CN112458343A - 一种含b非晶中间合金细化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝合金细化剂，所述的铝合金细化剂包括原子百分比为86‑92%的Al、原子百分比为4‑10%的Y、原子百分比为0‑6%的B,所述的铝合金细化剂是非晶合金,本发明的有益技术效果包括：细化A356铝合金的晶粒，从而获得力学性能更优异的A356铝合金，以满足铝合金车轮材质的要求,该细化剂提高了合金的强度和塑性，该A356铝合金非常适合于制造汽车车轮。

Description

一种含B非晶中间合金细化剂及其制备方法

技术领域

本发明一种含B非晶中间合金细化剂及其制备方法涉及一种含B非晶的中间合金细化剂，属于铝合金的熔炼和加工领域。特别涉及一种用于细化铝合金的铝合金细化剂，从而获得力学性能更为优异的铝合金，以满足车轮等领域需求的铝合金细化剂。

背景技术

铝合金具有良好的力学性能和铸造性能，如较低的密度、较高的强度、优异的流动性、良好的耐腐蚀性等，因此在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。用铝合金替代钢铁以实现交通工具的轻量化，可满足节能减排保护环境的需求。采用铝合金代替钢铁材料，结构重量可减轻50 %以上。随着汽车工业的蓬勃发展，铝合金车轮由于其造型美观大方、散热性能好、轻便省油、伸缩率高弹性好、刚性好、保圆形好等优点，目前在低、中、高端汽车中广泛应用。目前国际汽车行业中，经常采用A356铝合金来铸造成车轮。A356铝合金是Al-Si-Mg系合金，Si的质量含量为6.5 %-7.5 %，Mg的质量含量为0.25 %-0.35 %，由于Si质量含量>6 %，属于亚共晶组织。汽车车轮对A356铝合金的力学性能的一般要求为：抗拉强度(Rm)> 220 MPa、屈服强度(Rp0.2)>180 MPa、伸长率(As)>7 %。传统的添加Al-5Ti-1B中间合金的A356的力学性能为Rm：270-280 MPa、Rp0.2：220-230 MPa、As：8 %-9 %。近些年来，随着汽车制造技术的不断发展，对铝合金的综合力学性能也提出了更高的要求。

晶粒细化是一种有效改善金属材料综合力学性能的手段，在铝合金生产中被广泛应用。传统的铝合金细化剂通常为Al-Ti-B以及Al-Ti-B-C合金等，富含AlB₂粒子的Al₃Ti₃B中间合金在对Al₉Si_0.45Mg铝合金进行晶粒细化时具有比Al₅Ti₁B合金更佳的细化效果，主要原因是先析出的α-Al相有良好的细化作用，而被细化合金延展性的提高则是由于合金中氧化物和气孔等缺陷的减少以及晶粒尺寸的减小。微观组织均匀的Al₃Ti₁B_0.2C中间合金加入到熔融的绿叶中产生的TiB₂粒子表现出分层的枝状结构，而掺杂了微量的B的TiC粒子则表现出多面体结构，该中间合金对A356铝合金展现了较好的细化效果。当在被细化合金中存在锆时，Al-Ti-B系细化剂的细化效果被大大减弱，这种现象被他们称为“锆中毒”，其主要是由于锆的存在导致细化过程中TiB₂的（0001）晶面上形成的二维Al₃Ti结构的分解，同时在该位置形成Ti₂Zr层阻碍TiB₂成为α-Al相的形核质点。此外还有许多元素如Sr、Si、Ti等对铝合金晶粒细化的影响机理被人们研究。在传统细化剂研究的基础上，一些稀土元素被引入到铝合金的细化剂中。在Al-Ti-B-C系细化剂的基础上引入稀土元素Y可以实现了对Al-Cu-Mn合金的极佳的细化效果Al₂La₁B中间合金在细化过程中LaB₆粒子作为α-Al相的异质成核质点，从而起到较好的细化效果。

