CN109385544A - 铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铸造铝硅合金用Al‑M‑B晶粒细化剂及其制备方法。铸造铝硅合金用Al‑M‑B细化剂成分为85.0～96.0％的Al，3.5～10.0％的M，0.5～5.0％的B，其含有细化质点物相MAl3及MB2，Al‑M‑B晶粒细化剂采用原料为Al块、K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉，采用氟盐法制备，通过熔炼制备Al‑M‑B合金。本发明制备的Al‑M‑B细化剂，可将高硅铝合金合金中α‑Al的晶粒尺寸细化至700微米以下，最优可达200微米以下；减少了Nb用量，降低了原料成本；性能持久，不易沉降失效，保温2小时细化效果仍可小于350微米；制备所需设备条件简单，操作方便，适于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料添加剂及其制备方法，特别是涉及一种铸造铝硅合金用细化剂及其制备方法，应用于铝合金冶炼技术领域。
背景技术
铸造铝硅合金由于良好的力学性能和优良的铸造性能在工业中得到广泛应用。对合金进行晶粒细化，可获得致密的合金组织，同时也能减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而可以提高合金的综合性能。最常用且有效的细化方法是添加晶粒细化剂，其中Al-5Ti-B细化剂已得到广泛应用。然而，该细化剂不适用于细化高硅含量铝硅合金(大于5％Si),主要原因是硅元素与钛元素相互作用而形成毒害钛硅化物，使细化剂失效。
近期出现的Al-Nb-B细化剂可有效细化高硅含量铝硅合金。原因之一是Nb与Si的相互作用弱于Ti与Si的相互作用，使得毒害铌硅化物不易形成，从而保持了Al-Nb-B细化剂的细化效果。然而，Nb相对原子质量大，是Ti的近2倍，使NbAl3、NbB2等细化质点易沉降失效，出现显著的细化衰退现象。此外，用于制备Al-Nb-B细化剂的Nb粉价格昂贵，提高了Al-Nb-B细化剂的细化成本。例如：对于Al-5Ti-B、Al-5Nb-B细化剂，若分别采用的原料为K2TiF6(粉，99.5％，169元/500g，阿拉丁)和Nb粉(99.5％，大于200目(75微米)，1995元/500g,阿拉丁)，且添加量为1000ppm，则每细化一吨铝合金时，后者比前者多花2300元)。
随着汽车轻量化的推进，常规铸造铝硅合金使用量持续上升，因此迫切需要一种能有效细化高硅含量铝硅合金，且细化成本低的晶粒细化剂，这成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂及其制备方法，以解决目前商用Al-5Ti-B细化剂对铸造铝硅合金细化效果差，商用Al-5Nb-B细化剂中Nb含量高导致易沉降失效、成本高的技术问题。本发明通过往晶粒细化剂中同时引入Ti、Nb，以综合Al-Ti-B、Al-Nb-B细化剂的优点，最终获得能有效细化高硅含量铝硅合金且细化成本低的Al-M-B细化剂。本发明制备的Al-M-B细化剂，能实现Al-Si合金中α-Al的晶粒尺寸细化，减少了Nb用量，降低了原料成本；性能持久，不易沉降失效，制备方法所需设备条件简单，操作方便，适于工业生产。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，添加Al-M-B晶粒细化剂，对铸造铝硅合金的晶粒尺寸进行细化调控，M为Ti和Nb，形成Al-Ti-B和Al-Nb-B混合材料体系，按照Al-M-B晶粒细化剂的各化学元素组成的总和为100％计算，Al-M-B晶粒细化剂的化学元素组成及其质量百分比如下：
Al：85.0～96.0％；
M：3.5～10.0％；
B：0.5～5.0％。
作为本发明优选的技术方案，所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂含有一定质量百分数的细化质点物相MAl3及MB2，其余为铝固溶体α-Al，所述细化质点物相的质量百分比不低于6.0％，细化质点物相MAl3及MB2能弥散分布于铸造铝硅合金中。
上述细化质点物相的质量百分比优选不低于7.5％。
作为本发明优选的技术方案，上述细化质点物相为颗粒尺寸不大于30微米的细化质点颗粒，且弥散分布于α-Al基体中。
作为本发明优选的技术方案，上述MAl3颗粒尺寸不大于20微米，上述MB2颗粒尺寸不大于2微米。
