CN109439975B - 一种复合变质剂及再生铸造铝合金的复合变质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合变质剂及再生铸造铝合金的复合变质方法，涉及铸造铝合金的变质技术领域。该复合变质剂用于再生铸造铝合金的复合变质，其包括：Mn剂、Al‑B中间合金以及Al‑Sr中间合金，其中Mn剂为Al‑Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为再生铸造铝合金中Fe含量的30％～60％；Al‑B中间合金中的B剂的添加量为再生铸造铝合金的熔体质量的0.01～0.05％，Al‑Sr中间合金的Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％。该复合变质剂可以达到同步细化α‑Al、共晶硅的和富铁相3种相的目的，从而可以提高合金延伸率，特别适用于高铁含量的再生铝硅合金的复合变质。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造铝合金的变质技术领域，且特别涉及一种复合变质剂及再生铸造铝合金的复合变质方法。
背景技术
再生铝是由废旧铝和废铝合金材料或含铝的废料，经重新熔化提炼而得到的铝合金或铝金属，是获得金属铝的一个重要来源。与原铝相比，再生铝单位能耗仅为原铝的5％，三废排放大幅降低，环境、社会效益显著，成为国内外解决铝资源短缺的普遍方法之一。然而，由于我国的废旧铝料分类系统不完善，且国外低品位废料占比达30％以上，造成再生铝的成分非常复杂，尤其是杂质元素种类多且含量超标，产品只能用于低端压铸领域，产品的种类和应用范围受限。Fe是再生铝中最为有害的杂质元素，由于Fe在铝固体中最大溶解度仅为0.05wt.％，超出的Fe元素以富铁相的形式存在，如AlFe3、Al5FeSi、Al8Fe2Si、(MnFe)Al6、(CuFe)Al6等。与铝基体相比，富铁相具有硬度高、脆性大的特点，受力时易发生内部开裂成为裂纹源，极大损害合金塑性。
元素中和变质是改善富铁相形态的重要方法之一，常用的中和元素包括Mn、Cr、Co、Be、Sc、RE等，其中Mn元素具有变质效果好、工艺简单，应用最为广泛。但富铁相形态与分布对Mn的添加量较为敏感，同时还受到其它合金元素、冷却速度和外场等因素的影响，添加量不足易针状富铁相残留，过多则容易形成粗大的初生富铁相，这对再生铝塑性的改善均有不利的影响，富铁相形态的控制难度较大。为了解决这个问题，国内外采用两种不同种类的中和元素，协同变质富铁相的形态，提高富铁相的变质效果和降低富铁相的控制难度。Sreeja Kumari【Sreeja Kumari S SS,Pillai R M,Rajan T P D,et al.Effects ofindividual and combined additions of Be,Mn,Ca and Sr on the solidificationbehaviour,structure and mechanical properties of Al–7Si–0.3Mg–0.8Fe alloy[J].Materials Science&Engineering A,2007,460:561-573.】等研究发现Mn/Sr复合添加同时实现了β-Al8Fe2Si相的细化和共晶硅的变质，但没有涉及到α-Al晶粒的细化；范超【范超,龙思远,吴明放，等.富铈混合稀土对再生铝硅合金组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2014,43(12):3073-3077.】等发现Mn/RE复合添加能有效细化α-Al晶粒和α-Al5FeSi相，延伸率可达10.1％，但没有涉及到共晶硅的变质。张佳虹【张佳虹,邢书明.Al-Si合金变质元素及其交互作用[J].材料导报,2018,32(11):1870-1877.】等综述了Sr、RE同时添加，能有效细化α-Al晶粒和共晶硅，但没有涉及到富铁相的变质。因此，上述三类复合添加变质剂主要解决了Al-Si铸造合金中两种组织的细化和变质，还未涉及能够协同细化α-Al晶粒、共晶硅和富铁相等3种组织的变质剂及变质方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合变质剂，该复合变质剂可以达到同步细化α-Al、共晶硅的和富铁相3种相的目的，从而可以提高合金延伸率，特别适用于高铁含量的再生铝硅合金的复合变质。
本发明的另一目的在于提供一种再生铸造铝合金的复合变质方法，该方法主要利用上述的复合变质剂进行变质。因此，该方法通过复合变质，可以达到同步细化α-Al、共晶硅的和富铁相3种相的目的，从而可以提高合金延伸率，特别适用于高铁含量的再生铝硅合金的复合变质。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种复合变质剂，用于再生铸造铝合金的复合变质，其包括：
Mn剂、Al-B中间合金以及Al-Sr中间合金，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为再生铸造铝合金中Fe含量的30％～60％；Al-B中间合金中的B剂的添加量为再生铸造铝合金的熔体质量的0.01～0.05％，Al-Sr中间合金的Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％。