然而，现有商业上应用的Al-Ti-B细化剂在实际使用过程中会出现粗大针状的TiAl₃相，而且作为形核中心的TiB₂相易聚集成团。与此同时，由于TiB₂在高温下容易聚集，这限制了该细化剂在产业上的应用，并且容易造成铝液需要返回加工甚至报废，造成了极大的浪费。而含C的细化剂难以生产，质量也不够稳定，不能在产业上大规模应用。

为了克服以上的技术问题，迫切需要一种新型的铝合金细化剂，来提高铝合金的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含B非晶中间合金细化剂，从而获得力学性能更为优异的铝合金，以满足车轮等领域的需求。为了实现以上的发明目的，本发明提供了以下的技术方案：

本发明一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于，所述的一种含Ti非晶中间合金细化剂包括原子百分比为86-92 %的Al、原子百分比为4-10 %的Y、原子百分比为0-6 %的B；优选地，所述的铝合金用中间合金细化剂是非晶合金。

优选地，所述的一种含B非晶中间合金细化剂由原子百分比为86-90 %的Al、原子百分比为4-10 %的Y、原子百分比为2-6 %的B组成。

优选地，所述的一种含B非晶中间合金细化剂由原子百分比为88 %的Al、原子百分比为10 %的Y和原子百分比为2 %的B组成，所述的铝合金用中间合金细化剂是非晶合金。

本发明中一种含B非晶中间合金细化剂的制备方法步骤如下：

(1)将单质B和Y按照比例加入感应熔炼炉中，并在惰性气体氛围下进行粗炼，然后加入一定量Al，在惰性气氛保护下加入电弧熔炼炉中反复熔炼；

(2)将熔炼得到的母合金放入石英管中，使用铜模浇铸或者单辊旋淬的方法将步骤(1)所述的熔体制备成圆柱状或条带状铸件；

优选地，所述步骤(2)中使用单辊旋淬的方法来将熔体制备成条带状铸件。

所述的一种含B非晶中间合金细化剂是铝-钇-硼非晶条带。

本发明还涉及一种铝合金细化处理工艺，所述细化剂为铝-钇-硼非晶条带中间合金细化，细化处理步骤如下：

步骤一、制备铝-钇-硼非晶条带：按照Al的原子百分比为86 %-92 %，Y的原子百分比为4 %-10 %，B的原子百分比为0 %-6 %制备出铝-钇-硼非晶条带；

步骤二、熔炼精炼：以铝合金为合金原料，以步骤一制得的铝-钇-硼非晶条带为中间合金，采用坩埚电阻炉熔炼，熔炼温度为770-800 ℃，在该熔炼温度下放入合金原料保温30-50分钟，搅拌至合金原料完全熔化；按照合金原料的质量百分比为0.2-0.8 %加入步骤一制得的铝-钇-硼非晶条带，在770-800 ℃保温5-120分钟；

步骤三、重力铸造：保温结束后，搅拌后取出坩埚，将铝熔体浇铸于铸铁模具中，自然空冷后形成棒材；

步骤四、热处理：将铸铁模具中的棒材进行热处理，包括，固溶处理：棒材在540 ℃的热处理炉中保温2小时，在80 ℃的热水中进行淬火处理；时效处理：淬火处理结束后，将棒材转移至150 ℃的热处理炉中保温12小时，空冷。

优先地，铝合金是A356铝合金、ZL101铝合金、ZL102铝合金和ZL104铝合金。

本发明的有益技术效果包括：细化铝合金的晶粒，从而获得力学性能更优异的铝合金，以满足铝合金车轮材质的要求。该细化剂提高了铝合金的强度和塑性，该铝合金非常适合于制造汽车车轮。

