一种富铁相变质剂及其制备方法和变质方法
技术领域
本发明涉及富铁相变质技术领域,且特别涉及一种富铁相变质剂及其制备方法和变质方法。
背景技术
铁是铝合金中最为常见的杂质元素,由于铁元素在室温下铝固体中几乎不溶解,铁在铝及铝合金中均以富铁相的形式存在。由于富铁相为金属间化合物,其硬度可达到660HV以上,远超过铝基体。同时富铁相的脆裂倾向也很明显,受力时易在其内部发生开裂而成为裂纹源,并沿着富铁相的长度方向扩展,这对铝合金的塑性影响极大,尤其是粗大的针状富铁相,即β-Fe相。除了针状富铁相外,含铁铝合金中还存在一种汉字形态的富铁相,即为α-Fe相,与β-Fe相相比,其对基体的割裂和对裂纹的扩展速率大幅降低,对铝合金的塑性危害大为改善。因此,富铁相的形态对铝合金塑性影响显著,改善富铁相形态是减缓其危害的有效方法之一。
目前,国内外主要采用元素中和法和熔铸法来改变富铁相的形态分布,常用的添加元素包括Mn、Cr、RE、Sr、Be、Sc等,其中Mn元素最为常用,但Mn的添加量还未得到公认,过少则无法消除针状富铁相,过多则不仅会形成粗大的初生富铁相,同时会增大富铁相的体积分数,这对合金塑性的改善不利。因此,开发一种工艺简单、添加量少、成本低廉的富铁相变质剂和制备方法十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富铁相变质剂,具有消除针片状富铁相、提高合金的抗拉强度和延伸率的作用。
本发明的另一目的在于提供一种上述富铁相变质剂的制备方法,工艺简单、成本低廉,可大规模生产。
本发明的又一目的在于提供一种变质方法,简化了变质工艺,降低了变质剂的添加含量,适合于工业化生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种富铁相变质剂,按质量百分比计,包括:Si 4.5~7.0%,Fe 2.5~5.0%,Mn 0.7~1.4%,B 0.03~0.1%,杂质元素0~0.15%,余量的Al。
本发明提出上述富铁相变质剂的制备方法,包括:按配比将Al合金、Al-Si合金、Al-Fe合金以及Al-Mn合金置于熔炼炉中熔化,将Al-B中间合金加入铝熔体中,待Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置后扒渣、浇注成圆铸锭。
本发明提出一种变质方法,包括:将含铁的铝合金熔化后,加入如权利要求1或2的变质剂,搅拌后精炼,静置后扒渣浇注成锭或进行生产。
本发明的有益效果包括:
(1)本发明以Al合金、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-B中间合金以及Al-Mn为原料,利用Mn置换富铁相中的铁元素,从而改变富铁相的晶体结构和优势生长取向,从而消除针状β-Fe相。加B可在富铁相形成初期吸附在其表面,抑制富铁相的长大,从而达到细化富铁相的效果。
(2)本发明通过高温熔化高含量铁铝合金,以消除针状富铁相的遗传性,并在较低温度加入一定量的Al(FeMn)Si四元变质剂,变质剂部分熔化,形成大量的形核质点,凝固时原熔体中的Fe将以其为形核质点,获得了对塑性危害较小的汉字状富铁相,达到变质的目的。
(3)本发明简化了变质工艺,减少了分步复合添加法所带来的杂质元素,大幅降低了变质剂的添加含量,使变质后富铁相的体积分数基本保持与变质前一致,更适合于工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为含铁量为1.2%的A356铝合金金相组织图;
图2为本发明实施例1的铝合金金相组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种富铁相变质剂及其制备方法和变质方法进行具体说明。