本发明提出一种再生铸造铝合金的复合变质方法，其利用上述的复合变质剂进行复合变质。
本发明实施例的复合变质剂及再生铸造铝合金的复合变质方法的有益效果是：
本发明的实施例提供的复合变质剂，用于再生铸造铝合金的复合变质，其包括：Mn剂、Al-B中间合金以及Al-Sr中间合金，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为再生铸造铝合金中Fe含量的30％～60％；Al-B中间合金中的B剂的添加量为再生铸造铝合金的熔体质量的0.01～0.05％，Al-Sr中间合金的Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％。其中，Mn剂、B和Sr均为常用的合金元素，价格低廉且容易获取，因此该复合变质剂具有低成本的特质。并且，Mn剂的作用是一方面可以置换富铁相中的Fe原子，从而改变富铁相的晶体结构和生长方向，改善富铁相的形态；另一方面可提高富铁相的形成温度，改变了富铁相的凝固顺序，使富铁相的形成温度由原来的α-Al和共晶硅形成温度之间提高至略高于α-Al基体，同时，形成的大量Al(MnFe)Si四元高温质点可充当α-Al的异质形核的核心。但由于富铁相的形态和尺寸温度受到Mn的添加量、其它合金元素含量及冷却速度等因素的影响，Mn的添加量一直还未得到行业内公认。为了解决这个问题，本发明通过添加B元素，B作为一种表面活性元素，在富铁相形核和长大过程中易吸附在质点表面，有效地减缓Mn元素置换和富铁相的长大，从而达到细化富铁相的和α-Al的目的；Sr主要起变质共晶硅的作用，通过添加适量的B元素不仅不会毒化Sr的共晶硅变质作用，同时能够获得细小α-Al晶粒和共晶硅，但Sr/B添加的质量比非常关键，需严格控制。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时α-Al基体、细化共晶硅组织，还能细化Al-Si合金中的主要杂质相，这对提高铸造铝合金的强韧性具有显著的作用。
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复合变质剂及再生铸造铝合金的复合变质方法进行具体说明。
一种复合变质剂，用于再生铸造铝合金的复合变质，其包括：
Mn剂、Al-B中间合金以及Al-Sr中间合金，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为再生铸造铝合金中Fe含量的30％～60％；Al-B中间合金中的B剂的添加量为再生铸造铝合金的熔体质量的0.01～0.05％，Al-Sr中间合金的Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％。
详细地，Mn剂、B和Sr均为常用的合金元素，价格低廉且容易获取，因此该复合变质剂具有低成本的特质。
一种再生铸造铝合金的复合变质方法，其利用上述的复合变质剂进行复合变质。
详细地，Mn剂的作用是一方面可以置换富铁相中的Fe原子，从而改变富铁相的晶体结构和生长方向，改善富铁相的形态；另一方面可提高富铁相的形成温度，改变了富铁相的凝固顺序，使富铁相的形成温度由原来的α-Al和共晶硅形成温度之间提高至略高于α-Al基体，同时，形成的大量Al(MnFe)Si四元高温质点可充当α-Al的异质形核的核心。但由于富铁相的形态和尺寸温度受到Mn的添加量、其它合金元素含量及冷却速度等因素的影响，Mn的添加量一直还未得到行业内公认。为了解决这个问题，本发明通过添加B元素，B作为一种表面活性元素，在富铁相形核和长大过程中易吸附在质点表面，有效地减缓Mn元素置换和富铁相的长大，从而达到细化富铁相的和α-Al的目的；Sr主要起变质共晶硅的作用，通过添加适量的B元素不仅不会毒化Sr的共晶硅变质作用，同时能够获得细小α-Al晶粒和共晶硅，但Sr/B添加的质量比非常关键，需严格控制。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时α-Al基体、细化共晶硅组织，还能细化Al-Si合金中的主要杂质相，这对提高铸造铝合金的强韧性具有显著的作用。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，再生铸造铝合金的复合变质方法包括：
将工业废旧铝料熔化得到初始再生铝熔体；
将初始再生铝熔体转移至合金化炉中，取样测试初始再生铝熔体的实际合金成分；
调整初始再生铝熔体的主要合金成分达到设计要求后得到成分调整后的再生铝熔体；
根据成分调整后的再生铝熔体中的Fe含量以及熔体质量确定复合变质剂的各成分用量，并依次将复合变质剂的各成分与调整后的再生铝熔体混合。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，根据调整后的再生铝熔体中的Fe含量以及熔体质量确定复合变质剂的各成分用量，并依次将复合变质剂的各成分与调整后的再生铝熔体混合的步骤具体包括：
根据调整后的再生铝熔体中的Fe的实际成分配比复合变质剂的Mn剂的用量；
用铝箔把Mn剂包好并加入成分调整后的再生铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌铝熔体；
调整铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的Al-B中间合金加入铝熔体中，并用钛制工具将其压入铝熔体内部，并缓慢搅拌铝熔体；
