CN111876623A - 一种纳米颗粒诱发az91合金晶粒细化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，属于AZ91合金细化技术领域。该方法包括：将AZ91合金原料铝、锌和镁混匀后置于高温电阻炉中加热至720℃至完全融化后保温5‑30min，合金熔体搅拌混匀后降温至650℃，铝箔包覆好的纳米TiC0.3N0.7颗粒加入到其中并压到下部，合金熔体液面以下10‑20mm超声震动20‑30min，直至纳米TiC0.3N0.7颗粒均匀分散，待合金熔体升至720℃保温5‑10min，浇铸成形。本发明中纳米颗粒细化AZ91合金不仅对初晶α‑Mg细化效果显著，同时对共晶β‑Mg17Al12相也明显细化，细化效率高且无污染，适合工业化生产。

Description

一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法
技术领域
本发明属于AZ91合金细化技术领域，具体涉及一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法。
背景技术
AZ91镁合金因其具有质量轻、耐腐蚀性好、可铸性好、比强度高等优点，因而被广泛应用在航空航天及汽车轻量化等领域中。传统铸造方法所生产的AZ91镁合金，其凝固温度范围较宽，在凝固过程中晶粒有粗化的趋势，其次粗大的β-Mg17Al12相以离异共晶的形式呈网状在晶界析出，导致铸态合金的力学性能较低，限制其在工业的进一步应用。近几十年来，国内外研究学者就如何细化AZ91合金中的初晶α-Mg和β-Mg17Al12相进行广泛研究并提出相关措施。其中，孕育处理由于操作简单、生产成本低等一系列优点成为了提高其力学性能的一个重要方法，传统的孕育处理包括过热孕育法，氯化铁法以及碳质孕育法，但由于过热法中的温度太高致使合金氧化严重、氯化铁法中的Fe元素污染致使合金腐蚀性能降低以及碳质孕育法中产生的污染气体等缺点限制其应用。因此，找出一种新的无污染、效率高的新型变质剂对于AZ91合金的发展具有重要意义。
目前，国内外对镁合金的细化进行深入研究，Zr元素作为生长抑制效果好的元素，能够显著的细化镁，但是Zr的毒化作用，与Al反应会生成Al3Zr，限制了其在含铝镁合金中的应用。纳米颗粒作为一种新的细化剂，能够在Mg-Al合金中产生较好的细化效果，如SiC、SiC与Mg的晶格错配度较低，可以作为一个有效的形核质点，促进形核并细化晶粒，但有研究表明，SiC在熔体中不稳定，当Al含量较大时，容易与铝反应生成Al4C3，并且Si也会与Mg发生反应产生Mg2Si，弱化SiC的细化效果。其次，Al2Y也被发现为一个强力的形核颗粒，在Mg-Al合金中加入Y后的细化效果跟Zr在纯镁中的细化效果几乎一致。但是Al的含量不能过高，当Al的含量超过2wt％时，晶粒会发生粗化，其细化效果会大大降低。此外，有研究者还发现纳米颗粒能够作为超分子表面活性剂吸附在NaCl晶体表面抑制其生长。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，通过向AZ91合金熔体中添加热力学稳定和化学稳定的纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒，并经超声熔体震动将其分散在合金熔体中，能够同时细化初晶α-Mg和β-Mg17Al12相，细化效率高且无污染。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，包括以下步骤：
(1)将纳米TiC0.3N0.7颗粒用铝箔包覆；
(2)按照配比称取AZ91合金原料铝、锌和镁混匀后置于高温电阻炉中，并加热至720℃，待上述混合物完全融化后保温5-30min，搅拌使合金熔体混合均匀，降温；
(3)待所述高温电阻炉降至650℃，将步骤(1)铝箔包覆好的纳米TiC0.3N0.7颗粒加入到步骤(2)所得合金熔体中，并将其压入到所述合金熔体下部，将超声波发生器的探头浸入到所述合金熔体液面以下10-20mm，启动所述超声波发生器超声震动20-30min，直至所述纳米TiC0.3N0.7颗粒均匀分散于所述合金熔体内，取出所述探头；
(4)将步骤(3)处理后的合金熔体升至720℃保温5-10min，浇铸成形。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米TiC0.3N0.7颗粒为纳米陶瓷颗粒，粒径大小为30-50nm。
根据本发明的一些实施方式，所述原料镁、铝和锌均为工业纯镁、纯铝和纯锌。
根据本发明的一些实施方式，所述AZ91合金由按如下重量百分比计的原料组成：8.5％-9.5％的铝、0.5％-1％的锌，余量为镁。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米TiC0.3N0.7颗粒占所述AZ91合金质量的1％-4％。
根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中，还包括保温后除去熔体表面的渣后精炼处理的步骤。
本发明的细化原理在于：TiC0.3N0.7纳米颗粒具有较好的热稳定性和化学稳定性，当加入到AZ91合金中时，由于纳米颗粒自身的布朗运动及较大的表面能，当初晶α-Mg形成时，这些纳米颗粒能够自发的吸附在初晶α-Mg表面，形成一层致密的纳米壳层，阻碍α-Mg的长大。而且，该纳米颗粒与α-Mg具有一定的晶体学匹配关系，当熔体提供的形核过冷度足够时，纳米颗粒可以作为α-Mg的异质形核衬底，纳米壳层抑制α-Mg的生长会减少生长过程中释放的结晶潜热，增大熔体的过冷度，促进更多晶核的形成，达到初晶α-Mg细化的目的。此外在合金凝固时，初晶α-Mg生成时大部分纳米TiC0.3N0.7颗粒被推移至固液界面，改变固液界面能，减小结晶潜热的释放，导致纳米颗粒大量聚集，造成极大的过冷度，并且大量细化的初晶α-Mg提供了大量的晶界共晶反应发生，同时促进共晶β-Mg17Al12相的细化。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.通过向AZ91合金熔体中添加热力学稳定和化学稳定的纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒作为细化剂，在克服传统细化剂元素间毒化作用的同时，能够显著细化AZ91合金中的初晶α-Mg，同时对共晶β-Mg17Al12相也有较大的细化，使其呈细小均匀分布，优化合金组织，提高合金综合力学性能，为AZ91合金的细化提供了一种新途径。