作为本发明优选的技术方案，将所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂添加到Si质量百分比含量不低于5.0wt.％的高硅含量铝硅合金中，使高硅含量铝硅合金中的α-Al的晶粒尺寸细化至不大于700微米。
一种本发明铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，采用氟盐法，其步骤如下：
a.原料准备：
按照权利要求1所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的化学元素组成及其质量百分比配方进行配料；采用KBF4粉作为B源材料，采用K2TiF6粉作为Ti源材料，分别称取Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉作为原料，并按照Ti、Nb和B的收得率皆不低于75％的标准，额外称取K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉作为烧损而补充原料部分；在进行原料准备时，优选按照Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉的质量百分比为(97.2～99.4)：(10.8～19.4)：(11～22.3)：(2.2～4.3)的比例称取各原料；在进行原料准备时，进一步优选按照Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉的质量百分比为(98.7～99.4)：(14～19.4)：(12.5～22.3)：(2.5～4.3)的比例称取各原料；
b.Al-M-B合金的熔炼：
进行在所述步骤a中称量的原料混合，将Al块于750～850℃下进行熔化，得到铝熔体；然后将K2TiF6粉、Nb粉、KBF4粉混匀后加入铝熔体中，搅拌至少20秒；然后在90～120分钟的Al-M-B合金的熔炼时间内，按照每次间隔不超过30分钟时长进行一次搅拌至少20秒，得到Al-M-B合金的熔炼熔体；然后捞净Al-M-B合金的熔炼熔体中的浮渣后，将Al-M-B合金液浇铸于预热的铸铁模具中，通过铸造得到Al-M-B合金材料。作为本发明优选的技术方案，在进行Al-M-B合金的熔炼时，将K2TiF6粉、Nb粉、KBF4粉混匀后加入铝熔体中，搅拌至少60秒；然后在Al-M-B合金的熔炼时间内，按照每次间隔不超过15分钟时长进行一次搅拌至少30秒，得到Al-M-B合金的熔炼熔体；然后捞净Al-M-B合金的熔炼熔体中的浮渣后，将Al-M-B合金液浇铸于不低于250℃预热的铸铁模具中，通过铸造得到Al-M-B合金材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明Al-M-B细化剂能将Al-Si合金中的α-Al的晶粒尺寸从大于1000微米细化至700微米以下，最优可达200微米以下；
2.本发明Al-M-B细化剂的细化效果好，优于商用Al-5Ti-B合金细化铝硅合金的大于1000微米晶粒尺寸的细化晶粒能力，且Nb含量比商用Al-5Nb-B中的低，降低了原料成本；
3.本发明Al-M-B细化剂性能持久，不易沉降失效，可实现保温2小时的细化效果仍达＜350微米；
4.本发明制备工艺与电弧熔炼相比，不需要气氛保护，所需设备条件简单，操作方便，适合工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例一铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的XRD图谱。
图2为本发明实施例一铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的显微组织照片。
图3为添加本发明实施例一铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂后的Al-10Si合金的金相组织照片。
图4为未添加细化剂的Al-10Si合金金相组织照片。
图5为添加商用Al-5Ti-B细化剂的Al-10Si合金金相组织照片。
图6为添加商用Al-5Nb-B细化剂的Al-10Si合金金相组织照片。
图7为本发明实施例二铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的XRD图谱。
图8为本发明实施例二铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的显微组织照片。
图9为添加本发明实施例二铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂后的Al-10Si合金的金相组织照片。