调整铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的Al-Sr中间合金加入铝熔体，并用钛制工具将其压入铝熔体内部，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布；
将均匀分布后的熔体引入铸锭机或中间包，制备得到再生铝合金锭或铸件。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将工业废旧铝料熔化得到初始再生铝熔体的步骤具体包括：
将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至650℃～700℃，熔化炉料得到初始再生铝熔体。当然，在本发明的其他实施例中，加热的温度还可以根据需求进行选择与调整，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将初始再生铝熔体转移至合金化炉中，取样测试初始再生铝熔体的实际合金成分的步骤具体包括：
待熔化炉内的炉料全部熔化后，将初始再生铝熔体转移至合金化炉，将初始再生铝熔体温度提高至760～800℃，取样测试熔体的实际合金成分。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，调整铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的Al-B中间合金加入铝熔体中的步骤中，铝熔体的温度为700～720℃。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在将铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到再生铝合金锭或铸件的步骤具体包括：
将铝熔体静置30～60min后将熔体引入铸锭机或者中间包，制备再生铝合金锭或铸件。
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。
本发明的实施例材料选用牌号为YL113再生铝合金，其实测化学成分见表1。
表1实施例选用合金的化学成分(wt.％)
| 合金牌号 | Si | Fe | Mg | Mn | Cu | RE | Zn | 其它 | Al |
| YL113 | 10.61 | 1.05 | 0.08 | 0.016 | 2.69 | / | 0.786 | ≤0.15 | 余量 |
实施例1
本实施例提供了一种再生铸造铝合金的复合变质方法，包括：
S1：将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至650℃，熔化炉料；
S2：待炉料全部熔化后，将再生铝熔体转移至合金化炉，将熔体温度提高至760℃，取样测试熔体的实际合金成分；
S3：调整再生铝熔体主要合金成分达到YL113的要求，并根据Fe的实际成分配比Mn的含量，用铝箔把Mn剂包好并加入熔体中，Mn/Fe质量比为0.6，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
S4：将熔体转移至保温精炼炉，调整熔体温度至710℃，把经过预热、铝箔包好的Al-B加入铝熔体中，B的添加量为熔体重量的0.03％，并用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体。
S5：对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后将用铝箔包好的Al-Sr加入铝熔体中，Sr的加入量为熔体质量的0.03％。用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体使其均匀分布。
S6：熔体静置60分钟后将熔体引入铸锭机，制备再生铝合金锭。
变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸锭取样并用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。
实施例2
本实施例提供了一种再生铸造铝合金的复合变质方法，包括：
S1：将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至700℃，熔化炉料；
S2：待炉料全部熔化后，将再生铝熔体转移至合金化炉，将熔体温度提高至780℃，取样测试熔体的实际合金成分；
S3：调整再生铝熔体主要合金成分达到YL113的要求，并根据Fe的实际成分配比Mn的含量，用铝箔把Mn剂包好并加入熔体中，Mn/Fe质量比为0.4，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
S4：将熔体转移至保温精炼炉，调整熔体温度至700℃，把经过预热、铝箔包好的Al-B加入铝熔体中，B的添加量为熔体重量的0.04％，并用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体。
