CN109266886B - 一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，包括步骤为：按铝合金成分配比取铝锭，熔化形成铝熔体，并先后加入Mn和Fe，使二者熔化到铝熔体，形成铝合金熔体；在上述步骤操作过程中加入铝合金熔体质量的0.1～1.0％的含Cr物质，搅拌均匀，使变质剂完全熔化至铝合金熔体后，浇注形成铝合金铸锭，完成铝合金金属间化合物相的细化。该细化方法利用元素Cr细化富Mn富Fe的金属间化合物相，减轻相应富Mn富Fe的金属间化合物相对合金力学性能的损害，可以进一步提高合金中Mn含量，充分发挥Mn固溶强化效果，进一步提高了合金的力学性能。

Description

一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法
技术领域：
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法。
背景技术：
金属元素Mn是铝合金的一个重要合金元素，特别是在3000系铝合金中，Mn是主要元素。Mn原子固溶到Al基体中，产生固溶强化效果，使合金强度得到提高。所以，增加合金中的Mn含量，有利于提高合金的强度。但是，随着Mn含量的增加，将会在合金中形成金属间化合物相Al6Mn，而且Mn含量越高，金属间化合物相Al6Mn越粗大。如果Mn含量超过了Al-Mn合金的共晶成分，Al6Mn成为初生相，则更加粗大。如果合金中含有Fe元素，则Fe元素会结合到Al6Mn相中，形成Al6(FeMn)相，使金属间化合物相更加粗大。粗大的金属间化合物相对合金的力学性能有破坏作用。金属间化合物相越粗大，对力学性能的破坏作用越强烈。所以必须将Mn含量限制中一定范围，防止形成粗大的金属间化合物相。比如，3000系合金中，AA3003，AA3004和AA3005合金的Mn含量为1.0-1.5wt％。生产中往往控制在下限。其它合金中的Mn含量更低。
在大部分铝合金中，元素Fe被视作有害杂质元素。它在合金中形成金属间化合物相Al6Fe。在有元素Si的情况下，会形成Al-Fe-Si相。这些相往往呈块状或板条状，对合金力学性能有严重损害。加入元素Mn可以使这种块状或板条状相转变成汉子状或花瓣状，大大减轻了它们对力学性能的损害。比如AA5082、AA5083等合金往往含有一定量的Mn。比较AA5082和AA5083合金的化学成分和力学性能，发现两个合金的化学成分基本相同，只是AA5083合金的Mn含量显著高于AA5082合金，AA5083合金的强度也著高于AA5082合金。说明增加Mn含量有利于提高合金强度。但是，有研究表明，进一步增加Mn含量将导致金属间化合物相Al6(FeMn)过分粗大，参见论文“Effect of Mn and Fe on the Formation of Fe-andMn-Rich Intermetallics in Al-5Mg-Mn Alloys Solidified Under Near-RapidCooling，Materials，2016，9，88”。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提出一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，可以将含Mn铝合金中粗大的金属间化合物相Al6Mn、Al6(FeMn)、Al6Fe、Al15(MnFe)3Si2等大为细化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，包括以下步骤：
(1)按铝合金成分配比，取铝锭，熔化形成铝熔体，并先后加入Mn和Fe，使二者熔化到铝熔体，形成铝合金熔体；
(2)在步骤(1)操作过程中加入变质剂，搅拌均匀，使变质剂完全熔化至铝合金熔体后，浇注形成铝合金铸锭，完成铝合金金属间化合物相的细化；其中，所述的变质剂为含Cr物质，所述的变质剂加入量按质量配比为铝合金熔体质量的0.1～1.0％。
所述的步骤(1)中，铝合金包括成分及其质量百分比为：Mn 1.2～2.4％，Fe 0.25～0.7％，余量为Al及杂质，其中，所述的杂质含量≤1.0％。
所述的步骤(1)中，Mn为锰添加剂或铝锰中间合金。
所述的步骤(1)中，Fe为铁添加剂或铝铁中间合金。
所述的步骤(2)中，含Cr物质为Cr添加剂或Al-Cr中间合金。
