CN113234948A - 一种四元系合金晶粒细化剂及其制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四元系合金晶粒细化剂及其制备和应用方法，属于晶粒细化领域。该细化剂主要的化学成分及其质量百分比为：Si：0.1‑50wt.％，V：0.1‑10wt.％，B：0.1‑10wt.％，Al:30‑99.7wt.％，该细化剂采用特别的元素和配比，对铝合金有优异的晶粒细化效果，其中对硅含量较高(4wt.％)的铝硅合金的细化效果尤佳。通过该发明制备出的细化剂在A356等铸造铝合金上应用，证实能够获得极佳的细化效果。

Description

一种四元系合金晶粒细化剂及其制备和应用方法

技术领域

本发明属于晶粒细化技术领域，更具体地，涉及一种合金晶粒细化剂及其制备和应用方法。

背景技术

根据霍尔佩奇公式，合金的屈服强度会随着晶粒尺寸的减小而显著提高，同时，晶粒尺寸的减小还能提高合金的塑性和韧性。因此，晶粒细化技术已经成为提高金属材料组织和性能的重要手段。目前，晶粒细化技术主要分为物理法和化学法。其中，物理法主要是通过施加外场处理等手段来细化晶粒，但是外场处理设备通常较为复杂和昂贵，能耗高且细化效果有限；化学法主要是通过向合金中添加中间合金或其他物质作为细化剂来促进凝固过程中的形核现象，从而细化晶粒。其中添加细化剂的操作简便，效果良好，是铝合金中最广泛使用的细化晶粒的方法。

如今，铝硅合金因其密度小、比强度高、高强韧性以及铸造性能优异等特点，已广泛应用于汽车、航空航天等领域。晶粒细化是进一步提高铝硅合金力学性能的重要手段之一，但是对于硅含量较高(＞4wt.％)的铝硅合金，如牌号为A356的铝硅合金，现有的商用铝合金细化剂，如Al-Ti-B中间合金，其细化效果并不理想。研究表明添加Al-Ti-B中间合金后除了会出现沉降问题外，更重要的一点是其中起细化作用的TiB₂颗粒会被铝硅合金中原有的Si原子毒化而失去其原有的细化效果。而Al-B、Al-Nb-B、Al-Ti-Nb-B等中间合金虽然受Al-Si铸造合金中Si元素的影响较小，但仍有较大局限。Al-B中间合金加入到铝合金中后，B元素很容易被Ti、Zr等杂质元素原子吸附沉降；Al-Nb-B中间合金由于其中的最主要的细化颗粒NbB₂颗粒与Al相比密度差异明显，会在短时间内(<30分钟)沉降到保温炉底部成为炉渣；Al-Ti-Nb-B中间合金对Nb含量要求很高，导致成本过高。因此，实际工业生产中迫切需要一种更经济更高效的铝硅合金细化剂。

中国专利申请号为：CN201910574449.1，公开日为：2019年8月23日的专利文献，公开了一种铸造铝硅合金用Al-V-B细化剂、其制备方法及应用，Al-V-B细化剂的化学元素组成和质量百分比为铝80.0-95.8％，钒2.1-10.0％，硼2.1-10.0％；其物相组成由基体为铝固溶体α-Al和颗粒尺寸为2-100微米的质点颗粒构成，质点颗粒物相为同时包含VAl₃相、VB₂相和AlB₂相。在铸造铝硅合金应用中，使铸造铝硅合金中α-Al的晶粒尺寸细化至220微米以下。其制备方法为氟盐法，包括以下步骤：先进行原料的称量；再进行Al-V-B合金熔炼。

中国专利申请号为：CN201811226151.3，公开日为：2019年1月11日的专利文献，公开了一种晶粒细化剂，分子式为Al_xV_yB_zR_100-x-y-z，其中R为对被细化合金无害的元素；各个元素百分含量分别为：x为20～99.8wt.％，y为0.1～40wt.％，z为0.1～40wt.％。同时，该发明还公开了上述细化剂的制备方法和具体应用。