图10为本发明实施例三铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的XRD图谱。
图11为本发明实施例三铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的显微组织照片。
图12为添加本发明实施例三铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂后的Al-10Si合金的金相组织照片。
图13为添加本发明实施例三铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂并经不同保温时长的Al-10Si合金金相组织照片对比图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一
在本实施例中，参见图1～图3，一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，采用氟盐法，其步骤如下：
a.原料准备：
采用KBF4粉作为B源材料，采用K2TiF6粉作为Ti源材料，分别称取Al块98.7克，K2TiF6粉12.5克，Nb粉2.5克和KBF4粉14.0克作为原料，已经称取的原料中已经包含按照Ti、Nb和B的收得率不低于75％的标准进行额外称取K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉作为烧损而补充原料部分；
b.Al-M-B合金的熔炼：
进行在所述步骤a中称量的原料混合，将Al块于800℃下进行熔化，得到铝熔体；然后将K2TiF6粉、Nb粉、KBF4粉混匀后加入铝熔体中，搅拌60秒；然后在120分钟的Al-M-B合金的熔炼时间内，按照每次间隔不超过15分钟时长进行一次搅拌30秒，得到Al-M-B合金的熔炼熔体；然后捞净Al-M-B合金的熔炼熔体中的浮渣后，将Al-M-B合金液浇铸于250℃预热的铸铁模具中，通过铸造得到Al-M-B合金材料。
实验测试分析：
采用X射线衍射、Rietveld精修分析本实施例制备细化剂的显微组织，如图1所示，其物相组成为91.3wt.％的α-Al、3.7wt.％的MAl3及5.0wt.％的MB2。采用扫描电子显微镜及能谱仪分析本实施例制备Al-M-B细化剂的显微组织，如图2所示，MAl3颗粒尺寸为小于10微米，呈不规则形状分布于合金中；MB2颗粒尺寸为1微米，呈不规则形状弥散分布于合金中。
进行Al-M-B细化剂作为铸造铝硅合金用细化剂的性能测试，具体铝硅合金的铸造方法包括以下步骤：
步骤1)：将150克待细化的Al-10Si合金在石墨坩埚中经电阻炉加热熔化后，熔体升温至800℃；
步骤2)：按照最终体系中含M的总量为0.1wt.％向熔体投入本实施例制备Al-M-B合金3.06克，立即搅拌1min；
步骤3)：从添加本实施例制备Al-M-B合金开始计算，保温30min，再降温至740℃后，浇铸于经250℃预热的Ф30mm铸铁模具中。
作为对比，采用同样的铸造工艺制备了未添加和添加商用Al-5Ti-B、Al-5Nb-B合金的Al-10Si合金，其金相组织分别如图4、图5和图6所示，未添加和添加Al-5Ti-B的Al-10Si合金的铝晶粒尺寸大于1000微米。根据GB/T3246.2-2012，由平均截距法计算可知，添加Al-5Nb-B的Al-10Si合金晶粒尺寸为348微米。Al-10Si合金经本实施例制备Al-M-B细化剂处理后的金相组织如图3所示，添加本实施例制备Al-M-B后，α-Al的晶粒尺寸减小至525微米，优于商用Al-5Ti-B合金的细化效果，略差于商用Al-5Nb-B合金的细化效果。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图7～图9，一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，采用氟盐法，其步骤如下：
a.原料准备：
采用KBF4粉作为B源材料，采用K2TiF6粉作为Ti源材料，分别称取Al块99.4克，K2TiF6粉22.3克，Nb粉2.2克和KBF4粉19.4克作为原料，已经称取的原料中已经包含按照Ti、Nb和B的收得率皆不低于75％的标准进行额外称取K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉作为烧损而补充原料部分；
b.本步骤与实施例一相同。
实验测试分析：