本发明实施例提供了一种富铁相变质剂,按质量百分比计,包括:Si 4.5~7.0%,Fe 2.5~5.0%,Mn 0.7~1.4%,B 0.03~0.1%,杂质元素0~0.15%,余量的Al。进一步地,在本发明较优的实施例中,按质量百分比计,Si为5.0~7.0%,Fe为2.5~3.5%,Mn为0.7~1.1%,B为0.05~0.06%。
Mn作为富铁相最为有效的变质元素,能置换富铁相中的Fe元素,从而改变富铁相的晶体结构和优势生长取向,从而消除针状β-Fe相。加B可在富铁相形成初期吸附在其表面,抑制富铁相的长大,从而达到细化富铁相的效果。
本发明实施例提供了上述富铁相变质剂的制备方法,包括:
按配比将Al合金、Al-Si合金、Al-Fe合金以及Al-Mn合金置于铝合金熔炼炉中,升温至800~900℃。然后待所有合金熔化完后降温至720~750℃,用钛制工具将配好并用铝箔包好的Al-B中间合金压入铝熔体中。
待Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置10~30分钟后扒渣、浇注成圆形铸锭,得到高体积分数的Al(MnFe)Si四元合金,即为变质剂。
将上述制备的铸锭车皮,切段,经过500-550℃均匀化处理后进行热挤压加工,制备直径为9.5mm的合金杆。
该制备方法采用Mn、B复合添加制备了体积分数高达50%以上、均匀分布的Al(MnFe)Si的汉字状富铁相,即为本发明的变质剂。该变质剂可消除针片状富铁相,提高合金的抗拉强度和延伸率。
本发明提供了一种变质方法,包括:将含铁量较高的铝合金熔化,升温至780~820℃,以消除针状富铁相的遗传特性,随后降温至680~720℃,按质量百分比为1~5%的比例加入杆状变质剂,均匀搅拌后精炼,静置10-60min后扒渣浇注成锭或灌入中间包以供生产。
富铁相在重熔过程中带有明显的遗传特性,当重熔温度较低时(≤700℃),将有部分富铁相残留于熔体中,凝固时将作为形核基底,获得的富铁相形态与重熔前的形态一致;重熔温度较高时(≥800℃),残余的富铁相全部溶解,富铁相将以其它质点为形核基底。本发明通过高温熔化高含量铁铝合金,以消除针状富铁相的遗传性,并在较低温度加入一定量的Al(FeMn)Si四元变质剂,利用富铁相的遗传性,变质剂部分熔化后形成大量的Al(FeMn)Si形核质点,凝固时原熔体中的Fe将以其为形核质点,获得了对塑性危害较小的汉字状富铁相,达到变质的目的。
本发明简化了变质工艺,减少了分步复合添加法所带来的杂质元素,大幅降低了变质剂的添加含量,使变质后富铁相的体积分数基本保持与变质前一致,更适合于工业化生产。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种富铁相变质剂,主要通过以下步骤制备而成:
按重量百分比配置合金成分,包括:Si 7.0%,Fe 2.5%,Mn 0.7%,B 0.05%,余量的Al。
变质剂的配制:首先将配好的Al、Al-Si、Al-Mn、Al-Fe等4种原材料置于铝合金熔炼炉中,升温至800℃;然后待所有合金熔化完后降温至720℃,用钛制工具将配好并用铝箔包好的Al-B中间合金压入铝熔体中;等Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置20分钟后扒渣、浇注成圆形铸锭。
变质剂的制备:将上述制备的圆柱锭车皮,切段,经过500℃均匀化处理后进行热挤压加工,制备直径为9.5mm的合金杆。
实施例2
本实施例提供了一种富铁相变质剂,主要通过以下步骤制备而成:
按重量百分比配置合金成分,包括:Si 5.0%,Fe 3.5%,Mn 1.1%,B 0.06%,余量的Al。
变质剂的配制:首先将配好的Al、Al-Si、Al-Mn、Al-Fe等4种原材料置于铝合金熔炼炉中,升温至850℃;然后待所有合金熔化完后降温至730℃,用钛制工具将配好并用铝箔包好的Al-B中间合金压入铝熔体中;等Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置30分钟后扒渣、浇注成圆形铸锭。