上述两个方案均为合金颗粒细化剂，且二者均能用于铝硅合金，但是，二者在实际使用时，尤其是针对于大规模商业化应用的铸造铝硅合金进行使用时，细化效果仍然不够理想。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有的晶粒细化剂对商业化应用的铸造铝硅合金的细化效果不理想的问题，本发明提供一种四元系合金晶粒细化剂，该细化剂采用特别的元素和配比，对硅含量较高(4wt.％)的铝硅合金的细化效果极佳。

本发明还提供了上述四元系合金晶粒细化剂的制备方法，制备出细化质点粒度分布均匀且细小的细化剂。

本发明还提供一种四元系合金晶粒细化剂的应用方法，在铸造铝硅合金上应用，证实能够获得极佳的细化效果。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种四元系合金晶粒细化剂，该细化剂主要的化学成分及其质量百分比为：Si：0.1-50wt.％，V：0.1-10wt.％，B：0.1-10wt.％，Al:30-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

作为技术方案的进一步改进，所述晶粒细化剂的化学成分及其质量百分比为：Si：0.1-30wt.％，V：0.1-10wt.％，B：0.1-10wt.％，Al:50-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

作为技术方案的进一步改进，所述晶粒细化剂的化学成分及其质量百分比为：Si：4-12wt.％，V：1-6wt.％，B：0.5-6wt.％，Al:76-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

作为技术方案的进一步改进，所述晶粒细化剂中，V/B的原子比不大于2，或V/B的质量比不大于10。

作为技术方案的进一步改进，所述晶粒细化剂中，V/B的原子比为0.1-0.5，或V/B的质量比为0.5-2.5。

一种上述四元系合金晶粒细化剂的制备方法，包括如下步骤：

一、配料

按配置原料，并干燥配置好的原料和器具；

二、熔炼

在设定温度下熔化原料，并进行保温、扒渣，形成熔体；

三、凝固

使步骤二得到的熔体凝固，形成晶粒细化剂。

作为技术方案的进一步改进，所述步骤一中在100～200℃下对原料和器具进行烘干，步骤二中的设定温度为500～2500℃。

一种上述四元系合金晶粒细化剂的应用方法，包括如下步骤：

(1)配料

按照待制备的合金的质量计算和准备所述晶粒细化剂的质量，并烘干晶粒细化剂；

(2)熔炼

制备合金铸锭或铸件，在合金原料融化后加入步骤(1)中准备好的晶粒细化剂，持续熔炼得到熔体；

(3)凝固

使步骤(2)中得到的熔体通过连续铸造或浇铸的工艺方式形成固态的合金铸锭或铸件。

作为技术方案的进一步改进，所述步骤(1)中晶粒细化剂所含有的V的质量为步骤(3)中形成的合金铸锭或铸件的质量的0.001～1wt.％。

作为技术方案的进一步改进，所述步骤(1)中晶粒细化剂所含有的V的质量为步骤(3)中形成的合金铸锭或铸件的质量的0.005～0.03wt.％。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种四元系合金晶粒细化剂，其主要成分为Al，Si，V和B元素，能够高效细化铝合金铸锭中的晶粒尺寸，对铝硅合金的细化效果尤佳；其中，该细化剂中含有大量弥散分布的多边形或近球形VB₂细化颗粒，该细化颗粒在细化剂添加到熔体中后起到主要细化作用且该细化颗粒的密度约为5.1g/cm³，相比较现有的针对于铝硅合金的晶粒细化剂如Al-Nb-B中的细化颗粒NbB₂，本发明中起主要细化作用的VB₂颗粒密度较小，在5小时以内都不会沉降到保温炉底，具备工业化应用的能力；其次，VB₂颗粒的细化作用不受Si,Ti，Cr,Mn,Zr等元素的影响，细化效果稳定；在本发明所披露的Al-Si-V-B晶粒细化剂中，颗粒等效直径小于2μm的VB₂颗粒数量占比约为95％以上，颗粒等效直径小于5μm的VB₂颗粒数量占比约为99％以上。Si原子的存在不仅不会影响VB₂颗粒的细化效果，相反还会大大增强VB₂颗粒的细化效果。这是因为Si原子倾向于在某些VB₂颗粒表面吸附，从而形成极薄的Si的化合物原子层(如SiB₆)，其通常厚度小于10nm。这种Si的化合物原子层的原子排布与Al的更加接近，能显著降低凝固过程中Al在VB₂颗粒表面形核的能垒，进而可以有效促进Al在VB₂颗粒表面的形核现象，从而在制备合金铸锭或铸件时促进晶粒细化。