S5：对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后将用铝箔包好的Al-Sr加入铝熔体中，Sr的加入量为熔体质量的0.02％。用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体使其均匀分布。
S6：熔体静置30分钟后将熔体引入铸锭机，制备再生铝合金锭。
变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸锭取样并用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。
实施例3
本实施例提供了一种再生铸造铝合金的复合变质方法，包括：
S1：将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至675℃，熔化炉料；
S2：待炉料全部熔化后，将再生铝熔体转移至合金化炉，将熔体温度提高至770℃，取样测试熔体的实际合金成分；
S3：调整再生铝熔体主要合金成分达到YL113的要求，并根据Fe的实际成分配比Mn的含量，用铝箔把Mn剂包好并加入熔体中，Mn/Fe质量比为0.5，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
S4：将熔体转移至保温精炼炉，调整熔体温度至710℃，把经过预热、铝箔包好的Al-B加入铝熔体中，B的添加量为熔体重量的0.01％，并用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体。
S5：对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后将用铝箔包好的Al-Sr加入铝熔体中，Sr的加入量为熔体质量的0.04％。用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体使其均匀分布。
S6：熔体静置40分钟后将熔体引入中间包，制备再生铝合金铸件。
变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸件取样并用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。
实施例4
本实施例提供了一种再生铸造铝合金的复合变质方法，包括：
S1：将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至680℃，熔化炉料；
S2：待炉料全部熔化后，将再生铝熔体转移至合金化炉，将熔体温度提高至800℃，取样测试熔体的实际合金成分；
S3：调整再生铝熔体主要合金成分达到YL113的要求，并根据Fe的实际成分配比Mn的含量，用铝箔把Mn剂包好并加入熔体中，Mn/Fe质量比为0.3％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
S4：将熔体转移至保温精炼炉，调整熔体温度至710℃，把经过预热、铝箔包好的Al-B加入铝熔体中，B的添加量为熔体重量的0.02％，并用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体。
S5：对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后将用铝箔包好的Al-Sr加入铝熔体中，Sr的加入量为熔体质量的0.05％。用钛制工具将其压入熔体内部，缓慢搅拌熔体使其均匀分布。
S6：熔体静置50分钟后将熔体引入中间包，制备再生铝合金铸件。
变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸件取样并用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。
实施例1～4再生铝合金经复合变质后化学成分见表2。
表2实施例1～4复合变质后合金的成分
| 合金牌号 | Si | Fe | Mg | Mn | Cu | B | Zn | Sr | 其它 | Al |
| 实施例1 | 10.5 | 1.03 | 0.08 | 0.62 | 2.59 | 0.0278 | 0.76 | 0.026 | ≤0.15 | 余量 |
| 实施例2 | 10.7 | 1.01 | 0.06 | 0.39 | 2.61 | 0.0356 | 0.75 | 0.07 | ≤0.15 | 余量 |
| 实施例3 | 10.6 | 0.99 | 0.07 | 0.51 | 2.67 | 0.0086 | 0.74 | 0.036 | ≤0.15 | 余量 |
| 实施例4 | 10.4 | 0.96 | 0.05 | 0.32 | 2.58 | 0.016 | 0.76 | 0.043 | ≤0.15 | 余量 |
实施例1～4再生铝合金复合变质前后铸态组织特征数据统计表3。
表3实施例1～4复合变质前后的组织特征数据统计
| 实施例 | 二次枝晶间距 | 共晶硅面积 | 共晶硅圆整 | 富铁相长宽 |
| 变质前 | 11.6 | 18.2 | 4.34 | 11.7 |
| 1 | 7.6 | 7.9 | 2.51 | 2.69 |
| 2 | 8.1 | 7.3 | 2.49 | 2.58 |
| 3 | 7.3 | 8.2 | 2.46 | 2.96 |
| 4 | 8.6 | 6.5 | 2.37 | 3.12 |
实施例1～4再生铝合金复合变质前后的铸态力学性能见表4。
