CN110453117A - 一种高性能a356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高品质A356铝合金熔体炉内精炼组织均匀化细化及热处理强韧化的制备方法，主要是为了克服：传统A356铝合金熔炼存在含氢量高、造渣多和组分不均匀，且铸锭由于含硅量高，脆性显著，成形性和时效强度难以兼顾平衡的技术难题，而提出一种有效均质弥散铝合金熔体，并增强除氢、除渣净化效果的高品质A356铝合金精炼方法，并针对A356铝合金组分相变的特性优选与其相匹配的固溶温度，结合二级时效处理技术，还提供一种满足A356铝合金综合力学性能要求的热处理工艺。

Description

一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法

技术领域

本发明属于铝合金熔炼与热处理技术领域，具体涉及一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法。

背景技术

传统的旋转喷吹工艺主要采用径流式石墨转子对A356铝合金进行精炼净化处理，该转子搅拌铝液过程中，所形成的流场存在分区循环，易产生局部沉积，导致铝合金组分宏观分布均匀性差。而且，受到传统旋转喷吹工艺的限制，添加的中间合金熔融后，被分散所形成的流体团尺寸较大，不能克服沉降现象，经循环至熔池各个部位不均匀，没有为异质粒子的均匀形核创造出充分的条件，致使中间合金的细化作用未能充分挖掘。其次，在熔炼过程中，为保持铝合金熔体液面稳定，石墨转子搅拌速度受到限制，致使通入的净化氮气破碎效果差，减小了氮气与铝合金熔体有效接触面积，降低了除氢净化效果，导致A356铝合金铸锭产生气孔、疏松、裂纹等缺陷，恶化了铝材制品的最终使用性能。

另外，根据A356铝合金实际性能的需要，在精炼过程中所添加的中间合金会相应发生变化，使得中间合金（稀土、碱土等）元素与基体α铝所生成的新物相（稀土相、碱土相及其它金属间化合物）也随之发生变化，而这些新物相在固溶处理过程中，可能会对A356铝合金的相变行为产生重大的影响，因此，固溶处理的温度设计需要考虑变质后A356铝合金相变的因素，以免发生过烧等现象。然而，现有文献及专利对固溶温度的选择更多基于经验，缺乏定性的理论依据。此外，A356铝合金由于含硅量高，脆性显著，成形性和时效强度难以兼顾平衡，导致其在汽车车身铝化应用受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，克服现有工艺熔炼A356铝合金过程中，铝合金熔体存在氢含量高、组分均匀性差的缺点，并解决A356铝合金采用传统工艺热处理后，存在成形性和时效强度难以兼顾平衡的问题。

解决上述技术问题的技术方案是：一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，包括以下步骤：

⑴ 配料

以A356铸造铝合金为原料，各元素按照质量百分比计为，Si:6.9-7.5%、Mn:≤0.5%、Mg:0.3-0.45%、Ti:≤0.2%、Fe:≤0.12%、Cu:≤0.1%、Zn:≤0.05%，余量为Al；

⑵ 熔剂备料

选用C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元配置的铝合金熔体复合精炼覆盖除渣剂，其中，组元C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂主要是去除游离态H，而组元Na₂SiF₆、Na₃AlF₆主要是去除Al₂O₃夹杂；分别按照0.24 wt.%、0.32wt.%、0.10 wt.%、0.24 wt.%、0.10 wt.% A356铸造铝合金的质量称量C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元，并将各组元均匀混合，随后，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用；

⑶ 中间合金备料

选用稀土中间合金和碱土中间合金作为A356铝合金的变质细化剂，所述稀土中间合金为Al-10Ce或/和Al-10La，碱土中间合金为Al-10Sr，其中稀土Ce元素在稀土中间合金Al-10Ce的质量百分比为10%，稀土La元素在稀土中间合金Al-10La的质量百分比为10%，碱土Sr元素在碱土中间合金Al-10Sr的质量百分比为10%；按照0.15-0.30 wt.%及0.05wt.% A356铸造铝合金的质量分别计算稀土中间合金中稀土元素、碱土中间合金中碱土元素的添加量，并分别算出构成变质细化剂中相应稀土中间合金及碱土中间合金的配比质量，称量，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用；

⑷ 辅助工具准备

将氧化锌溶液均匀涂抹在钟罩表面后，加热钟罩至200-260℃烘干备用；将氧化锌溶液均匀涂抹在钢质模具内壁，并将孔径为10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片放入陶瓷浇口杯内，其中，20目的泡沫陶瓷过滤器片位于10目的泡沫陶瓷过滤器片的下方；将陶瓷浇口杯下口插入钢质模具内孔，安放在钢质模具上方，接着，随同钢质模具放入热处理炉中加热至300-400℃，保温备用；

⑸ A356铝合金熔炼

将原料A356铸造铝合金放入坩埚内，将坩埚放入熔炼炉，以10℃/min的升温速率由常温加热至200℃，保温30min，接着以10℃/min的升温速率加热至300℃，保温30min，再以15℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min，最后，以20℃/min的升温速率加热至800℃熔炼A356铝合金；

