CN109487107B - 一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质方法，涉及铸造铝合金的复合变质领域。该复合变质剂包括Mn剂、Al‑RE中间合金和Al‑Sr中间合金组成，其中Mn剂为Al‑Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为铸造铝合金中Fe含量的30％～90％；Al‑RE中间合金中的RE的添加量为铸造铝合金熔体质量的0.05～0.2％；Al‑Sr中间合金中的Sr添加量为熔体质量的0.02～0.05％。该复合变质剂特别适用于低Fe含量的高强韧铸造铝硅合金和高铁含量的压铸铝硅合金，该复合变质剂可达到α‑Al、共晶硅的和富铁相3种组织的同步细化，从而提高合金延伸率。

Description

一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质 方法

技术领域

本发明涉及铸造铝合金变质技术领域，且特别涉及一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质方法。

背景技术

Al-Si系列铸造铝合金具有铸造性能好、收缩率及热膨胀系数低，良好焊接性和耐蚀性等优点，广泛应用于汽车摩托车、航空航天、通讯及电子电器等领域。Fe是铸造铝合金中最为常见的杂质元素之一，其含量随着铝合金循环次数的增加而逐步提高。由于Fe在铝合金中的溶解度很低，形成的富铁相具有硬度高、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，是一种有害相。Al₅FeSi(称为β-Fe相)、Al₈Fe₂Si(称为α-Fe相)是Al-Si铸造合金中最为常见的两类富铁相，其中β-Fe相以狭长针状的分布在晶界中，对塑性危害最大。而α-Fe相呈汉字状，割裂效应显著降低，大幅改善合金塑性，同时可作为基体耐磨相、高温相等，危害性大幅降低。因此，富铁相变质成为缓解Fe元素危害，改善铸造Al-Si铝合金强韧性的有效途径之一。

国内外对富铁相的变质做了大量有益的研究，其中加Mn法具有工艺简单、成本低、效果显著，工业上最为常用。但Mn的添加量在行业内还存在较大的争议。单独加Mn时，极易造成富铁相未完全变质或形成了粗大的初生富铁相的后果，影响合金塑性的改善。近年来，国内外研究者采用两种合金元素复合变质，取得了良好的效果。宋东福【宋东福,周楠,徐静,等.复合添加Mn、B对铝硅合金富铁相特征的影响[J].稀有金属材料与工程,2016,45(8):2133-2138.】通过在含铁的铝硅铸造铝合金中添加Mn、B，获得了细小，且均匀分布的树枝状富铁相，同时促进α-Al晶粒由树枝晶转向等轴晶，富铁相和α-Al的细化和变质效果十分显著，但对共晶硅相的细化无明显的作用。Birol【Birol Y.Grain refinement andmodification of Al–Si foundry alloys with B and Sr additions[J].MaterialsScience&Technology,2014,30(10):1154-1161.】证实了适量地复合添加Sr和B可同时实现α-Al晶粒和共晶硅的细化和变质，但未涉及到富铁相的变质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，特别适用于低Fe含量的高强韧铸造铝硅合金和高铁含量的压铸铝硅合金该复合变质剂可达到α-Al、共晶硅的和富铁相3种组织同步细化，从而提高合金延伸率。

本发明的另一目的在于提供一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，该方法主要利用上述的复合变质剂进行复合变质。因此，该方法通过复合变质，可以达到α-Al、共晶硅的和富铁相3种组织同步细化的目的，从而提高合金延伸率。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，其包括：

Mn剂、Al-RE中间合金和Al-Sr中间合金组成，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为铸造铝合金中Fe含量的30％～90％；Al-RE中间合金中的RE的添加量为铸造铝合金的熔体质量0.05～0.2％；Al-Sr中间合金中的Sr添加量为熔体质量的0.02～0.05％。

本发明提出一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其主要利用上述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂进行变质。