变质剂的制备:将上述制备的圆柱锭车皮,切段,经过540℃均匀化处理后进行热挤压加工,制备直径为9.5mm的合金杆。
实施例3
本实施例提供了一种富铁相变质剂,主要通过以下步骤制备而成:
按重量百分比配置合金成分,包括:Si 6.0%,Fe 4.0%,Mn 1.2%,B 0.1%,余量的Al。
变质剂的配制:首先将配好的Al、Al-Si、Al-Mn、Al-Fe等4种原材料置于铝合金熔炼炉中,升温至880℃;然后待所有合金熔化完后降温至740℃,用钛制工具将配好并用铝箔包好的Al-B中间合金压入铝熔体中;等Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置10分钟后扒渣、浇注成圆形铸锭。
变质剂的制备:将上述制备的圆柱锭车皮,切段,经过545℃均匀化处理后进行热挤压加工,制备直径为9.5mm的合金杆。
实施例4
本实施例提供了一种富铁相变质剂,主要通过以下步骤制备而成:
按重量百分比配置合金成分,包括:Si 4.5%,Fe 5.0%,Mn 1.4%,B 0.08%,余量的Al。
变质剂的配制:首先将配好的Al、Al-Si、Al-Mn、Al-Fe等4种原材料置于铝合金熔炼炉中,升温至900℃;然后待所有合金熔化完后降温至750℃,用钛制工具将配好并用铝箔包好的Al-B中间合金压入铝熔体中;等Al-B中间合金完全熔化后,对熔体进行除气、除杂处理,保温静置15分钟后扒渣、浇注成圆形铸锭。
变质剂的制备:将上述制备的圆柱锭车皮,切段,经过550℃均匀化处理后进行热挤压加工,制备直径为9.5mm的合金杆。
实施例5
本实施例提供了一种变质方法,包括:
将含铁量较高的铝合金熔化,升温至800℃,随后降温至700℃,按5%的比例加入实施例1的杆状变质剂,均匀搅拌后精炼,静置10min后扒渣浇注成锭或灌入中间包以供生产。
实施例6
本实施例提供了一种变质方法,包括:
将含铁量较高的铝合金熔化,升温至800℃,随后降温至700℃,按3%的比例加入实施例2的杆状变质剂,均匀搅拌后精炼,静置30min后扒渣浇注成锭或灌入中间包以供生产。
实施例7
本实施例提供了一种变质方法,包括:
将含铁量较高的铝合金熔化,升温至800℃,随后降温至700℃,按2%的比例加入实施例3的杆状变质剂,均匀搅拌后精炼,静置60min后扒渣浇注成锭或灌入中间包以供生产。
实施例8
本实施例提供了一种变质方法,包括:
将含铁量较高的铝合金熔化,升温至800℃,随后降温至700℃,按1%的比例加入实施例4的杆状变质剂,均匀搅拌后精炼,静置40min后扒渣浇注成锭或灌入中间包以供生产。
试验例
选取实施例5~8制得的铸锭,测试其化学成分,并观察富铁相组织。结果如下表:
表1变质处理前后合金的化学成分对比(wt.%)
实施例 |
Si |
Fe |
Mn |
Mg |
其余杂质元素 |
Al |
A356-1.2Fe |
7.0 |
1.20 |
0.005 |
0.30 |
0.12 |
91.375 |
5 |
6.58 |
1.32 |
0.039 |
0.29 |
0.15 |
91.621 |
6 |
6.76 |
1.30 |
0.037 |
0.26 |
0.14 |
91.503 |
7 |
6.85 |
1.28 |
0.028 |
0.27 |
0.13 |
91.442 |
8 |
6.95 |
1.24 |
0.017 |
0.25 |
0.12 |
91.423 |
由表1可知,实施例5~8提供的富铁相的体积分数基本保持与变质前一致,有利于提高其塑性。并且变质过程中没有带入较多种类的杂质元素,也没有提高杂质元素的含量,铝合金成分得到了很好的控制。
图1为含铁量为1.2%的A356铝合金金相组织,图2为实施例5的铝合金金相组织图。对比可知,采用实施例5提供的变质方法变质后的铝合金消除了针片状富铁相,达到细化富铁相的效果,有助于提高合金的抗拉强度和延伸率。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。