⑹ 熔剂精炼铝合金熔体

待A356铝合金完全熔化后，测试熔体温度，确认熔体温度达到800℃后，将步骤⑵备料的铝箔纸包裹的复合精炼覆盖除渣剂通过钟罩浸入A356铝合金熔液中，并使钟罩沿着坩埚四周缓慢摆动，直至不再有反应气体生成；随后，撤除钟罩，让A356铝合金熔液静置30min；待渣滓充分形成，随后，将覆盖在铝合金熔体表面及附着在坩埚壁上的渣滓扒除干净；

⑺ 铝合金熔体精炼

采用钟罩将步骤⑶备料的铝箔纸包裹的中间合金浸入A356铝合金熔液中，待其熔融后，采用复合式石墨搅拌装置搅拌净化铝合金熔液，所述复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置；

⑻ 多道次过滤浇注

从热处理炉取出钢质模具，将A356铝液浇入陶瓷浇口杯，并经10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片流入钢质模具，冷却后，脱模；

⑼ 固溶-淬火处理

采用差示扫描量热仪检测铸态A356铝合金各物相的转变温度，记录下最低相变温度t_min，随后，将A356铝合金放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至（t_min-120）℃，保温2-4h后，接着，继续加热至（t_min-70）℃，保温4-6h后，从炉中取出迅速放入循环冷水中进行全浸淬火，期间，水温控制在40℃以下，淬火结束后，取出A356铝合金；

⑽ 一级时效处理

将淬火后的A356铝合金铸锭重新放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至150-180℃，保温2-4h，随炉冷却后，取出；

⑾ 二级时效处理

接着，再次将A356铝合金铸锭放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至200-240℃，保温3-5h，随炉冷却后，取出。

步骤⑺中，精炼期间，该复合式石墨搅拌装置的转速ω为300-400rpm，同时，将纯度为99.99%的高纯度氮气从复合式石墨搅拌装置的空心轴内，以1.0-1.5L/min的恒定流量不间断地通入铝合金熔液，精炼时间为10-20倍铝合金熔体流经微孔流道的循环周期T；

其中，该复合式石墨搅拌装置与坩埚的几何尺寸、位置关系如下：叶轮直径d=1/4坩埚内径D，叶轮厚度δ=1/3d，叶轮底部至坩埚底面距离H=1/3d，多孔径桨叶高度h=2/5d；循环周期T的计算公式：T=V／（s×ω×r），其中，循环周期T的单位为min，V为铝合金熔体体积，单位为m³，s为桨叶上微孔总面积，单位为m²，ω为多孔径桨叶转速，单位为rpm，r为多孔径桨叶的长方形叶片中部至空心轴轴线距离，单位为m。

本发明的目的在于克服现有A356铝合金熔炼过程存在除氢效果差、组分不均匀的不足与缺点，为获得高品质A356铝合金熔体，克服针孔、偏析等铸造缺陷，提出一种高品质A356铝合金精炼方法。该A356铝合金精炼方法相对于现有的A356铝合金精炼方法，采用了新型旋转喷吹装置+熔剂精炼+稀碱土中间合金变质的集成技术，能有效地分散铝合金熔体和中间合金熔体为小尺寸的流体团，有利于铝合金组分均质化。而且，该新型旋转喷吹装置（即复合式石墨搅拌装置）还能提高氮气与铝合金熔体有效接触面积，增强除氢净化效果。

此外，为获得时效强度和塑性兼顾平衡的A356铝合金（抗拉强度≥240MPa，屈服强度≥150MPa，断后伸长率≥5%），本发明还提供一种A356铝合金热处理强韧化的工艺。该工艺针对变质处理后A356铝合金组分相变的特性，优选与其相匹配的固溶温度，使过剩相充分溶解到A356铝合金固溶体中，而且该工艺还结合二级时效处理技术，通过控制第二相以金属间化合物的形式分阶段弥散析出，并形成稳定晶核，从而提高A356铝合金强度和塑性。

本发明优点如下：

1. 采用本发明熔炼A356铝合金后，其铸锭针孔级别可以达到1级。

2. 采用本发明熔炼A356铝合金后，组分均匀，晶粒平均尺寸可达40μm。

3. 采用本发明热处理A356铝合金后，综合力学性能均可达到：抗拉强度≥240MPa，屈服强度≥150MPa，断后伸长率≥10%。

附图说明

图1为本发明A356铝合金精炼净化装置结构示意图。

图2为本发明A356铝合金精炼净化后铸锭的剖面照片，其中，(a)为碱土Sr&稀土Ce变质，(b)为碱土Sr&稀土La变质，(c)为碱土Sr&稀土Ce-La变质。该照片清晰反映出铸锭剖面组织致密，除了浇筑顶部少量疏松、缩孔，基本没有宏观针孔，而且颜色明亮，色泽均匀，说明纯度高，杂质少。