采用X射线衍射、Rietveld精修分析本实施例制备细化剂的显微组织，如图7所示，其物相组成为91.7％的α-Al、3.5％的MAl3及4.8％的MB2。采用扫描电子显微镜及能谱仪分析本实施例制备Al-M-B细化剂的显微组织，如图8所示，MAl3颗粒尺寸小于20微米，呈不规则形状弥散分布于合金中；MB2颗粒尺寸为1微米，呈不规则形状弥散分布于合金中。
本实施例制备Al-M-B细化剂作为铸造铝硅合金用细化剂的性能测试方法与实施例1相同。Al-10Si合金经本实施例制备Al-M-B细化剂细化后的金相组织如图9所示，添加本实施例制备Al-M-B细化剂后晶粒尺寸减小至692微米，优于商用Al-5Ti-B合金的细化效果，差于商用Al-5Nb-B合金的细化效果。
实施例三
本实施例前述与实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图10～图13，一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，采用氟盐法，其步骤如下：
a.原料准备：
采用KBF4粉作为B源材料，采用K2TiF6粉作为Ti源材料，分别称取Al块97.2克，K2TiF6粉11.0克，Nb粉4.3克和KBF4粉10.8克作为原料，已经称取的原料中已经包含按照Ti、Nb和B的收得率皆不低于75％的标准进行额外称取K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉作为烧损而补充原料部分；
b.本步骤与实施例一相同。
实验测试分析：
采用X射线衍射及能谱仪分析本实施例制备Al-M-B细化剂的显微组织，如图10所示，其物相组成为92.5％的α-Al、5.9％的MAl3及1.6％的MB2。采用扫描电子显微镜分析本实施例制备Al-M-B细化剂的显微组织，如图11所示，MAl3颗粒尺寸小于20微米，呈不规则形状弥散分布于合金中；MB2颗粒尺寸1微米，呈不规则形状弥散分布于合金中。
本实施例制备Al-M-B细化剂作为铸造铝硅合金用细化剂的性能测试方法与实施例1相同。Al-10Si合金经本实施例制备Al-M-B细化剂细化后的金相组织如图12所示，添加本实施例制备Al-M-B细化剂后晶粒尺寸减小至193微米，优于商用Al-5Ti-B、Al-5Nb-B的细化效果。
额外采用本实施例制备的Al-M-B晶粒细化剂进行失效试验，其试验步骤基本与实施例1相同，不同之处在于：按照最终体系中含Ti、Nb的总量为0.05wt.％向熔体投入本实施例制备Al-M-B细化剂；从添加本实施例制备Al-M-B细化剂开始计算，分别保温1小时、2小时和3小时。添加本实施例制备Al-M-B细化剂并经不同保温时长的Al-10Si合金金相组织如图13所示，本实施例制备Al-M-B细化剂在2小时内仍能保持较好的细化效果，小于350微米，3小时的细化效果减弱至879微米。
本发明铸造铝硅合金用细化剂制备方法采用氟盐法制备Al-M-B细化剂，原料为Al块、K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉，原料易于获取并且成本较低。本发明上述实施例制备的Al-M-B细化剂，可将Al-10Si合金中α-Al的晶粒尺寸细化至700微米以下，最优可达200微米以下；减少了Nb用量，降低了原料成本；性能持久，不易沉降失效，保温2小时的细化效果仍可小于350微米；制备所需设备条件简单，操作方便，适于工业生产。本发明上述实施例方法根据Ti、Nb原子性质相近的特点，综合了TiAl3、NbAl3；TiB2、NbB2细晶相的晶体结构相同并可混溶的特性。因此，通过往晶粒细化剂中同时引入Ti、Nb，以综合Al-Ti-B、Al-Nb-B细化剂的优点，最终获得能有效细化高硅含量铝硅合金且细化成本低的Al-M-B细化剂。将上述实施例方法制备的添加到Si质量百分比含量高于5.0wt.％的高硅含量铝硅合金中，使高硅含量铝硅合金中的α-Al的晶粒尺寸细化至低于700微米的水平，能实现较低成本的高硅含量铝硅合金的制备。本发明上述实施例方法制备的铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，含有一定质量百分数的细化质点物相MAl3及MB2，其余为铝固溶体α-Al，所述细化质点物相的质量百分比高于6.0％，细化质点物相MAl3及MB2能弥散分布于铸造铝硅合金中，且弥散分布于α-Al基体中，保证细化晶粒的效果，并防止沉降失效，具有较低的成本。本发明上述实施例制备工艺与电弧熔炼相比，不需要气氛保护，所需设备条件简单，操作方便，适合工业生产。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，添加Al-M-B晶粒细化剂，对铸造铝硅合金的晶粒尺寸进行细化调控，其特征在于，M为Ti和Nb，形成Al-Ti-B和Al-Nb-B混合材料体系，按照Al-M-B晶粒细化剂的各化学元素组成的总和为100％计算，Al-M-B晶粒细化剂的化学元素组成及其质量百分比如下：