本发明实施例的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质方法的有益效果是：

本发明的实施例提供的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，其主要利用兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂进行变质。且兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂包括：Mn剂、Al-RE中间合金和Al-Sr中间合金组成，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为铸造铝合金中Fe含量的30％～90％；Al-RE中间合金中的RE的添加量为铸造铝合金熔体质量的0.05～0.2％；Al-Sr中间合金中的Sr添加量为熔体质量的0.02～0.05％。本发明所采用复合变质剂主要组分包括Mn剂、RE和Sr三种，均为常用的合金元素，价格低廉且容易获取。加Mn的主要作用是置换β-Al₅FeSi中的Fe原子，促进针状的β-Al₅FeSi向更加致密、细小的α-Al₅FeSi转变，改善富铁相的形态；同时，也改变了富铁相的凝固顺序，在略高于α-Al基体的形成温度区间生成了大量的Al(MnFe)Si四元化合物，这些化合物将作为α-Al晶粒的形核质点，显著细化晶粒。RE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，同时RE能与熔体中的[H]发生化学反应，生成高熔点的稀土化合物，有效的降低了熔体中的含气量和提供了α-Al的形核质点，进一步细化α-Al，但由于RE元素易与Ti形成化合物，毒化RE的净化和细化效果，因此不适合于Ti含量较高的再生合金的变质；Sr主要起变质共晶硅的作用。由于Sr和RE元素均容易烧损，本发明选择在精炼除气除杂，扒渣后加入两类变质剂，并用工具缓慢搅拌使其均匀分布在熔体中，目的在于减少因熔体剧烈搅拌和温度不均匀带来的烧损和吸气，同时借助RE的除气功能，减少因添加变质剂所带来的吸气。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时细化α-Al基体、共晶硅和富铁相，同时还能减少因Sr带来的气孔缺陷，显著提高铸造铝合金的力学性能。

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为本发明实施例提供的未经变质的ZL101合金在低倍镜下的金相组织图谱；

图2为本发明实施例提供的未经变质的ZL101合金在高倍镜下的金相组织图谱；

图3为本发明实施例1提供的变质后的ZL101合金在低倍镜下的金相图谱；

图4为本发明实施例1提供的变质后的ZL101合金在高倍镜下的金相图谱。

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兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂及其变质方法进行具体说明。

一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，其包括：

Mn剂、Al-RE中间合金和Al-Sr中间合金组成，其中Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，Mn剂的添加比例为铸造铝合金中Fe含量的30％～90％；Al-RE中间合金中的RE的添加量为铸造铝合金熔体质量的0.05～0.2％；Al-Sr中间合金中的Sr添加量为熔体质量的0.02～0.05％。

详细地，Mn剂、RE和Sr均为常用的合金元素，价格低廉且容易获取。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，Al-RE中间合金中的RE为轻质低价的La和Ce中的一种或者两种。

一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其主要利用上述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂进行变质。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法具体包括：

将铸造铝合金熔化后得到初始铝熔体；

取样测试初始铝熔体中的Fe含量，并根据Fe含量以及初始铝熔体的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Mn剂、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金加入与初始铝熔体中，制备成铝硅合金锭或铸件。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，取样测试初始铝熔体中的Fe含量，并根据Fe含量以及初始铝熔体的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Mn剂、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金与初始铝熔体混合的步骤具体包括：

根据Fe含量称取Mn剂的重量，并将称量完毕的Mn剂用铝箔包裹后加入初始铝熔体中，用钛制工具将其压入初始铝熔体内部，并在熔化后搅拌得到铝熔体；

将铝熔体转移至精炼保温炉进行在线精炼，在除气除杂后加入经过预热并由铝箔包好的Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金，用钛制工具将其压入铝熔体内部，熔化后缓慢搅拌使Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金均匀分布于铝熔体中；