图3为本发明添加Al-10Sr和Al-10Ce中间合金变质后的A356铝合金第二相热行为特性曲线，其中升温段最低相变温度为607℃。

图4为本发明添加Al-10Sr和Al-10La中间合金变质后的A356铝合金第二相热行为特性曲线，其中升温段最低相变温度为601℃。

图5为本发明添加Al-10Sr、Al-10Ce和Al-10La中间合金变质后的A356铝合金第二相热行为特性曲线，其中升温段最低相变温度为603℃。

图6(a)和(b)为本发明添加了Al-10Sr和Al-10Ce中间合金的A356铝合金热处理后的金相组织照片（×50倍和×500倍）。从图6(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图6(b) （×500倍）中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

图7(a)和(b)为本发明添加了Al-10Sr和Al-10La中间合金的A356铝合金热处理后的金相组织照片（×50倍和×500倍）。从图7(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图7(b) （×500倍）中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

图8(a)和(b)为本发明添加了Al-10Sr、Al-10Ce和Al-10La中间合金的A356铝合金热处理后的金相组织照片（×50倍和×500倍）。从图8(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图8(b) （×500倍）中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

图9为本发明使用的铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置的装配示意图。

图10为本发明铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置之直叶螺旋混流式叶轮立体图。

图11为本发明铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置之直叶螺旋混流式叶轮俯视图。

图12为本发明铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置之多孔径桨叶的结构示意图。

图13为本发明铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置之空心轴的结构示意图。

图中：1-氮气瓶，2-机架，3-电机，4-铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置，5-坩埚，6-氮气导管。

41-下层直叶螺旋混流式叶轮，411-直叶径流式叶片，412-螺旋面轴向导水叶片，413-流道，42-上层直叶螺旋混流式叶轮，43-多孔径桨叶，431-长方形叶片，432-大孔，433-中孔，434-小孔，44-下套筒，45-上套筒，46-空心轴，461-贯通孔。

具体实施方式

通过如下实施例对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，包括以下步骤：

⑴、配料

A356铸造铝合金原料，各元素按照质量百分比计（wt.%）为，Si:6.9-7.5%、Mn:≤0.5%、Mg:0.3-0.45%、Ti:≤0.2%、Fe:≤0.12%、Cu:≤0.1%、Zn:≤0.05%，余量为Al。

⑵、熔剂备料

选用C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元配置的铝合金熔体复合精炼覆盖除渣剂，分别按照0.24wt.%、0.32wt.%、0.10wt.%、0.24wt.%、0.10wt.% A356铝合金的质量称量C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元，并将各组元均匀混合，随后，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用。

⑶、中间合金备料

选用稀土中间合金Al-10Ce和碱土中间合金Al-10Sr作为A356铝合金的变质细化剂，其中稀土Ce、碱土Sr元素分别在稀土中间合金Al-10Ce、碱土中间合金Al-10Sr的质量百分比（wt.%）均为10%。按照0.05wt.% A356铝合金的质量计算碱土Sr、按照0.15wt.%A356铝合金的质量分别计算稀土Ce元素添加量，并分别算出构成变质细化剂中相应稀土中间合金Al-10Ce及碱土中间合金Al-10Sr的配比质量，称量，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用。

⑷、辅助工具准备

将氧化锌溶液均匀涂抹在钟罩表面后，加热钟罩至200℃烘干备用。将氧化锌溶液均匀涂抹在钢质模具内壁，并将孔径为10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片放入陶瓷浇口杯内，其中，20目的泡沫陶瓷过滤器片位于10目的泡沫陶瓷过滤器片的下方。将陶瓷浇口杯下口插入钢质模具内孔，安放在钢质模具上方，接着，随同钢质模具放入热处理炉中加热至300℃，保温。

⑸、A356铝合金熔炼

将A356铸造铝合金放入坩埚内，将坩埚放入熔炼炉，以10℃/min的升温速率由常温加热至200℃，保温30min，接着以10℃/min的升温速率加热至300℃，保温30min，再以15℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min，最后，以20℃/min的升温速率加热至800℃熔炼A356铝合金。

⑹、熔剂精炼铝合金熔体

待A356铝合金完全熔化后，测试熔体温度，确认熔体温度达到800℃后，将铝箔纸包裹的复合精炼覆盖除渣剂通过钟罩浸入A356铝合金熔液中，并使钟罩沿着坩埚四周缓慢摆动，直至不再有反应气体生成。随后，撤除钟罩，让A356铝合金熔液静置30min。待渣滓充分形成，随后，将覆盖在铝合金熔体表面及附着在坩埚壁上的渣滓扒除干净。

⑺、铝合金熔体精炼

采用钟罩将铝箔纸包裹的中间合金浸入A356铝合金熔液中，待其熔融后。采用开发的复合式石墨搅拌装置（该复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置）搅拌净化铝合金熔液，铝液均匀稳定化由该石墨搅拌装置的多孔径桨叶上微孔流道完成。精炼期间，该石墨搅拌装置的转速ω为300rpm，同时，将高纯度氮气（纯度为99.99%）由空心石墨转轴上端的气孔通道，以1.0L/min的恒定流量不间断地通入铝合金熔液，精炼时间为10倍铝合金熔体流经微孔流道的循环周期T（min）。