附图说明

图1是本发明实施例1-6中的试验组A1-1、A2-1、A3-1、A4-1、A5-1和A6-1，也即在A356铝合金中添加铝-钇-硼非晶条带中间合金的试样的铸态金相组织图，其中，(a)为实施例1的A1-1试样的铸态金相组织图，(b)为实施例2的A2-1试样的铸态金相组织图，(c)为实施例3的A3-1试样的铸态金相组织图，(d)为实施例4的A4-1试样的铸态金相组织图，(e)为实施例5的A5-1试样的铸态金相组织图，(f)为实施例6的A6-1试样的铸态金相组织图。

图2是本发明实施例1-6的试验组A1-1、A2-1、A3-1、A4-1、A5-1和A6-1，也即在A356铝合金中添加铝-钇-硼非晶条带中间合金的力学性能图，其中，(图2a)为抗拉强度；(图2b)为屈服强度；(图2c)为伸长率。

图3是本发明加入的非晶条带Al88Y10B2(细化剂A)的DSC和XRD图，其中，(a)为DSC图，(b)为XRD图。

具体实施方式：

以下通过实施例讲述本发明的详细内容，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

实施例1

本发明一种含Ti非晶中间合金细化剂，其特征在于，所述的一种含B非晶中间合金细化剂包括Al的原子百分比为88 %，Y的原子百分比为10 %，B的原子百分比为2 %制备出Al88Y10B2非晶条带中间合金。

上述Al88Y10B2非晶条带中间合金制备方法如下：

将单质B和Y按照比例加入感应熔炼炉中，并在惰性气体氛围下进行粗炼，然后加入一定量Al，在惰性气氛保护下加入电弧熔炼炉中反复熔炼；将熔炼得到的母合金放入石英管中，采用感应加热使母合金熔化，保持温度在熔点以上50-150 ℃，用惰性气体(Ar气)将熔融的母合金喷出至高速旋转(转速为3000-4000 r/min)的铜辊上，甩出条带状铸件。

实施例2

本发明一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于，所述的一种含B非晶中间合金细化剂包括Al原子百分比为88 %，Y的原子百分比为8 %，B的原子百分比为4 %制备出Al88Y8B4非晶条带中间合金。

上述Al88Y8B4非晶条带中间合金制备方法如下：

将单质B和Y按照比例加入感应熔炼炉中，并在惰性气体氛围下进行粗炼，然后加入一定量Al，在惰性气氛保护下加入电弧熔炼炉中反复熔炼；将熔炼得到的母合金放入石英管中，采用感应加热使母合金熔化，保持温度在熔点以上50-150 ℃，用惰性气体(Ar气)将熔融的母合金喷出至高速旋转(转速为3000-4000 r/min)的铜辊上，甩出条带状铸件。

用实施例1、实施例2获取的非晶条带中间合金别对铝合金进行如下步骤细化处理：

步骤一、采用坩埚电阻炉熔炼，熔炼温度为800 ℃，在该温度下分别放铝合金保温10分钟，搅拌确保铝合金完全熔化，按照铝合金的质量百分比为0.2 %的非晶条带中间合金，在800 ℃保温10分钟。

步骤三、重力铸造：保温结束后，取出坩埚将铝熔体浇铸于铸铁模具中，自然空冷后为棒材。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理(即固溶处理后进行时效处理)。其中，固溶处理是棒材在540 ℃的热处理炉中保温2小时，在80 ℃的热水中进行淬火处理。时效处理是淬火处理结束后，将棒材转移至150 ℃的热处理炉中保温12小时，空冷。

所述铝合金原料为：

铝合金1：商用A356铝合金；

铝合金2：商用ZL101铝合金；

铝合金3：商用ZL102铝合金；

铝合金4：商用ZL104铝合金。

按照表1所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表1：实施例1、实施例2中细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	细化剂占铝合金的质量百分比/%
				A1-1	细化剂A	铝合金1	0.2
A2-1	细化剂A	铝合金2	0.2
				A3-1	细化剂A	铝合金3	0.2
A4-1	细化剂A	铝合金4	0.2
				B1-1	细化剂B	铝合金1	0.2
B2-1	细化剂B	铝合金2	0.2
				B3-1	细化剂B	铝合金3	0.2
B4-1	细化剂B	铝合金4	0.2

