质点易聚集成块，尤其在加入时由于熔体局部温度降低，导致加入点附近变黏稠、流动性差，使TiB2易形成夹杂，影响净化、细化效果。TiB2质点还易与氧化膜或熔体中存在的盐类结合生成夹杂。7系合金中的Zr、Cr、V元素还可以使TiB2失去细化作用，生成粗大晶粒。
过热处理也是铝合金凝固组织的一种细化手段。过热处理对铝合金的细化机理是在过热处理过程中生成了大量可以作为非均质结晶的晶核，从而增大了形核率。过热处理虽然可以细化晶粒，但是由于熔体温度的升高使得氧化和吸气现象更加严重，而且不利于杂质的分离，反而降低铸锭的质量。
与常规的铸态凝固相比，快速凝固具有极高的凝固速度，因而使得合金在凝固中形成了细小的微观组织结构，而在常规铸态铝合金中晶粒尺寸相当粗大，平均达毫米量级甚至更大。但其在凝固时易形成粗大夹杂，这些夹杂往往含有Fe和Si，将恶化铝合金的成形性、断裂韧性和持久性，使其综合性能下降。
机械场凝固可以细化铝合金显微组织，其主要通过机械搅拌或机械振动使铝合金熔体在凝固过程中受到机械搅拌或振动作用，从而形成复杂的三维空间流动、复杂的传热、传质等物理化学作用改变熔体的结构和能量起伏，使熔体形核长大的热力学和动力学条件发生相应地变化，从而细化和球化合金组织。同时搅拌和振动促进了合金枝晶臂的断裂，也使合金组织细化和球化。但机械场凝固受到了搅拌器使用温度的限制。
电磁场同样对铝合金显微组织产生影响。可以搅拌熔体，细化显微组织。借助于电磁力强化结晶器内未凝固合金熔体的运动，改变凝固过程的流动、传热和传质，将枝晶组织打碎变细小，达到细化组织的目的。但其容易发生“热点”和“热失控”问题。
此外，铝合金变质处理细化铝合金晶粒变质效果最好的变质剂磷及其化合物由于在变质过程中会产生大量对环境危害极大的气体而被国家明令禁止使用。
综上所述，目前细化晶粒尺寸的各种方法确实对于特定的铝合金起到了细化效果，但同时也会引入新的缺陷或受到各种条件的限制。因此寻找一种对于铝合金，在成形完整构件的条件下，细化凝固显微组织的工艺方法成为难题。本发明提出了在铝合金熔体中原位生成TiC颗粒弥散细化铸件显微组织，获得细化凝固组织的新途径。
发明目的
铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、塑性好和导热导电性好、尺寸稳定、耐蚀性好以及容易回收等优点。在交通运输、通讯电子、航空航天以及一些节约能源资源领域正得到日益广泛的应用，尤其是我国目前大飞机、绕月、高速轨道交通及电动汽车等大型项目的启动，给铝合金带来了更大的希望。然而，目前铝合金的应用远不如钢铁材料那么广泛，究其原因，主要是因为目前的铝合金：硬度低，耐磨性差；融化温度低，高温使用受到限制；电极电位很负，与异种金属接触易形成电偶腐蚀。细化铝合金凝固显微组织是提高其性能的有效途径之一。
原位反应是在金属熔体中获得弥散相的主要方法之一，其指弥散相通过组分材料的放热反应在基体中产生弥散相，弥散相的表面无污染，与基体的结合界面干净、结合强度较高、化学稳定性好，且反应放热还可使挥发性杂质离开基体，起到净化基体的作用。弥散相的存在增加了形核质点，提高了形核率，同时在晶粒生长过程中弥散相进一步阻碍晶粒的长大。在形核和阻碍晶粒长大的双重作用下，可以显著细化合金显微组织。此外，原位反应技术工艺和装备简单，生产效率高，因此，原位反应技术在细化合金铸件晶粒有广泛的应用前景。
鉴于铝合金的特点以及原位反应技术的优点，本发明提出在铝合金熔体中原位生成TiC颗粒弥散细化铸件显微组织的新工艺，细化了铝合金的凝固组织，发展了一种新型凝固组织细化技术，同时使得制备的构件成形完整。
发明内容
本发明提供了一种细化铝合金凝固组织的新方法，利用坩埚电阻炉熔炼铝合金，采用原位生成TiC颗粒的方法，通过金属铸型制备出显微组织得到细化的铝合金铸件。
本发明的基本原理是：在铝合金冶炼时，先后向熔体中加入碳粉和钛粉，在合金熔炼温度下于熔体中原位生产TiC颗粒并弥散分布于合金熔体中，TiC颗粒在铝合金凝固结晶过程中成为形核质点，增加了形核率，同时TiC颗粒将在合金晶粒长大过程中阻碍晶粒长大，导致制备的铝合金凝固组织得到细化。
本发明的具体技术方案是：
(1)根据名义成分选取铝合金原材料，利用丙酮进行清洗，采用坩埚电阻炉进行熔炼铝合金，熔炼是在混合气体保护气氛下进行，借助机械搅拌的方法进行熔体处理；
(2)向金属熔体中先后加入碳粉和钛粉，碳粉和钛粉摩尔比为6:5，搅拌均匀后在加入精炼剂进行精炼，采用机械搅拌的方法混合均匀；
(3)停止加热使熔体随炉冷却，待熔体温度达到浇铸温度后浇注，模具涂抹涂料和预热；
(4)采用自制的金属模具浇注，浇注成型的构件在空气中自然冷却至室温，这样就得到了显微组织得到细化的铝合金构件；