其中，该复合式石墨搅拌装置与坩埚的几何尺寸、位置关系如下：叶轮直径d=1/4坩埚内径D（m），叶轮厚度δ=1/3d（m），叶轮底部至坩埚底面距离H=1/3d（m），多孔径桨叶高度h=2/5d（m）。循环周期T的计算可根据下式：T=V／（s×ω×r）。V为铝合金熔体体积（m³），s为桨叶上微孔总面积（m²），ω为多孔径桨叶转速（rpm），r为多孔径桨叶的长方形叶片中部至空心轴轴线距离（m），具体参见附图1。

⑻、多道次过滤浇注

从热处理炉取出钢质模具，用舀铝水勺将A356铝液浇入陶瓷浇口杯，并经10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片流入钢质模具，冷却后，脱模。

⑼、固溶-淬火处理

采用差示扫描量热仪检测铸态A356铝合金各物相的转变温度，记录下最低相变温度607℃，随后，将A356铝合金放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至（607-120=487）℃，保温2h后，接着，继续加热至（607-70=537）℃，保温4h后，从炉中取出迅速放入循环冷水中进行全浸淬火，期间，水温控制在40℃以下，淬火结束后，取出A356铝合金。

⑽、一级时效处理

将淬火后的A356铝合金铸锭重新放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至150℃，保温4h，随炉冷却后，取出。

⑾、二级时效处理

接着，再次将A356铝合金铸锭放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至200℃，保温5h，随炉冷却后，取出，测试力学性能，经过广州有色金属研究院单位检测，抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥168MPa，断后伸长率≥14%。将该A356铝合金铸锭从中部剖开并打磨，从图2(a)可以清楚观察到除顶部存在少量的缩孔外，铝合金呈现致密组织，针孔率达到1级。另外，从图6(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图6(b)中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

实施例2

一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，包括以下步骤：

⑴、配料

A356铸造铝合金原料，各元素按照质量百分比计（wt.%）为，Si:6.9-7.5%、Mn:≤0.5%、Mg:0.3-0.45%、Ti:≤0.2%、Fe:≤0.12%、Cu:≤0.1%、Zn:≤0.05%，余量为Al。

⑵、熔剂备料

选用C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元配置的铝合金熔体复合精炼覆盖除渣剂，分别按照0.24 wt.%、0.32wt.%、0.10 wt.%、0.24 wt.%、0.10 wt.% A356铝合金的质量称量C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元，并将各组元均匀混合，随后，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用。

⑶ 、中间合金备料

选用稀土中间合金Al-10 La、碱土中间合金Al-10Sr作为A356铝合金的变质细化剂，其中稀土La、碱土Sr元素分别在稀土中间合金Al-10La、碱土中间合金Al-10Sr的质量百分比（wt.%）均为10%。按照0.05wt.% A356铝合金的质量计算碱土Sr元素添加量及按照0.15wt.%A356铝合金的质量计算稀土La元素添加量，并分别算出构成稀碱土混合元素的相应稀土中间合金Al-10 La及碱土中间合金Al-10Sr的配比质量，称量，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用。

⑷、辅助工具准备

将氧化锌溶液均匀涂抹在钟罩表面后，加热钟罩至200℃烘干备用。将氧化锌溶液均匀涂抹在钢质模具内壁，并将孔径为10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片放入陶瓷浇口杯内，其中，20目的泡沫陶瓷过滤器片位于10目的泡沫陶瓷过滤器片的下方。将陶瓷浇口杯下口插入钢质模具内孔，安放在钢质模具上方，接着，随同钢质模具放入热处理炉中加热至350℃，保温。

⑸、A356铝合金熔炼

将A356铸造铝合金放入坩埚内，将坩埚放入熔炼炉，以10℃/min的升温速率由常温加热至200℃，保温30min，接着以10℃/min的升温速率加热至300℃，保温30min，再以15℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min，最后，以20℃/min的升温速率加热至800℃熔炼A356铝合金。

⑹、熔剂精炼铝合金熔体

待A356铝合金完全熔化后，测试熔体温度，确认熔体温度达到800℃后，将铝箔纸包裹的复合精炼覆盖除渣剂通过钟罩浸入A356铝合金熔液中，并使钟罩沿着坩埚四周缓慢摆动，直至不再有反应气体生成。随后，撤除钟罩，让A356铝合金熔液静置30min。待渣滓充分形成，随后，将覆盖在铝合金熔体表面及附着在坩埚壁上的渣滓扒除干净。

⑺、铝合金熔体精炼

采用钟罩将铝箔纸包裹的中间合金浸入A356铝合金熔液中，待其熔融后。采用开发的复合式石墨搅拌装置（该复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置）搅拌净化铝合金熔液，铝液均匀稳定化由该石墨搅拌装置的多孔径桨叶上微孔流道完成。精炼期间，该石墨搅拌装置的转速ω为300rpm，同时，将高纯度氮气（纯度为99.99%）由空心石墨转轴上端的气孔通道，以1.0L/min的恒定流量不间断地通入铝合金熔液，精炼时间为10倍铝合金熔体流经微孔流道的循环周期T（min）。