将铝熔体制备成铝硅合金锭或铸件。

详细地，加Mn的主要作用是置换β-Al₅FeSi中的Fe原子，促进针状的β-Al₅FeSi向更加致密、细小的α-Al₅FeSi转变，改善富铁相的形态；同时，也改变了富铁相的凝固顺序，在略高于α-Al基体的形成温度区间生成了大量的Al(MnFe)Si四元化合物，这些化合物将作为α-Al晶粒的形核质点，显著细化晶粒。RE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，同时RE能与熔体中的[H]发生化学反应，生成高熔点的稀土化合物，有效的降低了熔体中的含气量和提供了α-Al的形核质点，进一步细化α-Al，但由于RE元素易与Ti形成化合物，毒化RE的净化和细化效果，因此不适合于Ti含量较高的再生合金的变质；Sr主要起变质共晶硅的作用。由于Sr和RE元素均容易烧损，本发明选择在精炼除气除杂，扒渣后加入两类变质剂，并用工具缓慢搅拌使其均匀分布在熔体中，目的在于减少因熔体剧烈搅拌和温度不均匀带来的烧损和吸气，同时借助RE的除气功能，减少因添加变质剂所带来的吸气。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时细化α-Al基体、共晶硅和富铁相，同时还能减少因Sr带来的气孔缺陷，显著提高铸造铝合金的力学性能。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，将铸造铝合金熔化后得到初始铝熔体的步骤具体包括：

将配好的铸造铝硅合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至750～800℃后使得原料全部熔化后得到初始铝熔体。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，在精炼保温炉中进行在线精炼的温度为700～720℃。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，将铝熔体制备成铝硅合金锭或铸件的步骤具体包括：

将铝熔体静置30～60min后浇铸成锭或者中间包，制备铸造铝硅合金锭或铸件。

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ZL101、ZL111两种铝硅铸造铝合金，其中ZL101在低倍镜和高倍镜下的金相结构如图1和图2所示，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	B	Zn	其它	Al
										ZL101	7.05	0.15	0.35	0.021	0.013	0.001	0.020	≤0.15	余量
ZL111	9.13	0.90	0.25	0.016	1.69	0.001	0.786	≤0.15	余量

实施例1

本实施例提供了一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其包括：

S1：将配好的ZL101合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至750℃；

S2：待原材料全部熔化后，取样测试熔体中的Fe含量，用铝箔把Mn剂包好并加入铝熔体中，加入的Mn剂含量与Fe含量80％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。

S3：将熔体转移至精炼保温炉，调整熔体温度至700℃，对再生铝熔体进行在线精炼，除气除杂后加入经预热和铝箔包好的Al-Sr、Al-RE中间合金，Sr、RE的添加比例为熔体的0.03％和0.1％，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。

S4：熔体静置60分钟后浇铸成锭，制备铝合金铸锭。

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，如图3和图4所示，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兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其包括：

S1：将配好的ZL101合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至760℃；

S2：待原材料全部熔化后，取样测试熔体中的Fe含量，用铝箔把Mn剂包好并加入铝熔体中，加入的Mn剂含量为Fe含量60％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。

S3：将熔体转移至精炼保温炉，调整熔体温度至710℃，对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后加入经预热和铝箔包好的Al-Sr、Al-RE中间合金，Sr、RE的添加比例为熔体的0.02％和0.2％，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。

S4：熔体静置30分钟后转液至中间包，制备铝合金铸件。

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3

本实施例提供了一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其包括：

S1：将配好的ZL111合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至790℃；

S2：待原材料全部熔化后，取样测试熔体中的Fe含量，用铝箔把Mn剂包好并加入铝熔体中，加入的Mn剂含量为Fe含量50％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。

S3：将熔体转移至精炼保温炉，调整熔体温度至710℃，对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后加入经预热和铝箔包好的Al-Sr、Al-RE中间合金，Sr、RE的添加比例为熔体的0.03％和0.06％，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。

S4：熔体静置60分钟后浇铸成锭，制备铝合金铸锭。

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4

本实施例提供了一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其包括：

S1：将配好的ZL111合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至800℃；

S2：待原材料全部熔化后，取样测试熔体中的Fe含量，用铝箔把Mn剂包好并加入铝熔体中，加入的Mn剂含量为Fe含量30％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。

S3：将熔体转移至精炼保温炉，调整熔体温度至710℃，对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后加入经预热和铝箔包好的Al-Sr、Al-RE中间合金，Sr、RE的添加比例为熔体的0.05％和0.1％，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。

