CN110983082A - 一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金制造技术领域，具体涉及一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂。本发明开发一种固态焓变剂与机械搅拌的复合工艺，或制备成处于液固两相区的半固态形式，以电磁搅拌复合方式进行，该熔变剂的成分与铸件的材质相当，且包含一定的细化与变质微量元素。本发明焓变剂通过搅拌的方式加入到铝液中，依靠焓变剂的吸热、熔化以及微量元素等，控制铝熔体的过冷度，促进异质形核，从而获得高效可控，晶粒组织细小均匀的半固态浆料，可以解决半固态制浆工艺中，容易形成卷气夹杂、固相率不易控且制浆效率低、浆料质量不稳定等技术问题。

Description

一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂

技术领域

本发明属于铝合金制造技术领域，具体涉及一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂。

背景技术

铸造铝合金在工业领域有着广泛的应用，随着技术的发展，对铝合金铸件的性能要求也不断提高。目前的铝合金铸件主要以液态成型为主，即将铝合金熔后浇注到模具型腔中成型，这种成型方式经济高效，但铸件质量不高，主要是体现在铸造缺陷，如缩孔、疏松、卷气、氧化夹杂等难以控制。

为弥补缺陷，近来年发展了半固态成型技术，即将铝合金液降温到液相线以下，在一定外力的作用下，凝固产生一定的类似球状的固相率粒子，形成半固态浆料，再用挤压铸造、高压铸造等工艺把半固态浆料填充到模具型腔而成型。由于半固态浆料温度低、粘度大，一方面充填流动时不易产生湍流，而是以层流充填型腔，因此容易控制卷气、氧化夹杂等缺陷，另一方面，成型温度低，则金属液体收缩小，因此缩孔、疏松就少。因此半固态成型是获得组织致密、性能优良铸件的理想工艺。但如何获得高效的、固相率可控、铸件晶粒形态圆整的半固态浆成为半固态成型技术推广和应用关键。半固态铝合金是将液态铝合金温度降至液相线以下，析出部分固相后，并通过一定外力的搅拌作用，使固相粒子变成球状晶粒，形成固液两相混合物，其中固相比例可高可低。

目前常用的半固态浆料制备方法主要是搅拌工艺，如机械搅拌、磁力搅拌、超声波搅拌以及机械振荡等，其基本原理都是利用机械力将初步凝固的树枝晶破碎，形成细小的形核质点，制备含有固相质点的半固态浆料，这些质点在铸件成型后的凝固中可以作为形核核心，起来细化晶粒作用。现有的这种靠机械力搅拌的半固态制浆工艺效率较低，过程难控制，主要是因为铝液依靠对流方式传热降温，过冷度较难控制，因此固相率也较难控制，且搅拌时铝液翻滚激烈，易形成卷气夹杂，且依靠机械力搅拌，形成的固相质点尺寸不一，最终铸件晶粒组织也不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂。焓变剂是可以通过吸收铝液热量，改变铝液的温度状态，从材料热力学角度，即改变整个铝液的焓值。本发明焓变剂通过搅拌的方式加入到铝液中，依靠焓变剂的吸热、熔化以及微量元素等，控制铝熔体的过冷度，促进异质形核，从而获得高效可控，晶粒组织细小均匀的半固态浆料，可以解决半固态制浆工艺中，容易形成卷气夹杂、固相率不易控且制浆效率低、浆料质量不稳定等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，所述焓变剂包括了与铸件材质相当，且含有微量元素的固态或处于液固两相区的铝合金细化剂。

所述微量元素包括Ti，Sr，Sc，RE，Zr，Ni，Mn，Cr，Ce，La中的一种或几种。

所述焓变剂中还包括P或S元素。

所述焓变剂为固态或液固状态的形式，以机械搅拌或电磁搅拌方式加入，来提高铝合金熔体粘度的工艺与方法；所述焓变剂采用机械搅拌或电磁搅拌添加到铝合金熔体中，焓变剂含有细化变质元素与材料强化元素，同时在熔融过程起到吸热与细化作用，同时也可以起到微量合金元素作用。