(2)本发明一种四元系合金晶粒细化剂的制备方法，其所需原料容易得到，成本较低，且整体制备工艺简单，具备较好的推广前景。

(3)本发明一种四元系合金晶粒细化剂的应用方法，该晶粒细化剂对铝合金铸锭或铸件的细化效果尤其是铝硅合金的细化效果极佳，且细化效果稳定，实际制备合金过程中，细化剂添加五个小时后细化效果仍没有退化。

附图说明

由于在实验中得到的照片的颜色可以直观地反映出实验中的晶粒尺寸与大小，因此采用彩色图片。

图1中，(a)是没有添加晶粒细化剂的标准牌号为A356.2铝硅合金铸锭晶粒的宏观腐蚀照片，(b)是添加了为Al-3V-1.27B的晶粒细化剂的A356.2铸锭晶粒的宏观腐蚀照片，(c)是添加了为Al-7Si-3V-1.27B的晶粒细化剂的A356.2铸锭晶粒的宏观腐蚀照片；

图2是添加Al-Si-V-B晶粒细化剂并保温1h后的A356.2凝固组织偏光下的金相照片；

图3是添加Al-Si-V-B晶粒细化剂并保温5h后的A356.2凝固组织偏光下的金相照片；

图4是添加Al-5Ti-1B晶粒细化剂并保温1h后的A356.2凝固组织偏光下的金相照片；

其中，细化剂中的数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

目前，对于硅含量较高(＞4wt.％)的铝硅合金，现有的一些商用铝合金细化剂的细化效果并不理想，针对于此，本实施例提供了一种四元系合金晶粒细化剂，采用独特比例的化学组分，该合金主要用于铸造铝硅合金，但对于镁铝合金或其他合金也有着较佳的晶粒细化效果。

该合金晶粒细化剂的主要化学成分及其质量百分比为：Si：0.1-50wt.％，V：0.1-50wt.％，B：0.1-50wt.％，Al:30-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。其中，不影响细化效果的元素包括Fe、Zn、Mn、Cu、Mg、Cr、Sr、Zr、Ti等，这些元素的单个含量通常不高于0.5wt.％，所有无法避免的杂质元素总含量不超过1wt.％。其中，该细化剂中含有大量弥散分布的多边形或近球形VB₂细化颗粒，该细化颗粒在细化剂添加到熔体中后起到主要细化作用且该细化颗粒的密度约为5.1g/cm³，相比较现有的针对于铝硅合金的晶粒细化剂如Al-Nb-B中的细化颗粒NbB₂，本发明中起主要细化作用的VB₂颗粒密度较小，在5小时以内都不会沉降到保温炉底，具备工业化应用的能力；其次，VB₂颗粒的细化作用不受Si,Ti，Cr,Mn,Zr等元素的影响，细化效果稳定；在本发明所披露的Al-Si-V-B晶粒细化剂中，较为理想情况下，颗粒等效直径小于2μm的VB₂颗粒数量占比约为95％以上，颗粒等效直径小于5μm的VB₂颗粒数量占比约为99％以上。Si原子的存在不仅不会影响VB₂颗粒的细化效果，相反还会大大增强VB₂颗粒的细化效果。这是因为Si原子倾向于在某些VB₂颗粒表面吸附，从而形成极薄的Si或Si的化合物原子层(如SiB₆)，其通常厚度小于10nm。这种Si或Si的化合物原子层的原子排布与Al的更加接近，能显著降低凝固过程中Al在VB₂颗粒表面形核的能垒，进而可以有效促进Al在VB₂颗粒表面的形核现象，从而在制备合金铸锭或铸件时促进晶粒细化。