所述的步骤(2)中，Al-Cr中间合金可以为Al-10wt％Cr中间合金。
所述的步骤(2)中，Cr添加剂可以为75Cr剂，所述的75Cr剂是一种由75wt％Cr粉和25wt％助熔剂等粉末组成的混合物并被压成块状。
所述的步骤(2)中，变质剂可以在铝锭熔化形成铝熔体后，同Mn，Fe一起加入铝熔体，也可以在形成铝合金熔体后，直接加入铝合金熔体中。
所述的步骤(2)中，金属间化合物相为Al6Mn、Al6(FeMn)、Al6Fe或All5(MnFe)Si2等富Mn富Fe的金属间化合物相。
所述的含Cr物质作为变质剂在含锰铁铝合金金属间化合物相细化领域的应用。
本申请中Cr可以作为合金元素，在熔炼过程中，和其他元素一起加入铝熔体或铝合金熔体中；也可以在其它合金元素都已熔化以后再单独加入；Cr可以以铝工业生产中常用的Al-Cr中间合金的形式进加入，比如常用的Al-10wt％Cr中间合金；也可以以铝工业生产中常用的Cr添加剂的形式加入，比如，常用的75Cr剂(一种由75wt％Cr粉和25wt％助熔剂等粉末组成的混合物并被压成块状)。
本发明的有益效果：
本发明的一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法利用元素Cr细化富Mn富Fe的金属间化合物相，减轻相应富Mn富Fe的金属间化合物相对合金力学性能的损害，因此，可以进一步提高合金中Mn的含量，充分发挥Mn的固溶强化效果，进一步提高了合金的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的合金A1和A2的金相照片，其中，图1(a)为合金Al的金相照片，图1(b)为合金A2的金相照片；
图2为本发明实施例2制备的合金B1和B2的金相照片，其中，图2(a)为合金B1的金相照片，图2(b)为合金B2的金相照片；
图3为本发明实施例3制备的合金C1和C2的金相照片，其中，图3(a)为合金C1的金相照片，图3(b)为合金C2的金相照片。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，步骤为：
1.按铝合金成分配比，具体包括成分及其质量百分比为：Mn 1.2％，Fe 0.25％，余量为Al及杂质，所述的杂质含量≤1.0％，先将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在750-800℃下保温，分批次加入事先准备好的Al-20Mn和Al-10Fe中间合金，保温至少20分钟，并搅拌均匀，保证合金元素Mn和Fe完全熔化到铝熔体中，得到铝合金熔体；然后将铝合金熔体平均分为两个部分，分别为a1和a2，将a1铝合金熔体浇入铁质模具中得到合金A1铸锭；
2.取75Cr剂，75Cr剂是一种由75wt％Cr粉和25wt％助熔剂等粉末组成的混合物并被压成块状，将75Cr剂加入到a2铝合金熔体中，加入量为a2铝合金熔体重量的1.0％，搅拌均匀，保证75Cr剂完全熔化到a2铝合金熔体中，然后将熔入75Cr剂的铝合金熔体a2浇入铁质模具中得到合金A2铸锭，合金A1和A2成分配比见如表1；
3.将合金A1和A2铸锭冷却后，分别从铸锭上切取金相试样，按照标准金相试样制备程序制备金相试样，并拍摄金相照片，合金A1金相照片如图1(a)所示，合金A2金相照片如图1(b)所示，可见合金A1的Al6(FeMn)相比较粗大，而合金A2的Al6(FeMn)相比较细小，显然，加入Cr细化了合金中的Al6(FeMn)相。
表1 实施例1合金成分
元素 Mn Fe Cr(以铝合金熔体为基准) Al
合金A1 1.2％ 0.25％ 0 余量
合金A2 1.2％ 0.25％ 1.0％ 余量
实施例2
一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，步骤为：
1.按铝合金成分配比，具体包括成分及其质量百分比为：Mn 1.8％，Fe 0.4％，余量为Al及杂质，所述的杂质含量≤1.0％，先将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在750-800℃下保温，分批次加入事先准备好的Al-20Mn和Al-10Fe中间合金，保温至少20分钟，并搅拌均匀，保证合金元素Mn和Fe完全熔化到铝熔体中，得到铝合金熔体；然后将铝合金熔体平均分为两个部分，分别为b1和b2，将b1铝合金熔体浇入石墨模具中得到合金B1铸锭；