S4：熔体静置45分钟后转液至中间包，制备铝合金铸件。

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铸造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	RE	Zn	Sr	其它	Al
											实施例1	7.05	0.15	0.35	0.11	0.013	0.096	0.020	0.026	≤0.15	余量
实施例2	7.03	0.16	0.38	0.10	0.010	0.18	0.011	0.031	≤0.15	余量
											实施例3	9.17	0.91	0.24	0.49	1.66	0.056	0.77	0.033	≤0.15	余量
实施例4	9.09	0.94	0.28	0.34	1.65	0.093	0.78	0.042	≤0.15	余量

实施例1～4铸造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1～4铸造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ZL101	182	4.4
1	205	8.7
			2	210	8.4
变质前ZL111	200	2.0
			3	220	5.0
4	225	5.5

根据表1至表4以及图1至图4的结果可知，本发明实施例的提供的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，特别适用于低Fe含量的高强韧铸造铝硅合金和高铁含量的压铸铝硅合金该复合变质剂可以达到α-Al、共晶硅的和富铁相3种组织同步细化的目的，从而可以提高合金延伸率。本发明的实施例提供的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，该方法主要利用上述的复合变质剂进行复合变质。因此，该方法通过复合变质，可以达到α-Al、共晶硅的和富铁相3种组织同步细化的目的，从而提高合金延伸率。

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。

Claims (8)

1.一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，其特征在于，其包括：

Mn剂、Al-RE中间合金和Al-Sr中间合金组成，其中所述Mn剂为Al-Mn中间合金或Mn添加剂，所述Mn剂的添加比例为铸造铝合金中Fe含量的30％～90％；所述Al-RE中间合金中的RE的添加量为所述铸造铝合金熔体质量的0.05～0.2％；所述Al-Sr中间合金中的Sr添加量为所述熔体质量的0.02～0.05％；其中，所述Mn剂、Al-RE中间合金和Al-Sr中间合金用于共同细化α-Al、共晶硅的和富铁相3种组织。

2.根据权利要求1所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂，其特征在于：

所述Al-RE中间合金中的RE为轻质低价的La和Ce中的一种或者两种。

3.一种兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于：

所述兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法主要利用权利要求1或2所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的复合变质剂进行变质。

4.根据权利要求3所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于，所述兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法具体包括：

将铸造铝合金熔化后得到初始铝熔体；

取样测试所述初始铝熔体中的Fe含量，并根据所述Fe含量以及所述初始铝熔体的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所述Mn剂、所述Al-Sr中间合金以及所述Al-RE中间合金加入所述初始铝熔体中，制备铝硅合金锭或铸件。

5.根据权利要求4所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于，取样测试所述初始铝熔体中的Fe含量，并根据所述Fe含量以及所述初始铝熔体的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所述Mn剂、所述Al-Sr中间合金以及所述Al-RE中间合金与所述初始铝熔体混合的步骤具体包括：

根据所述Fe含量称取所述Mn剂的重量，并将称量完毕的所述Mn剂用铝箔包裹后加入所述初始铝熔体中，用钛制工具将其压入所述初始铝熔体内部，并在熔化后搅拌得到铝熔体；

将所述铝熔体转移至精炼保温炉进行在线精炼，在除气除杂后加入经过预热并由铝箔包好的所述Al-Sr中间合金以及所述Al-RE中间合金，用钛制工具将其压入所述铝熔体内部，熔化后缓慢搅拌使所述Al-Sr中间合金以及所述Al-RE中间合金均匀分布于所述铝熔体中；

将所述铝熔体制备成所述铝硅合金锭或所述铸件。

6.根据权利要求5所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于，将铸造铝合金熔化后得到初始铝熔体的步骤具体包括：

将配好的铸造铝硅合金原料投入熔炼炉内，并将所述原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至750～800℃后使得所述原料全部熔化后得到所述初始铝熔体。

7.根据权利要求6所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于：

在所述精炼保温炉中进行在线精炼的温度为700～720℃。

8.根据权利要求7所述的兼具富铁相变质的铸造铝合金的变质方法，其特征在于，将所述铝熔体制备成所述铝硅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后浇铸成锭或者中间包，制备所述铸造铝硅合金锭或所述铸件。

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