需要说明的是，虽然待细化的一些铝合金中也常有Si元素的存在，但是在细化剂制备过程中加入Si会更为显著地提高细化剂中VB₂颗粒的细化效果。原因如下：在细化剂的制备过程中，Si元素有充足的时间和细化剂中大量的VB₂颗粒反应并在其表面形成吸附层，而在铝合金的铸造过程中，细化剂的添加量相对于待细化的铝合金是极低的，细化剂与熔体的反应时间较短，待细化的铝合金中的Si元素很难在铸造过程的短暂时间内与细化剂中的VB₂颗粒发生反应。此外，在细化剂的制备过程中，Si元素的吸附可以进一步降低VB₂颗粒的密度，减缓其沉降过程，增强VB₂颗粒细化效果。因此，Si元素在本实施例的细化剂中的作用是不可替代的，其打破了人们认为待细化铝合金中存在Si元素而不用在细化剂中添加Si元素的认知，取得了意想不到的突出效果。

进一步地，本实施例的四元系合金颗粒细化剂较为优选的组分范围为：Si：0.1-30wt.％，V：0.1-10wt.％，B：0.1-10wt.％，Al:50-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

本实施例的四元系合金颗粒细化剂最为优选的组分范围则为：Si：4-12wt.％，V：1-6wt.％，B：0.5-6wt.％，Al:76-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

另外，考虑到VB₂颗粒在铝合金细化中扮演重要作用，因此保证VB₂颗粒的含量是非常有必要的。制备细化剂时，一般使V/B的原子比≤2或V/B的质量比不大于10，这样可以保证VB₂颗粒较高的含量。当V/B的原子比>2时或V/B的质量比>10，获得的颗粒中会有相当一部分是V₂B₃颗粒，从而无法实现理想的细化效果。当V/B的原子比为0.5-1或V/B的质量比为0.5-2.5时，除了VB₂颗粒外，还会出现Al₃V颗粒，Al₃V颗粒可以溶解到铝合金中以V元素的形式存在，有利于提高最终产品的力学性能；当V/B的原子比＜0.5或V/B的质量比＜0.5时，除了VB₂颗粒外，还会出现AlB₂颗粒。AlB₂颗粒可以与铝合金中已含有的V杂质元素反应进一步生成VB₂颗粒，提高VB₂颗粒的含量，同时AlB₂颗粒自身对铝晶粒也具有一定的细化效果。

下面介绍该细化剂的制备方法，包括如下步骤：

一、配料

按照本发明所披露的细化剂的设定组分和比例配置原料，并对配置好的原料和器具进行干燥操作，其中，器具主要指坩埚等直接接触原料或熔体的器具，本实施例中将原料和器具提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料置于相应仪器中，处于500～2500℃的温度下熔化，熔化后进行保温，并可以根据原料的量添加适量的精炼剂进行除渣和除气工作，除渣除气后进行扒渣，搅拌均匀形成熔体待用。本实施例中，相应仪器指的是提供相应熔炼条件的设备，如天然气炉、电阻炉、电弧炉、感应炉等，保温时间根据原料配比不同进行调整，保证原料完全熔炼成熔体即可。

三、凝固

待步骤二得到的熔体凝固成具备一定形状的固体后，形成晶粒细化剂，其具体形状根据实验对细化剂的尺寸等要求进行选择。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的合金铸锭或铸件中的细化质点的分布更均匀，更分散。

综上所述，该晶粒细化剂的制备方法所需原料容易得到，成本较低，且整体制备工艺简单，具备较好的推广前景。

该细化剂的应用方法如下：

(1)配料

按照待制备的合金的量计算和准备晶粒细化剂的量，具体的，晶粒细化剂的V的质量应为最终制得的合金产品的质量的0.001～1wt.％，优选范围为0.005～0.03wt.％，接着将晶粒细化剂置于100～200℃下进行烘干。