其中，该复合式石墨搅拌装置与坩埚的几何尺寸、位置关系如下：叶轮直径d=1/4坩埚内径D（m），叶轮厚度δ=1/3d（m），叶轮底部至坩埚底面距离H=1/3d（m），多孔径桨叶高度h=2/5d（m）。循环周期T的计算可根据下式：T=V／（s×ω×r）。V为铝合金熔体体积（m³），s为桨叶上微孔总面积（m²），ω为多孔径桨叶转速（rpm），r为多孔径桨叶的长方形叶片中部至空心轴轴线距离（m），具体参见附图1。

⑻、多道次过滤浇注

从热处理炉取出钢质模具，用舀铝水勺将A356铝液浇入陶瓷浇口杯，并经10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片流入钢质模具，冷却后，脱模。

⑼、固溶-淬火处理

采用差示扫描量热仪检测铸态A356铝合金各物相的转变温度，记录下最低相变温度601℃，随后，将A356铝合金放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至（601-120=481）℃，保温4h后，接着，继续加热至（601-70=531）℃，保温6h后，从炉中取出迅速放入循环冷水中进行全浸淬火，期间，水温控制在40℃以下，淬火结束后，取出A356铝合金。

⑽、一级时效处理

将淬火后的A356铝合金铸锭重新放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至160℃，保温3h，随炉冷却后，取出。

⑾、二级时效处理

接着，再次将A356铝合金铸锭放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至220℃，保温4h，随炉冷却后，取出，测试力学性能，经过广州有色金属研究院单位检测，抗拉强度≥248MPa，屈服强度≥158MPa，断后伸长率≥13%。将该A356铝合金铸锭从中部剖开并打磨，从图2(b)可以清楚观察到除顶部存在少量的缩孔外，铝合金呈现致密组织，针孔率达到1级。另外，从图7(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图7(b)中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

实施例3

一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，包括以下步骤：

⑴、配料

A356铸造铝合金原料，各元素按照质量百分比计（wt.%）为，Si:6.9-7.5%、Mn:≤0.5%、Mg:0.3-0.45%、Ti:≤0.2%、Fe:≤0.12%、Cu:≤0.1%、Zn:≤0.05%，余量为Al。

⑵、熔剂备料

选用C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元配置的铝合金熔体复合精炼覆盖除渣剂，分别按照0.24 wt.%、0.32wt.%、0.10 wt.%、0.24 wt.%、0.10 wt.% A356铝合金的质量称量C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元，并将各组元均匀混合，随后，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用；

⑶ 中间合金备料

选用稀土中间合金Al-10Ce、稀土中间合金Al-10La、碱土中间合金Al-10Sr作为A356铝合金的变质细化剂，其中稀土La、稀土Ce、碱土Sr元素分别在稀土中间合金Al-10La、稀土中间合金Al-10Ce、碱土中间合金Al-10Sr的质量百分比（wt.%）均为10%。分别按照0.05wt.%A356铝合金的质量计算碱土Sr、添加量、0.15wt.%A356铝合金的质量分别计算稀土Ce元素添加量及0.15wt.%A356铝合金的质量分别计算稀土La元素添加量，并分别算出构成稀碱土混合元素的相应稀土中间合金Al-10La、稀土中间合金Al-10Ce及碱土中间合金Al-10Sr的配比质量，称量，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用。

⑷、辅助工具准备

将氧化锌溶液均匀涂抹在钟罩表面后，加热钟罩至200℃烘干备用。将氧化锌溶液均匀涂抹在钢质模具内壁，并将孔径为10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片放入陶瓷浇口杯内，其中，20目的泡沫陶瓷过滤器片位于10目的泡沫陶瓷过滤器片的下方。将陶瓷浇口杯下口插入钢质模具内孔，安放在钢质模具上方，接着，随同钢质模具放入热处理炉中加热至400℃，保温。

⑸、A356铝合金熔炼

将A356铸造铝合金放入坩埚内，将坩埚放入熔炼炉，以10℃/min的升温速率由常温加热至200℃，保温30min，接着以10℃/min的升温速率加热至300℃，保温30min，再以15℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min，最后，以20℃/min的升温速率加热至800℃熔炼A356铝合金。

⑹、熔剂精炼铝合金熔体

待A356铝合金完全熔化后，测试熔体温度，确认熔体温度达到800℃后，将铝箔纸包裹的复合精炼覆盖除渣剂通过钟罩浸入A356铝合金熔液中，并使钟罩沿着坩埚四周缓慢摆动，直至不再有反应气体生成。随后，撤除钟罩，让A356铝合金熔液静置30min。待渣滓充分形成，随后，将覆盖在铝合金熔体表面及附着在坩埚壁上的渣滓扒除干净。

⑺、铝合金熔体精炼

采用钟罩将铝箔纸包裹的中间合金浸入A356铝合金熔液中，待其熔融后。采用开发的复合式石墨搅拌装置（该复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置）搅拌净化铝合金熔液，铝液均匀稳定化由该石墨搅拌装置的多孔径桨叶上微孔流道完成。精炼期间，该石墨搅拌装置的转速ω为300rpm，同时，将高纯度氮气（纯度为99.99%）由空心石墨转轴上端的气孔通道，以1.0L/min的恒定流量不间断地通入铝合金熔液，精炼时间为10倍铝合金熔体流经微孔流道的循环周期T（min）。