所述机械搅拌或电磁搅拌工艺中，旋转中心不变，转速根据铝液面的状态进行调整，以铝液不产生激烈翻滚为标准。

所述焓变剂加入量根据浆料的固相率要求，通过热力学计算后确定。

具体的，用于铝硅合金的焓变剂由铝合金制备而成，成分主要含有Ti，RE，P，Sr，S，Sc元素的铝合金细化剂；焓变剂添加量为熔体质量的3-15%；

进一步的，所述含有Ti，RE，P，Sr，S，Sc元素的铝合金细化剂为中间合金或单质形式加入，如Al-10Ti，Al-10Sr，Cu-10P，S等形态。

具体的，用于铝铜合金的焓变剂成分主要含有Ti，Cr，Zr，RE元素铝合金细化剂，焓变剂添加量为熔体质量的3-9%；

进一步的，所述含有Ti，Cr，Zr，RE元素的铝合金细化剂为中间合金或单质形式加入，如Al-10Ti，Al-10Zr，Al-5Ce/La，S等形态。

具体的，用于铝镁合金的焓变剂的成分主要含有Ti，Sc，Ni，Mn，Cr，Zr，RE元素的铝合金细化剂，焓变剂添加量为熔体质量的3-9%。

进一步的，所述含有Ti，Sc，Ni，Mn，Cr，Zr，RE元素的铝合金细化剂为为中间合金或单质形式加入，如Al-10Ti，Al-2Sc，Al-10Mn，RE等形态。

具体的，用于铝锌合金的焓变剂的成分主要含有Ti，Sc，Zr，RE元素的铝合金细化剂；或者焓变剂的成分主要含有Sr，Ti，RE元素的铝合金细化剂；添加量为熔体质量的3-9%。

进一步的，所述含有Ti，Sc，Zr，RE元素的铝合金细化剂为中间合金或单质形式加入Al-10Ti，Al-10Zr，RE。

进一步的，所述含有Sr，Ti，RE元素的铝合金细化剂为Al-10Sr，Al-10Ti，RE。

本发明采用的熔变剂主要起到两个方面作用，一是产生细化熔体的晶核颗粒，包括从焓变剂熔蚀下来产生晶粒以及加到焓变剂的Ti，Sr，Sc，RE等变质元素与细化元素，第二作用是吸热，把熔体的热量用于熔解焓变剂的方式带走热量，为了提高焓变剂在熔体的熔解速度与吸热作用，并用含有微量的稀土元素，如Sc，Ce、La等元素，采用转速为500-2000转的电机或电磁设备进行搅拌带到铝合金熔体中。

所述焓变剂可调整熔体的细化固相比例与粘度大小，铝合金正常熔炼条件下，一般温度在650-740℃之间，可以通过焓变剂吸热作用降低熔体温度到液固两相区，同时在电机或电磁旋转搅拌作用，焓变剂在吸热熔解折出合金元素与细化质点，可以细化铝合金中相关的不同成分的晶粒。

本发明的显著优点在于：

本发明开发一种固态焓变剂与机械搅拌的复合工艺，或制备成处于液固两相区的半固态形式，以电磁搅拌复合方式进行，该熔变剂的成分与铸件的材质相当，且包含一定的细化与变质微量元素。利用焓变剂的吸热作用给铝液降温，降温幅度可由焓变剂的质量来进行控制，即加入焓变质的质量不同，其吸热量也不同，从而较准确控制铝液过冷度和固相率。焓变剂可固定在搅拌头上，沉入铝液中后，随搅拌头一起高速旋转，但搅拌轴旋转中心不变，依靠沉入铝液中的固态焓变剂搅动铝液，通过搅拌速度控制，可以防止铝液的激烈翻滚，减少铝液卷气和夹杂。或者将处于液固两相区的半固态浆料的焓变剂以电磁搅拌方式，添加到铝熔体中，固态焓变剂吸收铝液热量后，会从表面开逐渐熔化，初始熔化的焓变剂主要是固液混合相，在搅拌力作用下进入铝液中，从而作为形核质点；或处于液固两相区的半固态浆料提前析出的球状晶核，在电磁的搅拌作用会分布扩散到熔体中，这些质点与焓变剂中的细化与变质元素在铸件成型后的凝固过程可以发挥形核核心作用，从而细化铸件的晶粒和第二相组织。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

铝硅合金：焓变剂由铝合金制备而成，成分主要含有Sr，Ti，RE，P，S，Sc元素铝合金细化剂，添加量为熔体质量的3-15%，为转速为500-2000转每分钟的电机或电磁设备进行添加。

以A356合金为例，添加量为熔体质量的5%，焓变剂做成圆棒状，主要成分按质量分数计含7%Si，0.2-0.5%Sr，1-2%%RE，0.4-0.8%Ti，余量为铝，再由电机带动，转速800-2000转，放在一定量的铝硅合金熔体中，进行搅拌，时间20秒，或将处于液固两相区的焓变剂采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体中的焓变剂，采用电磁搅拌方式使存在着固相粒子的焓变剂熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，此时铝合金熔体含有15-30%的固相率，属于具有球状晶的半固态浆料。

如Al12Si共晶铝硅合金，如ZL102材料，焓变剂的主要成分按质量分数计含7%Si，0.2-0.5%Sr，1-2%%RE，0.4-0.8%Ti，余量为铝，做成搅拌头，再通过机械或电磁搅拌作用，转速800-2000转，搅拌时间10-20秒，转速800-2000转每分钟，放在一定量的铝硅合金熔体中，进行搅拌，时间20秒，或采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体的液固两相区的焓变剂，采用电磁搅拌方式使焓变剂搅拌头熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，当搅拌结束时，铝合金熔体的含有15-30%的固相率，属于具有球状晶的半固态浆料。