2.本发明使用超声震动既可以均匀分散纳米颗粒，防止纳米颗粒团聚，又可以很好的改善纳米颗粒和熔体的润湿性，使得AZ91合金的强度和韧性得到极大的提升，适用于大规模的工业化生产。
附图说明
图1是实施例1合金浇注到铁制模具中的100倍金相显微组织偏光照片。
图2是实施例2合金浇注到铁制模具中的100倍金相显微组织偏光照片。
图3是实施例3合金浇注到铁制模具中的100倍金相显微组织偏光照片。
图4是实施例3合金浇注到铁制模具中的1000倍电子显微镜扫描照片。
图5是对比例1合金浇注到铁制模具中的100倍金相显微组织偏光照片。
图6是对比例1合金浇注到铁制模具中的1000倍电子显微镜扫描照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明内容做进一步说明。
如下实施例中，纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法如下：按重量百分比称取工业纯铝9％、纯锌1％和工业纯镁90％，组成AZ91基础合金。称取基础合金的质量分数1％-4％的纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒，粒径为30-50nm，并用铝箔包裹待用。将称量好的基础合金放至高温电阻炉中加热到720℃，待合金完全融化后保温5min，除去表面的渣后进行精炼10min并加以搅拌，使熔体混合均匀，之后设置炉温到650℃。当合金温度降至650℃后，将用铝箔包覆好的TiC0.3N0.7纳米颗粒加入到合金熔体中，用金钟罩将其压入到合金液面下，之后将超声波发生器探头浸入到合金液面以下10mm，启动超声波发生器，使其工作20min，待超声熔体震动过程结束后，取出探头，并适当搅拌合金熔体。待合金温度升至720℃保温5min，去除表面浮渣后，浇铸到预热为200℃的铁制模具中成形；其中：
实施例1
按照上述方法进行纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化，其中纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒占AZ91基础合金质量的1％。
实施例2
与实施例1的不同之处仅在于纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒占AZ91基础合金质量的2％。
实施例3
与实施例1的不同之处仅在于纳米TiC0.3N0.7陶瓷颗粒占AZ91基础合金质量的4％。
对比例1
按重量百分比称取工业纯铝9％、纯锌1％和工业纯镁90％，组成AZ91基础合金。将称量好的基础合金放至高温电阻炉中加热到720℃，待合金完全融化后保温5min，除去表面的渣后进行精炼10min并加以搅拌，使熔体混合均匀，再保温10min后，去除表面浮渣，浇铸到预热为200℃的铁制模具中成形。
对实施例1-3和对比例1中浇铸成型后的成品进行分析，初晶α-Mg和共晶β-Mg17Al12相的变化如图1至图6所示。随着纳米颗粒含量的增多可以看到初晶α-Mg的尺寸在不断减小，当添加量为4％时，晶粒尺寸有一个显著的细化。从图4和图6的对比中可以发现，连续网状且粗大的共晶β-Mg17Al12相在添加纳米颗粒后转变为断续弥散且细小的β-Mg17Al12相，尺寸明显地细化，说明纳米颗粒能够同时对初晶α-Mg和共晶β-Mg17Al12相达到明显的细化效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米TiC0.3N0.7颗粒用铝箔包覆；
(2)按照配比称取AZ91合金原料铝、锌和镁混匀后置于高温电阻炉中，并加热至720℃，待上述混合物完全融化为合金熔体后保温5-30min，搅拌混合均匀，降温；
(3)待所述高温电阻炉降至650℃，将步骤(1)铝箔包覆好的纳米TiC0.3N0.7颗粒加入到步骤(2)所得合金熔体中，并将其压入到所述合金熔体下部，将超声波发生器的探头浸入到所述合金熔体液面以下10-20mm，启动所述超声波发生器超声震动20-30min，直至所述纳米TiC0.3N0.7颗粒均匀分散于所述合金熔体内，取出所述探头；
(4)将步骤(3)处理后的合金熔体升温至720℃保温5-10min，浇铸成形。
2.根据权利要求1所述纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，所述纳米TiC0.3N0.7颗粒为纳米陶瓷颗粒，粒径大小为30-50nm。
3.根据权利要求1所述纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，所述AZ91合金由按如下重量百分比计的原料组成：8.5％-9.5％的铝、0.5％-1％的锌，余量为镁。
4.根据权利要求1或3所述纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，所述原料镁、铝和锌均为工业纯镁、纯铝和纯锌。
5.根据权利要求1至3任一项所述纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，所述纳米TiC0.3N0.7颗粒占所述AZ91合金质量的1％-4％。
6.根据权利要求1所述纳米颗粒诱发AZ91合金晶粒细化的方法，其特征在于，步骤(2)中，还包括除去所述合金熔体表面的浮渣后精炼处理的步骤。
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