其中，该复合式石墨搅拌装置与坩埚的几何尺寸、位置关系如下：叶轮直径d=1/4坩埚内径D（m），叶轮厚度δ=1/3d（m），叶轮底部至坩埚底面距离H=1/3d（m），多孔径桨叶高度h=2/5d（m）。循环周期T的计算可根据下式：T=V／（s×ω×r）。V为铝合金熔体体积（m³），s为桨叶上微孔总面积（m²），ω为多孔径桨叶转速（rpm），r为多孔径桨叶的长方形叶片中部至空心轴轴线距离（m），具体参见附图1。

⑻、多道次过滤浇注

从热处理炉取出钢质模具，用舀铝水勺将A356铝液浇入陶瓷浇口杯，并经10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片流入钢质模具，冷却后，脱模。

⑼、固溶-淬火处理

采用差示扫描量热仪检测铸态A356铝合金各物相的转变温度，记录下最低相变温度603℃，随后，将A356铝合金放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至（603-120=483）℃，保温3h后，接着，继续加热至（603-70=533）℃，保温5h后，从炉中取出迅速放入循环冷水中进行全浸淬火，期间，水温控制在40℃以下，淬火结束后，取出A356铝合金。

⑽、一级时效处理

将淬火后的A356铝合金铸锭重新放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至180℃，保温2h，随炉冷却后，取出。

⑾、二级时效处理

接着，再次将A356铝合金铸锭放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至240℃，保温3h，随炉冷却后，取出，测试力学性能，经过广州有色金属研究院单位检测，抗拉强度≥249MPa，屈服强度≥153MPa，断后伸长率≥15%。将该A356铝合金铸锭从中部剖开并打磨，从图2(c)可以清楚观察到除顶部存在少量的缩孔外，铝合金呈现致密组织，针孔率达到1级。另外，从图8(a)（×50倍）可以清楚观察出该A356铝合金组分在宏观层面上呈现均匀状态；从图8(b)中可以看出A356铝合金第二相粒子呈现均匀的弥散球化状态，表明A356铝合金具有优异综合力学性能。

本发明各实施例步骤⑺中，复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置，其包括空心轴以及从下往上依次安装在空心轴上的下层直叶螺旋混流式叶轮、下套筒、多孔径桨叶、上套筒、上层直叶螺旋混流式叶轮，复合式石墨搅拌装置安装在机架上，其空心轴由电机通过皮带和皮带轮带动旋转，下层直叶螺旋混流式叶轮、多孔径桨叶和上层直叶螺旋混流式叶轮位于坩埚内对铝合金熔体进行搅拌，高纯度氮气经由空心轴的贯通孔引入铝合金熔体。本发明各实施例中所述叶轮直径、叶轮厚度均是指下层直叶螺旋混流式叶轮、上层直叶螺旋混流式叶轮的直径和厚度。

所述的所述下层直叶螺旋混流式叶轮和上层直叶螺旋混流式叶轮主要是由置底布置的N片直叶径流式叶片和位于上方的以对数螺旋线为型线的N片螺旋面轴向导水叶片构成，螺旋面轴向导水叶片低端的底端面与直叶径流式叶片的上端面固定连接，N的取值为5～8，所述多孔径桨叶包括对称竖直布置的两个长方形叶片，该长方形叶片上均布加工有若干个大孔、中孔和小孔，大孔直径为5mm～8mm，中孔直径小于大孔直径，小孔直径小于中孔直径，其中，局部的大孔、中孔和小孔组成的图案和该长方形叶片上整体的大孔、中孔和小孔组成的图案具有自相似的结构。

所述下层直叶螺旋混流式叶轮、多孔径桨叶、上层直叶螺旋混流式叶轮与空心轴通过螺纹连接，所述下套筒、上套筒与空心轴之间是间隙配合。多孔径桨叶的长方形叶片上，大孔设置于将长方形叶片长边和短边等分成M段的等分线交汇点处，M的取值为3～5，中孔设置于将长方形叶片长边和短边M等分线段等分成3～5段的等分线交汇点处，小孔设置于将长方形叶片长边和短边3M～5M等分线段等分成3～5段的等分线交汇点处，其中，中孔直径是大孔直径的，小孔直径是中孔直径的。所述直叶径流式叶片和螺旋面轴向导水叶片的厚度相等，相邻两片直叶径流式叶片之间的流道与相邻两片螺旋面轴向导水叶片之间的流道相互连通，所述螺旋面轴向导水叶片的进口安放角为25°～28°，叶片出口安放角为30°～32°，叶片包角为50°～60°。

该铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置的制备方法，包括以下制备步骤：

（1）选用高纯度石墨材料作为制备原料；

（2）将步骤（1）中所述石墨材料分别加工出上层直叶螺旋混流式叶轮和下层直叶螺旋混流式叶轮；

（3）将步骤（1）中所述石墨材料加工出多孔径桨叶；

（4）将步骤（1）中所述石墨材料分别加工出上套筒、下套筒；

（5）将步骤（1）中所述石墨材料加工出空心轴，所述空心轴两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹；