(2)熔炼

制备合金铸锭或铸件，准备合金原料并对合金原料进行熔化，在合金原料融化后加入步骤(1)准备的晶粒细化剂，持续熔炼得到熔体。

(3)凝固

使步骤(2)得到的熔体连铸或浇铸成固态的合金铸锭或铸件，得到细化后的最终合金产品。采用该方法和该晶粒细化剂制备的最终合金产品的性能相比较没有细化的合金产品会得到明显提高，尤其是针对硅含量较高(＞4wt.％)的铝硅合金，采用该方法和该细化剂制得的铝硅合金的性能相比较采用常规铝合金细化剂制得的铝硅合金，性能明显提高。另外，采用该方法和该晶粒细化剂在制备合金时，细化效果较为稳定，细化剂添加五个小时后细化效果仍没有退化。

下面通过具体的实施例对四元系合金晶粒细化剂及其制备和应用方法进行进一步阐述，需要说明的是，以下实施例中仅对本发明中其主要作用的Al、Si、V、B四种元素的含量进行描述，本发明所指的不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素在实施例中并不具体指出，但并不代表存有这类元素的晶粒细化剂不属于本发明的保护范围。即晶粒细化剂中存在除Al、Si、V、B四种元素外的其余元素，只要对本发明的晶粒细化剂的细化效果没有影响的，该晶粒细化剂均处于本发明的保护范围。

实施例1

通过工业纯铝、纯硅、Al-5V中间合金、Al-3B中间合金制备1kg铝合金晶粒细化剂Al-20Si-3V-1B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-3V-1B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、Al-5V中间合金和Al-3B中间合金，并将准备好的原料和坩埚等直接接触原料(熔体)的器具提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入800℃井式电阻炉中的石墨粘土坩埚中进行熔化，熔化后保温4h并扒渣，最后搅拌均匀形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-3V-1B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例2

通过工业纯铝、纯硅、Al-10V中间合金、Al-3B中间合金制备1kg四元系合金晶粒细化剂Al-12Si-6V-0.1B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-12Si-6V-0.6B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、Al-10V中间合金和Al-3B中间合金，并将准备好的原料和坩埚等直接接触原料(熔体)的器具提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入800℃井式电阻炉中的石墨粘土坩埚中进行熔化，熔化后保温4h并扒渣，最后搅拌均匀形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-12Si-6V-0.6B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例3

通过工业纯铝、纯硅、Al-5V中间合金、Al-10B中间合金制备1kg四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-1V-6B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-1V-6B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、Al-5V中间合金和Al-10B中间合金，并将准备好的原料和坩埚等直接接触原料(熔体)的器具提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入800℃井式电阻炉中的石墨粘土坩埚中进行熔化，熔化后保温4h并扒渣，最后搅拌均匀形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-1V-6B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例4

通过工业纯铝、Al-20Si中间合金、Al-8V中间合金、氟硼酸钾和冰晶石(氟硼酸钾和冰晶石的比例为2：1)制备20kg四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-5V-1B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-5V-1B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、Al-20Si中间合金、Al-8V中间合金、氟硼酸钾和冰晶石(氟硼酸钾和冰晶石的比例为2：1)，并将准备好的原料和坩埚等直接接触原料(熔体)的器具提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入850℃井式电阻炉中的石墨粘土坩埚中进行熔化，熔化后，分批次加入混合好的氟硼酸钾和冰晶石，保温5h后，添加精炼剂并通入氩气进行除气处理，最后进行扒渣并搅拌均匀，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-5V-1B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例5

通过工业纯铝、纯硅、纯钒和纯硼制备500g四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-5V-5B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-5V-5B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、纯钒、纯硼，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入电弧炉中，在2500℃下熔炼3min，并上下交替反复熔炼5次，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-20Si-5V-5B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例6

通过工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石制备10kg四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入炉中，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例7

通过工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石制备100kg四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入炉中，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例8

通过工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石制备1000kg四元系合金晶粒细化剂Al-4Si-1V-3B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-4Si-1V-3B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入炉中，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-4Si-1V-3B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例9

通过工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石制备1000kg四元系合金晶粒细化剂Al-30Si-10V-5B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-30Si-10V-5B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入炉中，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-30Si-10V-5B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例10

通过工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石制备1000kg四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-3V-10B(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