利用奥林巴斯金相显微镜GX51对试验组A1-1的步骤三得到的试样进行金相检测，结果如图1中的(a)所示，利用WDW-20万能力学试验机拉伸速率为0.5 mm/分钟，对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。如图2所示，抗拉强度为184.33MPa，屈服强度为91.24 MPa,伸长率为9.05 %。该数据表明，按照实施例1的方法，并且使用本发明的细化剂A进行细化操作的铝合金与现有技术中细化后的铝合金相比，抗拉强度更高，屈服强度更高，并且保持了理想的伸长率水平。

还利用奥林巴斯金相显微镜GX51对其余各个试验组的试样进行金相检测。结果表明以上各组中的铸态组织枝晶细小均匀，呈长条状和树枝状分布，实现了良好的细化效果。以上的各组金相检测图未显示。与此同时，对各个试验组的试样进行了抗拉强度、屈服强度和伸长率的试验。试验结果表明，各个机械参数均比细化前有明显提高，完全可以在产业上应用。

与此同时，发明人发现，本实施例中的铝合金细化剂具有较好的质量稳定性，容易达到工艺上的可重复性和稳定性。因此本实施例中的铝合金细化剂也克服了现有技术中的铝合金细化剂的缺点。

实施例3

采用非晶条带中间合金对铝合金进行如下步骤细化处理步骤如下：

步骤一、制备非晶条带中间合金，同实施例一。

步骤二、熔炼精炼，该步骤二与实施例一中步骤一的不同仅在于加入非晶条带中间合金的质量百分比由0.2 %变为0.4 %。

步骤三、重力铸造，同实施例一。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理，同实施例一。

按照表2所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表2：细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	细化剂占铝合金的质量百分比/%
				A1-2	细化剂A	铝合金1	0.4
A2-2	细化剂A	铝合金2	0.4
				A3-2	细化剂A	铝合金3	0.4
A4-2	细化剂A	铝合金4	0.4
				B1-2	细化剂B	铝合金1	0.4
B2-2	细化剂B	铝合金2	0.4
				B3-2	细化剂B	铝合金3	0.4
B4-2	细化剂B	铝合金4	0.4

对步骤三得到的试样进行金相检测，试验组A1-2的结果如图1中的(b)所示。对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。实施例2的A1-0.4组中，铸态组织晶粒进一步细化，抗拉强度为190.22 MPa，屈服强度为94.815 MPa,伸长率为9.5%。

对步骤三得到的其余各个试样进行同样地金相检测和机械性能试验，结果显示，细化效果比调整比例之前更为显著且能获得良好的力学性能。

实施例4

采用非晶条带中间合金对铝合金进行如下步骤细化处理步骤如下：

步骤一、制备非晶条带中间合金，同实施例一。

步骤二、熔炼精炼，该步骤二与实施例一中步骤一的不同仅在于加入非晶条带中间合金的质量百分比由0.2 %变为0.6 %。

步骤三、重力铸造，同实施例一。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理，同实施例一。

按照表3所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表3：细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	细化剂占铝合金的质量百分比/%
				A1-3	细化剂A	铝合金1	0.6
A2-3	细化剂A	铝合金2	0.6
				A3-3	细化剂A	铝合金3	0.6
A4-3	细化剂A	铝合金4	0.6
				B1-3	细化剂B	铝合金1	0.6
B2-3	细化剂B	铝合金2	0.6
				B3-3	细化剂B	铝合金3	0.6
B4-3	细化剂B	铝合金4	0.6

对步骤三得到的试样进行金相检测，试验组A1-3的结果如图1中的(c)所示，对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。实施例3的A1-3试验组中，相对于实施例1，如图1中的(c)所示，晶粒大小变化不明显，二次枝晶数量增多，如图2所示，抗拉强度为230.65 MPa，屈服强度为102.255 MPa,伸长率为10.5 %。