（6）利用石墨表面钛金属化改性技术，对下层直叶螺旋混流式叶轮、下套筒、多孔径桨叶、上层直叶螺旋混流式叶轮、上套筒以及空心轴部件进行表面TiC改性处理；

（7）将下层直叶螺旋混流式叶轮、上套筒、下套筒、多孔径桨叶以及上层直叶螺旋混流式叶轮安装于空心轴上，所述下层直叶螺旋混流式叶轮、多孔径桨叶以及上层直叶螺旋混流式叶轮均通过左旋螺纹与空心轴连接；其中，下层直叶螺旋混流式叶轮的底面与空心轴底端平齐，上层直叶螺旋混流式叶轮安装在下层直叶螺旋混流式叶轮上方，多孔径桨叶则位于上层直叶螺旋混流式叶轮和下层直叶螺旋混流式叶轮之间；上层直叶螺旋混流式叶轮与多孔径桨叶之间以及下层直叶螺旋混流式叶轮与多孔径桨叶之间的距离分别通过上套筒和下套筒调整，所述下套筒、上套筒与空心轴之间是间隙配合关系。

步骤（6）所述石墨表面钛金属化改性技术是专利申请号为201810962587.2中国发明专利中所述的石墨部件表面钛金属化改性的制备工艺。该制备工艺包括以下步骤：

步骤一：备料

首先按下述原料及其质量百分比用量备料：乙基纤维素2.4～2.7 wt.%，松油醇72～81wt.%，蓖麻油5.6～6.3 wt.%，纳米TiO₂粉体10～20 wt.%，纳米TiO₂粉体的径粒为10～20nm。

步骤二：TiO₂油膏调制

将乙基纤维素、松油醇和蓖麻油混合均匀，水浴加热，温度控制在80～100℃，其间，搅拌直至乙基纤维素、松油醇与蓖麻油的混合物溶解成均匀透明的松油醇载体溶液；接着将纳米TiO₂粉体添加进松油醇载体溶液中，搅拌至纳米TiO₂粉体在松油醇载体溶液中均匀分散，停止加热，冷却后即可获得纳米TiO₂油膏。

步骤三：石墨表面浸渍油膏

将石墨部件放入调制的纳米TiO₂油膏中，水浴加热至80～100℃，保温60～120 min后，取出石墨部件，静置阴干。

步骤四：松油醇载体氧化

将阴干的石墨部件放入有氧炉中，以4～6℃/min的升温速率，从室温加热至165～185℃，保温60～120 min，以4～6℃/min的升温速率，加热至200～240℃，保温360～600 min，以4～6℃/min的升温速率，加热至350～450℃，保温50～70min，最后，采用随炉冷却的方式降至室温，得到氧化脱除松油醇载体后的石墨分散件。

步骤五：纳米TiO₂还原

将石墨分散件放入氢气还原炉中，通入氢气，以5～7℃/min的升温速率，从室温加热至640～660℃，保温60～120 min，接着，以5～7℃/min的升温速率，加热至780～820℃，保温60～120 min，随后采用随炉冷却的方式降至室温；氢气还原炉中的工艺参数，氢气压力0.02～0.05 MPa，流量2.5～5.5 mL/min。

步骤六：石墨表面Ti金属化

将石墨分散件从氢气还原炉中取出，并迅速放入真空炉中，抽真空，真空度：1×10^-2～1×10^-3 Pa，以9～11℃/min的升温速率，从室温加热至780～800℃，保温60～120 min，以9～11℃/min的升温速率，加热至1500～1700℃，保温90～360 min，以9～11℃/min的降温速率，冷却至700～800℃，保温60～120 min，最后，采用随炉冷却的方式降至室温，即可获得表面Ti金属化的石墨部件。

步骤（3）加工多孔径桨叶的制备过程是，分别用等分线段将长方形叶片长边和短边等分成M段得长边M段等分线段、短边M段等分线段，M的取值为3～5，并在等分线段的交汇点处加工出直径为5mm～8mm的大孔；接着，再分别用等分线段将长方形叶片的长边M段等分线段和短边M段等分线段等分3～5段得长边3M～5M段等分线段、短边3M～5M段等分线段，并在等分线交汇点处加工出直径为大孔直径的中孔，最后，再分别用等分线段将长方形叶片的长边3M～5M段等分线段、短边3M～5M段等分3～5段，并等分线交汇点处加工出直径为中孔直径的小孔。

Claims (2)

1.一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴ 配料

以A356铸造铝合金为原料，各元素按照质量百分比计为，Si:6.9-7.5%、Mn:≤0.5%、Mg:0.3-0.45%、Ti:≤0.2%、Fe:≤0.12%、Cu:≤0.1%、Zn:≤0.05%，余量为Al；