本方法与已有技术相比具有如下优点：
(1)在制备铝合金构件时采用原位生成TiC颗粒的方法，改变了传统细化铝合金凝固组织的方法，制备出的铝合金显微组织得到了显著细化；
(2)采用的是坩埚电阻炉、金属模具等普通设备，制作工艺简便，加快了生产周期，降低了能耗，节约了成本；
(3)本工艺通过控制原位反应参数来控制获得的铝合金凝固组织，便于操作，安全稳定；
(4)本工艺方法制备出的铝合金构件，力学性能得到显著提高，能够满足特定场合需要。
本方法可以实现成本低廉、操作简便、效果稳定的铝合金构件凝固显微组织的细化。
附图说明
图1是金属铸型制备的7075合金铸件显微组织照片。
图2是原位生产TiC颗粒金属铸型制备的7075合金铸件显微组织照片。
图3是原位生成的TiC颗粒（白色）。
对比图1和图2，可发现经离心铸造成型制备的铝合金构件显微组织得到了明显细化。
具体实施方式
本发明细化铝合金凝固组织的工艺方法：采用原位生成TiC颗粒，借助坩埚电阻炉和金属铸型，制备出显微组织得到明显细化的铝合金完整构件。
具体实施步骤如下：
(1)根据应用场合的不同选取特定成分，使用丙酮清洗按照特定成分配制的铝合金原材料，待完全干燥后放入到坩埚电阻炉里，坩埚电阻炉最高熔炼温度1400℃，在四氟乙烷(CH2F4)和CO2混合气体保护下进行熔炼，熔炼温度1100℃-1150℃，保温10min；
(2)在熔炼温度下向金属熔体中先后加入碳粉和钛粉，碳粉和钛粉摩尔比为6:5，搅拌均匀后加入C2Cl6作为精炼剂进行精炼，采用机械搅拌的方法混合均匀，搅拌时间为30min；
(3)停止加热使熔体随炉冷却，待熔体温度达到710℃-730℃后浇注，采用H13钢制作金属模具，在金属模具内表面抹一层涂料，使用加热炉把金属模具预热到300℃；
(4)将铝合金熔体浇注到金属型腔中，待铝合金铸件冷却到室温后取出，浇注成型的构件在空气中自然冷却至室温，这样制备的铝合金构件成型完整并且凝固组织得到显著细化。
具体实施例子：
实施例1：7075合金，四氟乙烷(CH2F4)和CO2混合气体保护，熔炼温度1100℃-1150℃，保温10min，加入碳粉和钛粉搅拌均匀后加入C2Cl6精炼，机械搅拌30mim，停止加热待熔体温度随炉冷却到720℃浇注，金属铸型预热300℃，达到的指标：抗拉强度278Mpa，屈服强度112 Mpa，延伸率7.4%。
Claims (4)
1.一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，其特征在于：采用原位反应生成TiC颗粒普通金属型铸造成型工艺方法，使制备的率合金铸件凝固显微组织得到显著细化。
2.根据权利要求1所述的一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，其特征在于：根据应用场合的需要选择合金成分，熔炼铝合金在坩埚电阻炉中进行，熔炼温度1100℃-1150℃，在合金熔体先后加入碳粉和钛粉反应生成TiC，然后浇注到金属铸型中，制备出铝合金铸件，可实现细化铝合金凝固组织的目的。
3.根据权利要求2所述的一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，其特征是采用如下步骤的方法：
(1)根据应用场合的不同选取特定成分，使用丙酮清洗按照特定成分配制的铝合金原材料，待完全干燥后放入到坩埚电阻炉里，坩埚电阻炉最高熔炼温度1400℃，在四氟乙烷(CH2F4)和CO2混合气体保护下进行熔炼，熔炼温度1100℃-1150℃，保温10min；
(2)在熔炼温度下向金属熔体中先后加入碳粉和钛粉，碳粉和钛粉摩尔比为6:5，搅拌均匀后加入C2Cl6作为精炼剂进行精炼，采用机械搅拌的方法混合均匀，搅拌时间为30min；
(3)停止加热使熔体随炉冷却，待熔体温度达到710℃-730℃后浇注，采用H13钢制作金属模具，在金属模具内表面抹一层涂料，使用加热炉把金属模具预热到300℃；
(4)将铝合金熔体浇注到金属型腔中，待铝合金铸件冷却到室温后取出，浇注成型的构件在空气中自然冷却至室温，这样制备的铝合金构件成型完整并且凝固组织得到显著细化。
4.根据权利要求3所述的一种细化铝合金凝固组织的工艺方法，其特征在于：选取7075（成分为：5.600%Zn, 0.3000%Mn,
0.4000%Si, 1.600%Cu, 0.5000%Fe, 0.2000%Ti, 2.500%Mg, 0.2300%Cr, 其余是铝）合金进行熔炼，熔炼温度1100℃-1150℃，原位反应时间为10min，浇铸温度为720℃，得到的铝合金晶粒尺寸明显细化。
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