按照四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-3V-10B的各组分比例计算和准备相应质量的工业纯铝、纯硅、五氧化二钒和氟硼酸钾和冰晶石，并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将步骤一烘干好的原料放入炉中，形成熔体。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂Al-10Si-3V-10B。

四、热加工

通过后续的热加工如挤压和轧制，使步骤三得到的晶粒细化剂中的细化颗粒的分布更均匀，更分散。

实施例11

对比四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B和晶粒细化剂Al-3V-1.27B对A356.2铝合金的细化效果(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

以圆柱形铸锭的总质量200g为标准设置两组实验，设置两组实验中熔体内通过细化剂添加的V的目标添加量为300ppm，并根据V含量计算出所需晶粒细化剂Al-3V-1.27B和四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的质量。接着准备相应质量即200g的A356.2合金三组，其中一组作为空白对照实验使用，并将准备好的各个原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将三组A356.2合金锭分别放入800℃井式电阻炉中的氧化铝坩埚中，保温熔化后，其中两组加入相应质量的晶粒细化剂Al-3V-1.27B和四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B，另一组则不添加任何细化剂，对三组熔体搅拌并保温1h。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到空白A356.2凝固铸锭、晶粒细化剂Al-3V-1.27B细化后的A356.2凝固铸锭和四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B细化后的A356.2凝固铸锭。

将步骤三得到的样品腐蚀后，观察到的晶粒宏观腐蚀情况如图1所示，其中，(a)是没有添加晶粒细化剂的A356.2铸锭晶粒的宏观腐蚀照片，(b)是添加了晶粒细化剂Al-3V-1.27B的A356.2铸锭晶粒的宏观腐蚀照片，(c)是添加了四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的A356.2铸锭晶粒的宏观腐蚀照片。

实验结果表明，四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B对A356.2的细化效果优异且优于晶粒细化剂Al-3V-1.27B对A356.2的细化，同时，A356.2原有的质量分数为0.1％的Ti并没有使四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的细化效果失效。

实施例12

验证四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B在A356.2铝合金中的细化效果的稳定性(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

以圆柱形铸锭的总质量200g为标准设置两组实验，设置两组实验中熔体内通过细化剂添加的V的目标添加量为300ppm，从而计算出所需四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的质量。接着准备相应质量即200g的A356.2合金一组，并将准备好的各个原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将A356.2合金锭放入800℃井式电阻炉中的氧化铝坩埚中，保温熔化后，加入相应质量的四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B，搅拌均匀并保温5h。

三、凝固

步骤二熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到四元系合金晶粒细化剂。

将实施例4中的四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B细化后的A356.2铸锭和本实施例中步骤三得到的铸锭取小样在偏光显微镜下观察晶粒尺寸分布情况，得到图2和图3(图2和图3分别为添加四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B并保温1h和5h后的A356.2凝固组织偏光下的金相照片)，发现四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B的细化效果随保温时间的延长没有衰退。

实施例13

为了对比四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B和晶粒细化剂Al-5Ti-1B对标准牌号为A356.2的铸造铝合金的细化效果(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

以圆柱形铸锭的总质量200g为标准设计实验，设置实验中熔体内通过细化剂添加的Ti的目标添加量为300ppm，从而计算出所需晶粒细化剂Al-5Ti-1B的质量。接着准备相应质量即200g的A356.2合金一组，并将准备好的各个原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼

将A356.2合金锭放入800℃井式电阻炉中的氧化铝坩埚中，保温熔化后，加入相应质量的Al-5Ti-1B晶粒细化剂，搅拌均匀后保温2h。

三、凝固

步骤(2)熔炼得到的熔体浇铸凝固后，即得到晶粒细化剂Al-5Ti-1B细化后的A356.2凝固铸锭。

将步骤三得到的铸锭取小样在偏光下观察晶粒大小，得到图4，对比图3，发现四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-1.27B对A356.2的细化效果明显优于晶粒细化剂Al-5Ti-1B对A356.2的细化效果。

实施例14

实验四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B在汽车轮毂中的细化实践(数字代表元素质量百分数，考虑到实际实验时可能存在一些不可避免的杂质元素，Al的质量百分数和其余元素的质量百分数相加接近或等于100％)。