⑵ 熔剂备料

选用C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元配置的铝合金熔体复合精炼覆盖除渣剂，其中，组元C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂主要是去除游离态H，而组元Na₂SiF₆、Na₃AlF₆主要是去除Al₂O₃夹杂；分别按照0.24 wt.%、0.32wt.%、0.10 wt.%、0.24 wt.%、0.10 wt.% A356铸造铝合金的质量称量C₂Cl₆、K₂TiF₆、CaF₂、Na₂SiF₆、Na₃AlF₆组元，并将各组元均匀混合，随后，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用；

⑶ 中间合金备料

选用稀土中间合金和碱土中间合金作为A356铝合金的变质细化剂，所述稀土中间合金为Al-10Ce或/和Al-10La，碱土中间合金为Al-10Sr，其中稀土Ce元素在稀土中间合金Al-10Ce的质量百分比为10%，稀土La元素在稀土中间合金Al-10La的质量百分比为10%，碱土Sr元素在碱土中间合金Al-10Sr的质量百分比为10%；按照0.15-0.30 wt.%及0.05wt.% A356铸造铝合金的质量分别计算稀土中间合金中稀土元素、碱土中间合金中碱土元素的添加量，并分别算出构成变质细化剂中相应稀土中间合金及碱土中间合金的配比质量，称量，用铝箔纸包裹，加热至200-260℃烘干备用；

⑷ 辅助工具准备

将氧化锌溶液均匀涂抹在钟罩表面后，加热钟罩至200-260℃烘干备用；将氧化锌溶液均匀涂抹在钢质模具内壁，并将孔径为10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片放入陶瓷浇口杯内，其中，20目的泡沫陶瓷过滤器片位于10目的泡沫陶瓷过滤器片的下方；将陶瓷浇口杯下口插入钢质模具内孔，安放在钢质模具上方，接着，随同钢质模具放入热处理炉中加热至300-400℃，保温备用；

⑸ A356铝合金熔炼

将原料A356铸造铝合金放入坩埚内，将坩埚放入熔炼炉，以10℃/min的升温速率由常温加热至200℃，保温30min，接着以10℃/min的升温速率加热至300℃，保温30min，再以15℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min，最后，以20℃/min的升温速率加热至800℃熔炼A356铝合金；

⑹ 熔剂精炼铝合金熔体

待A356铝合金完全熔化后，测试熔体温度，确认熔体温度达到800℃后，将步骤⑵备料的铝箔纸包裹的复合精炼覆盖除渣剂通过钟罩浸入A356铝合金熔液中，并使钟罩沿着坩埚四周缓慢摆动，直至不再有反应气体生成；随后，撤除钟罩，让A356铝合金熔液静置30min；待渣滓充分形成，随后，将覆盖在铝合金熔体表面及附着在坩埚壁上的渣滓扒除干净；

⑺ 铝合金熔体精炼

采用钟罩将步骤⑶备料的铝箔纸包裹的中间合金浸入A356铝合金熔液中，待其熔融后，采用复合式石墨搅拌装置搅拌净化铝合金熔液，所述复合式石墨搅拌装置是中国专利申请201811367477.8中所述一种铝合金精炼用长效复合式石墨搅拌装置；

⑻ 多道次过滤浇注

从热处理炉取出钢质模具，将A356铝液浇入陶瓷浇口杯，并经10目和20目的泡沫陶瓷过滤器片流入钢质模具，冷却后，脱模；

⑼ 固溶-淬火处理

采用差示扫描量热仪检测铸态A356铝合金各物相的转变温度，记录下最低相变温度t_min，随后，将A356铝合金放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至（t_min-120）℃，保温2-4h后，接着，继续加热至（t_min-70）℃，保温4-6h后，从炉中取出迅速放入循环冷水中进行全浸淬火，期间，水温控制在40℃以下，淬火结束后，取出A356铝合金；

⑽ 一级时效处理

将淬火后的A356铝合金铸锭重新放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至150-180℃，保温2-4h，随炉冷却后，取出；

⑾ 二级时效处理

接着，再次将A356铝合金铸锭放入温度精度为±1℃的热处理炉中，加热至200-240℃，保温3-5h，随炉冷却后，取出。

2.根据权利要求1所述的一种高性能A356铝合金精炼及强韧化热处理工艺方法，其特征在于：步骤⑺中，精炼期间，该复合式石墨搅拌装置的转速ω为300-400rpm，同时，将纯度为99.99%的高纯度氮气从复合式石墨搅拌装置的空心轴内，以1.0-1.5L/min的恒定流量不间断地通入铝合金熔液，精炼时间为10-20倍铝合金熔体流经微孔流道的循环周期T；

其中，该复合式石墨搅拌装置与坩埚的几何尺寸、位置关系如下：叶轮直径d=1/4坩埚内径D，叶轮厚度δ=1/3d，叶轮底部至坩埚底面距离H=1/3d，多孔径桨叶高度h=2/5d；循环周期T的计算公式：T=V／（s×ω×r），其中，循环周期T的单位为min，V为铝合金熔体体积，单位为m³，s为桨叶上微孔总面积，单位为m²，ω为多孔径桨叶转速，单位为rpm，r为多孔径桨叶的长方形叶片中部至空心轴轴线距离，单位为m。