Al：85.0～96.0％；
M：3.5～10.0％；
B：0.5～5.0％。
2.根据权利要求1所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，其特征在于：含有一定质量百分数的细化质点物相MAl3及MB2，其余为铝固溶体α-Al，所述细化质点物相的质量百分比不低于6.0％，细化质点物相MAl3及MB2能弥散分布于铸造铝硅合金中。
3.根据权利要求2所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，其特征在于：所述细化质点物相的质量百分比不低于7.5％。
4.根据权利要求2所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，其特征在于：细化质点物相为颗粒尺寸不大于30微米的细化质点颗粒，且弥散分布于α-Al基体中。
5.根据权利要求4所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，其特征在于：MAl3颗粒尺寸不大于20微米，MB2颗粒尺寸不大于2微米。
6.根据权利要求1所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂，其特征在于：将其添加到Si质量百分比含量不低于5.0wt.％的高硅含量铝硅合金中，使高硅含量铝硅合金中的α-Al的晶粒尺寸细化至不大于700微米。
7.一种权利要求1所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，其特征在于，采用氟盐法，其步骤如下：
a.原料准备：
按照权利要求1所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的化学元素组成及其质量百分比配方进行配料；采用KBF4粉作为B源材料，采用K2TiF6粉作为Ti源材料，分别称取Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉作为原料，并按照Ti、Nb和B的收得率皆不低于75％的标准，额外称取K2TiF6粉、Nb粉和KBF4粉作为烧损而补充原料部分；
b.Al-M-B合金的熔炼：
进行在所述步骤a中称量的原料混合，将Al块于750～850℃下进行熔化，得到铝熔体；然后将K2TiF6粉、Nb粉、KBF4粉混匀后加入铝熔体中，搅拌至少20秒；然后在90～120分钟的Al-M-B合金的熔炼时间内，按照每次间隔不超过30分钟时长进行一次搅拌至少20秒，得到Al-M-B合金的熔炼熔体；然后捞净Al-M-B合金的熔炼熔体中的浮渣后，将Al-M-B合金液浇铸于预热的铸铁模具中，通过铸造得到Al-M-B合金材料。
8.根据权利要求7所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，进行原料准备时，按照Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉的质量百分比为(97.2～99.4)：(10.8～19.4)：(11～22.3)：(2.2～4.3)的比例称取各原料。
9.根据权利要求8所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，进行原料准备时，按照Al块、KBF4粉、K2TiF6粉、Nb粉的质量百分比为(98.7～99.4)：(14～19.4)：(12.5～22.3)：(2.5～4.3)的比例称取各原料。
10.根据权利要求7所述铸造铝硅合金用Al-M-B晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，进行Al-M-B合金的熔炼时，将K2TiF6粉、Nb粉、KBF4粉混匀后加入铝熔体中，搅拌至少60秒；然后在Al-M-B合金的熔炼时间内，按照每次间隔不超过15分钟时长进行一次搅拌至少30秒，得到Al-M-B合金的熔炼熔体；然后捞净Al-M-B合金的熔炼熔体中的浮渣后，将Al-M-B合金液浇铸于不低于250℃预热的铸铁模具中，通过铸造得到Al-M-B合金材料。
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