一、配料

准备500公斤的A356.2铝合金铸锭，设置实验中熔体内通过细化剂添加的V的目标添加量为300ppm，从而计算出所需四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B的质量。并将准备好的原料提前在100～200℃烘箱中烘干。

二、熔炼与铸造

将烘干后的A356.2铝合金铸锭放入800℃井式电阻炉中的坩埚中，保温熔化后，加入Al-Sr中间合金进行变质处理。然后在720℃下进行20分钟的精炼除气，成分检测合格以后通过常规的低压铸造工艺得到汽车轮毂产品A。而后加入相应质量的四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B，然后在720℃下进行20分钟的精炼除气，成分检测合格以后通过常规的低压铸造工艺得到汽车轮毂产品B。

三、热处理

轮毂A和轮毂B跟随产线进行常规热处理试验。先进行固溶热处理，在540摄氏度下保温5小时后放入80摄氏度下的热水中进行淬火处理。紧接着进行时效热处理，在180摄氏度下保温2小时后取出，在空气中进行冷却。

四、测试

从轮毂产品A和B的外轮缘处各加工出五根标准拉伸试棒，在室温准静态下进行常规拉伸试验，得到性能如下：

产品A：屈服强度均值为175MPa,断后延伸率均值为12％。

产品B：屈服强度均值为190MPa,断后延伸率均值为15％。

通过对比发现，加入四元系合金晶粒细化剂Al-7Si-3V-2B的产品性能得到明显提升。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种四元系合金晶粒细化剂，其特征在于：该细化剂主要的化学成分及其质量百分比为：Si：0.1-50wt.％，V：0.1-10wt.％，B：0.1-10wt.％，Al:30-99.7wt.％，以及不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种四元系合金晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂的化学成分及其质量百分比为：Si：0.1-30wt.％，V：0.1-10wt.％，B：0.1-10wt.％，Al:50-99.7wt.％，以及无法避免的杂质元素。

3.根据权利要求2所述的一种四元系合金晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂的化学成分及其质量百分比为：Si：4-12wt.％，V：1-6wt.％，B：0.5-6wt.％，Al:76-99.7wt.％，以及无法避免的杂质元素。

4.根据权利要求3所述的一种四元系合金晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂中，V/B的原子比≤2，或V/B的质量比≤10。

5.根据权利要求4所述的一种四元系合金晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂中，V/B的原子比为0.1-0.5，或V/B的质量比0.5-2.5。

6.一种权利要求1-5中任意一项所述的四元系合金晶粒细化剂的制备方法，包括如下步骤：

一、配料

根据设定的成分范围配置原料，并干燥配置好的原料和器具；

二、熔炼

在设定温度下熔化原料，并进行保温、扒渣，形成熔体；

三、凝固

使步骤二得到的熔体凝固，形成晶粒细化剂。

7.根据权利要求6所述的一种四元系合金晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一中在100～200℃下对原料和器具进行烘干，步骤二中的设定温度为500～2500℃。

8.一种权利要求1-4中任意一项所述的四元系合金晶粒细化剂的应用方法，包括如下步骤：

(1)配料

按照待制备的合金的质量计算和准备所述晶粒细化剂的质量，并烘干晶粒细化剂；

(2)熔炼

制备合金铸锭或铸件，在合金原料融化后加入步骤(1)中准备好的晶粒细化剂，持续熔炼得到熔体；

(3)凝固

使步骤(2)中得到的熔体通过连续铸造或浇铸的工艺方式形成固态的合金铸锭或铸件。

9.根据权利要求8所述的一种四元系合金晶粒细化剂的应用方法，其特征在于：所述步骤(1)中，晶粒细化剂所含有的V的质量为步骤(3)形成的合金铸锭或铸件的质量的0.001～1wt.％。

10.根据权利要求9所述的一种四元系合金晶粒细化剂的应用方法，其特征在于：所述步骤(1)中，晶粒细化剂所含有的V的质量为步骤(3)中形成的合金铸锭或铸件的质量的0.005～0.03wt.％。

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