2.取Al-10Cr中间合金，将Al-10Cr中间合金加入到b2铝合金熔体中，加入量为b2铝合金熔体重量的0.6％，搅拌均匀，保证Al-10Cr中间合金完全熔化到b2铝合金熔体中，然后将铝合金熔体b2浇入石墨模具中得到合金B2铸锭，合金B1和B2成分配比见如表2；
3.将合金B1和B2铸锭冷却后，分别从铸锭上切取金相试样，按照标准金相试样制备程序制备金相试样，并拍摄金相照片，合金B1金相照片如图2(a)所示，合金B2金相照片如图2(b)所示，可见在合金B1中出现了粗大的条块状相和一些汉字状的共晶相，而在合金B2中，出现的是比较细小的共晶相，可以相信，Cr是有效的变质剂，加入Cr有效地改变了十分粗大的条块状相的尺寸和形貌。
表2 实施例2合金成分
元素 Mn Fe Cr(以铝合金熔体为基准) Al
合金B1 1.8％ 0.4％ 0 余量
合金B2 1.8％ 0.4％ 0.6％ 余量
实施例3
一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，步骤为：
1.按铝合金成分配比，具体包括成分及其质量百分比为：Mn 2.4％，Fe 0.7％，余量为Al及杂质，所述的杂质含量≤1.0％，先将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在750-800℃下保温，分批次加入事先准备好的Al-20Mn和Al-10Fe中间合金，保温至少20分钟，并搅拌均匀，保证合金元素Mn和Fe完全熔化到铝熔体中，得到铝合金熔体；然后将铝合金熔体平均分为两个部分，分别为c1和c2，并分别放入两个石墨坩埚中，将装有c1和c2的石墨坩埚置于同一炉子中；
2.取Al-10Cr中间合金，将Al-10Cr中间合金加入到c2铝合金熔体中，加入量为c2铝合金熔体重量的0.35％，搅拌均匀，保证Al-10Cr中间合金完全熔化到c2铝合金熔体中，然后，熔炼炉停止加热，让c1和c2在炉子中随炉冷却并凝固，得到合金B1和B2铸锭，合金C1和C2成分配比见如表3；
3.将合金C1和C2铸锭冷却后，分别从铸锭上切取金相试样，按照标准金相试样制备程序制备金相试样，并拍摄金相照片，合金C1金相照片如图3(a)所示，合金C2金相照片如图3(b)所示，可见在合金C1中出现了大量的粗大的条块状相和一些汉字状的共晶相，这些粗大的条块状相是初生Al6(FeMn)相，而在合金C2中，粗大的块条块状相完全消失，出现的是非常细小的相，可以相信，Cr是有效的变质剂，加入Cr有效地改变了十分粗大的条块状相的尺寸和形貌。
表3 实施例3合金成分
元素 Mn Fe Cr(以铝合金熔体为基准) Al
合金C1 2.4％ 0.7％ 0 余量
合金C2 2.4％ 0.7％ 0.35％ 余量

Claims (3)

1.一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按铝合金成分配比，取铝锭，熔化形成铝熔体，并先后加入锰添加剂或铝锰中间合金和铁添加剂或铝铁中间合金，使二者熔化到铝熔体，形成铝合金熔体；其中，所述的铝合金包括成分及其质量百分比为：Mn 1.2~2.4%，Fe 0.25~0.7%，余量为Al及杂质，所述的杂质含量≤1.0%；
(2)在步骤(1)操作过程中加入变质剂，搅拌均匀，使变质剂完全熔化至铝合金熔体后，浇注形成铝合金铸锭，完成铝合金金属间化合物相的细化；其中，所述的变质剂为含Cr物质，含Cr物质为Cr添加剂或Al-Cr中间合金，所述的变质剂加入量按质量配比为铝合金熔体质量的0.1~1.0%。
2.根据权利要求1所述的一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，Al-Cr中间合金为Al-10wt%Cr中间合金，Cr添加剂为75Cr剂，75Cr剂是一种由75wt%Cr粉和25wt%助熔剂粉末组成的混合物并被压成块状。
3.根据权利要求1所述的一种含锰铁铝合金金属间化合物相的细化方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，金属间化合物相为Al6Mn、Al6(FeMn)、Al6Fe或All5(MnFe)Si2富Mn富Fe的金属间化合物相。
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