表4实施例1～4复合变质后合金的铸态力学性能
| 实施例 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 变质前YL113 | 240 | 1.5 |
| 1 | 280 | 5.5 |
| 2 | 275 | 4.8 |
| 3 | 272 | 4.3 |
| 4 | 285 | 4.6 |
根据表1的显示可知，该复合变质剂可以达到同步细化α-Al、共晶硅的和富铁相3种相的目的，从而可以提高合金延伸率，特别适用于高铁含量的再生铝硅合金的复合变质。该方法通过复合变质，可以达到同步细化α-Al、共晶硅的和富铁相3种相的目的，从而可以提高合金延伸率，特别适用于高铁含量的再生铝硅合金的复合变质。
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。
Claims (8)
1.一种复合变质剂，用于再生铸造铝合金的复合变质，其特征在于，其包括：
Mn剂、Al-B中间合金以及Al-Sr中间合金，其中所述Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，所述Mn剂的添加比例为所述再生铸造铝合金中Fe含量的30％～60％；所述Al-B中间合金中的B剂的添加量为所述再生铸造铝合金的熔体质量的0.01～0.05％，所述Al-Sr中间合金的Sr的添加量为所述熔体质量的0.01～0.05％；
所述Mn剂、所述Al-B中间合金以及所述Al-Sr中间合金共同作用用于同时细化α-Al基体、共晶硅组织以及富铁相。
2.一种再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于：
所述再生铸造铝合金的复合变质方法利用权利要求1所述的复合变质剂进行复合变质。
3.根据权利要求2所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于，所述再生铸造铝合金的复合变质方法包括：
将工业废旧铝料熔化得到初始再生铝熔体；
将所述初始再生铝熔体转移至合金化炉中，取样测试所述初始再生铝熔体的实际合金成分；
调整所述初始再生铝熔体的主要合金成分达到设计要求后得到成分调整后的再生铝熔体；
根据所述成分调整后的再生铝熔体中的Fe含量以及熔体质量确定所述复合变质剂的各成分用量，并依次将所述复合变质剂的各成分加入所述调整后的再生铝熔体中。
4.根据权利要求3所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于，根据所述调整后的再生铝熔体中的Fe含量以及熔体质量确定所述复合变质剂的各成分用量，并依次将所述复合变质剂的各成分加入所述调整后的再生铝熔体中的步骤具体包括：
根据所述调整后的再生铝熔体中的Fe的实际成分配比所述复合变质剂的所述Mn剂的用量；
用铝箔把所述Mn剂包好并加入所述成分调整后的再生铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌铝熔体；
调整所述铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的所述Al-B中间合金加入所述铝熔体中，并用钛制工具将其压入所述铝熔体内部，并缓慢搅拌所述铝熔体；
调整铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的所述Al-Sr中间合金加入所述熔体，并用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后缓慢搅拌熔体使其均匀分布；
将均匀分布后的所述铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到再生铝合金锭或铸件。
5.根据权利要求4所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于，将工业废旧铝料熔化得到所述初始再生铝熔体的步骤具体包括：
将工业废旧铝料投入熔化炉内，并将炉料加热至650℃～700℃，熔化炉料得到所述初始再生铝熔体。
6.根据权利要求5所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于，将所述初始再生铝熔体转移至合金化炉中，取样测试所述初始再生铝熔体的实际合金成分的步骤具体包括：
待所述熔化炉内的炉料全部熔化后，将所述初始再生铝熔体转移至所述合金化炉，将所述初始再生铝熔体温度提高至760～800℃，取样测试熔体的实际合金成分。
7.根据权利要求6所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于：
调整所述铝熔体的温度，将用铝箔包裹且预热后的所述Al-B中间合金加入所述铝熔体中的步骤中，所述铝熔体的温度为700～720℃。
8.根据权利要求7所述的再生铸造铝合金的复合变质方法，其特征在于，在将所述铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到所述再生铝合金锭或所述铸件的步骤具体包括：
将所述铝熔体静置30～60min后将铝熔体引入铸锭机或者中间包，制备再生铝合金锭或铸件。
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