对于硅含量超过12%，即过共晶铝硅合金，一般含量在13-30%过共晶铝硅合金，焓变剂按质量分数计主要成分为7%Si，0.2-0.5%P或S，1-2%%RE，0.4-0.8%Ti或稀土Sc，余下为铝合金，做成搅拌头，采用机械搅拌方式，转速800-2000转每分钟，搅拌时间10-20秒，或采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体的处于液固两相区的焓变剂，采用电磁搅拌方式使焓变剂熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，当搅拌结束时，铝合金熔体的含有15-30%的固相率，属于具有球状晶的半固态浆料。

实施例2

铝铜合金：焓变剂的成分主要含有Ti，Cr，Zr，RE元素铝合金细化剂，添加量为熔体质量的3-15%，为转速为500-2000转每分钟的电机或电磁设备进行添加。

以Al-5%Cu(ZL201)合金为例，以焓变剂的重量比为熔体质量的5%，焓变剂做成圆棒状，焓变剂按质量分数计主要成分为5%Cu，1-2%%RE，0.4-0.8%Ti或稀土Sc，余下为铝；做成搅拌头，再由电机带动，转速800-2000转每分钟，放在一定量的铝铜合金熔体中，进行搅拌，时间20秒；或采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体的液固两相区的焓变剂，采用电磁搅拌方式使焓变剂搅拌头熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，此时铝合金熔体可控制在15-30%的液固两相区。

实施例3

铝镁合金：焓变剂的成分主要含有Ti，Sc，Ni，Mn，Cr，Zr，RE元素铝合金细化剂，添加量为熔体质量的3-15%，为转速为500-2000转每分钟的电机或电磁设备进行添加。

以ZL301合金为例以焓变剂的重量比为熔体质量的5%添加，焓变剂按质量分数计主要成分为2-5%Mg，1-2%%RE，0.4-0.8%Ti或稀土Sc，余下为铝合金，做成搅拌头，焓变剂做成一定圆棒状，再由电机带动，转速800-2000转每分钟，放在一定量的铝镁合金熔体中，进行搅拌，时间20秒；或采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体的液固两相区的焓变剂，采用电磁搅拌方式使焓变剂搅拌头熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，此时铝合金熔体可控制在15-30%的液固两相区。

实施例4

铝锌合金：焓变剂的成分主要含有Ti，Sc，Zr，RE等铝合金细化剂。焓变剂的成分主要含有Sr，Ti，RE等铝合金细化剂，添加量3-15%，为转速为500-2000转每分钟的电机或电磁设备进行添加。

以ZL401合金为例，以添加量为熔体质量的5%，焓变剂做成一样圆棒状，再由电机带动，转速800-2000转每分钟，放在一定量的铝锌合金熔体中，进行搅拌，时间20秒；或采用电磁搅拌方式，把加入到铝熔体的液固两相区的焓变剂，采用电磁搅拌方式使焓变剂熔解吸热，并析出相应合金元素细化粒子，此时铝合金熔体可控制在15-30%的液固两相区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述焓变剂包括了与铸件材质相当，且含有微量元素的固态或处于液固两相区的铝合金细化剂。

2.根据权利要求1所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述微量元素包括Ti，Sr，Sc，RE，Zr，Ni，Mn，Cr，Ce，La中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述焓变剂中还包括P或S元素。

4.根据权利要求1所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述焓变剂制备成固体棒状作为搅拌头后，浸入铝液中，通过机械搅拌使焓变剂快速吸热熔解到铝液中，从而完成半固态浆料制备；或将处于液固两相区的焓变剂通过电磁搅拌作用，加入到铝熔体中，产生吸热细化作用，形成半固态浆料。

5.根据权利要求4所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述机械搅拌或电磁搅拌工艺中，旋转中心不变，转速根据铝液面的状态进行调整，以铝液不产生激烈翻滚为标准。

6.根据权利要求1所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述的焓变剂加入量与制备时间根据浆料的固相率要求，通过热力学计算后确定。

7.根据权利要求6所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述焓变剂用于制备半固态高粘度铝合金流体时，固相率一般可控制在大于5%以上，圆整度大于0.7，晶粒度小于250μm，添加量为熔体质量的3-15%。

8.根据权利要求1所述的用于制备半固态高粘度铝合金流体的焓变剂，其特征在于：所述的焓变剂根据不同的铸件成分要求进行成分设计，其中包括微量元素的设计，适用范围包括铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金、铝锌合金。