还对其他各个试验组的试样进行了试验，结果显示，晶粒大小变化不明显，二次枝晶数量增多，并且抗拉强度、屈服强度和伸长率均比细化处理前有明显上升。

实施例5

实施例4

采用非晶条带中间合金对铝合金进行如下步骤细化处理步骤如下：

步骤一、制备非晶条带中间合金，同实施例一。

步骤二、熔炼精炼，该步骤二与实施例一中步骤一的不同仅在于加入非晶条带中间合金的质量百分比由0.2 %变为0.8 %。

步骤三、重力铸造，同实施例一。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理，同实施例一。

按照表3所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表3：细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	细化剂占铝合金的质量百分比/%
				A1-3	细化剂A	铝合金1	0.8
A2-3	细化剂A	铝合金2	0.8
				A3-3	细化剂A	铝合金3	0.8
A4-3	细化剂A	铝合金4	0.8
				B1-3	细化剂B	铝合金1	0.8
B2-3	细化剂B	铝合金2	0.8
				B3-3	细化剂B	铝合金3	0.8
B4-3	细化剂B	铝合金4	0.8

对步骤三得到的试样进行金相检测，试验组A1-4的结果如图1中的(d)所示，对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。如图2所示，实施例4的试验组A1-4的试样的抗拉强度为225.22 MPa，屈服强度为99.125 MPa，伸长率为9.27 %。

还对其他各个试验组的试样进行了试验，结果显示，晶粒出现粗化，但是抗拉强度、屈服强度和伸长率均比细化处理前有明显上升。

实施例6

采用非晶条带中间合金对铝合金进行如下步骤细化处理步骤如下：

步骤一、制备非晶条带中间合金，同实施例一。

步骤二、熔炼精炼，该步骤二与实施例一中步骤一的不同仅在于加入铝合金细化剂后在800 ℃的保温时间由10分钟改为5分钟。

步骤三、重力铸造，同实施例一。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理，同实施例一。

按照表4所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表4：细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	保温时间/分钟
				A1-4	细化剂A	铝合金1	5
A2-4	细化剂A	铝合金2	5
				A3-4	细化剂A	铝合金3	5
A4-4	细化剂A	铝合金4	5
				B1-4	细化剂B	铝合金1	5
B2-4	细化剂B	铝合金2	5
				B3-4	细化剂B	铝合金3	5
B4-4	细化剂B	铝合金4	5

对步骤三得到的试样进行金相检测，试验组A1-5的结果如图1中的(e)所示，对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。实施例5的试验组A1-5的试样的抗拉强度为199.195 MPa，屈服强度为96.825 MPa,伸长率为8.95 %。

同时对其他各个试验组的试样进行了金相检测和拉伸力学性能测试。结果显示，晶粒进一步变大，共晶组织出现聚集变大的现象。但是，抗拉强度和屈服强度仍然比处理之前有所提高。

实施例7

采用非晶条带中间合金对铝合金进行如下步骤细化处理步骤如下：

步骤一、制备非晶条带中间合金，同实施例一。

步骤二、熔炼精炼，该步骤二与实施例一中步骤一的不同仅在于加入铝合金细化剂后在800 ℃的保温时间由10分钟改为20分钟。

步骤三、重力铸造，同实施例一。

步骤四、将铸铁模具中的棒材进行T6热处理，同实施例一。

按照表5所示的工艺参数进行细化操作，表中未指明的参数如前文所述并且在各个试验组中都是相同的。

表5：细化处理铝合金的工艺条件

试验组号	铝合金细化剂	铝合金	保温时间/分钟
				A1-5	细化剂A	铝合金1	20
A2-5	细化剂A	铝合金2	20
				A3-5	细化剂A	铝合金3	20
A4-5	细化剂A	铝合金4	20
				B1-5	细化剂B	铝合金1	20
B2-5	细化剂B	铝合金2	20
				B3-5	细化剂B	铝合金3	20
B4-5	细化剂B	铝合金4	20

对步骤三得到的试样进行金相检测，试验组A1-6的结果如图1中的(f）所示，对步骤三制得的试样进行拉伸力学性能测试，如图2中的(a)、(b)和(c)所示。实施例6的试验组A1-6的试样的抗拉强度为223.41 MPa，屈服强度为98.335 MPa,伸长率为9.32 %。

同时对其他各个试验组的试样进行了金相检测和拉伸力学性能测试。结果显示，晶粒进一步变大，共晶组织出现聚集变大的现象。但是，抗拉强度和屈服强度仍然比处理之前有所提高。

综上可知，在A356铝合金中AlYB中间合金细化剂最佳添加量为0.6%，添加细化剂后的最佳保温时间为10分钟。

通过上述结合实验附图对本发明进行了描述，但以上具体实施案例仅仅是部分实验，并不是用来限制本发明的实施范围。本领域的相关技术人员依据本发明或不脱离本发明宗旨的情况下，所进行的等效变形和相关修饰，这些都在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于，所述的一种含Ti非晶中间合金细化剂包括原子百分比为86-92 %的Al、原子百分比为4-10 %的Y、原子百分比为0-6 %的B。

2.根据权利要求1所述的一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于所述的一种含B非晶中间合金细化剂由原子百分比为86-90 %的Al、原子百分比为4-10 %的Y、原子百分比为2-6 %的B组成。

3.根据权利要求1所述的一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于所述的一种含B非晶中间合金细化剂由原子百分比为88 %的Al、原子百分比为10 %的Y和原子百分比为2 %的B组成。

4.根据权利要求1-3中任一所述的一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于所述的铝合金用中间合金细化剂是非晶合金。

5.根据权利要求4所述的一种含B非晶中间合金细化剂，其特征在于所述的一种含B非晶中间合金细化剂是铝-钇-硼非晶条带。

6.一种含B非晶中间合金细化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将单质B和Y按照比例加入感应熔炼炉中，并在惰性气体氛围下进行粗炼，然后加入一定量Al，在惰性气氛保护下加入电弧熔炼炉中反复熔炼；

(2)将熔炼得到的母合金放入石英管中，使用铜模浇铸的方法将步骤(1)所述的熔体制备成圆柱状或条带状铸件。

7.根据权利要求6所述的一种含B非晶中间合金细化剂的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中使用单辊旋淬的方法来将熔体制备成条带状铸件。

8.一种铝合金细化处理工艺，所述细化剂为铝-钇-硼非晶条带中间合金细化，细化处理步骤如下：

步骤一、制备铝-钇-硼非晶条带：按照Al的原子百分比为86 %-92 %，Y的原子百分比为4 %-10 %，B的原子百分比为0 %-6 %制备出铝-钇-硼非晶条带；

步骤二、熔炼精炼：以铝合金为合金原料，以步骤一制得的铝-钇-硼非晶条带为中间合金，采用坩埚电阻炉熔炼，熔炼温度为770-800 ℃，在该熔炼温度下放入合金原料保温30-50分钟，搅拌至合金原料完全熔化；按照合金原料的质量百分比为0.2-0.8 %加入步骤一制得的铝-钇-硼非晶条带，在770-800 ℃保温5-120分钟；

步骤三、重力铸造：保温结束后，搅拌后取出坩埚，将铝熔体浇铸于铸铁模具中，自然空冷后形成棒材；

步骤四、热处理：将铸铁模具中的棒材进行热处理，包括，固溶处理：棒材在540 ℃的热处理炉中保温2小时，在80 ℃的热水中进行淬火处理；时效处理：淬火处理结束后，将棒材转移至150 ℃的热处理炉中保温12小时，空冷。

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