CN1259161C - 一种铝合金凝固组织的细化工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，包括铝合金配料经常规的熔化、去渣、除气、精炼各工序，其特征在于在浇注合金过程中施加一个脉冲电场，在铝合金母液中插入石墨电极，通入脉冲直流电，并调节脉冲电流的参数，最后使其自然冷却至室温，即可获得晶粒细化、组织均匀的铝合金坯料。所述的铝合金母液在插入石墨电极时的温度为650-750℃，所通入的脉冲直流电的参数为：脉冲频率100-2000Hz，脉冲宽度为1/100-1/5，电流密度为10-2000A/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，属金属合金制造工艺和变质处理工艺领域。
背景技术
对金属组织细化技术的研究和探讨是金属材料研究中十分重要的研究领域之一，因为晶粒细化是在不牺牲材料强度指标的前提下提高材料塑性指标的唯一途径。现有的金属组织细化的方法主要有两类：一是化学细化法，该方法是向液态金属中添加变质剂，包括形核剂和长大抑制剂等；二是物理细化法，或称动力学方法，如振动法，包括机械振动，电磁振动及声波或超声波振动等；搅拌法，包括机械搅拌，电磁或磁场搅拌及气泡搅拌等；摆动法，包括铸型波浪形摆动和周期摆动等。上述方法有其不足之处，其一是由于添加剂的加入将引入杂质元素，在凝固过程中由于种种原因，造成化学组分和组织不均匀的偏析现象，甚至形成非金属夹杂；其二是有的物理方法所需设备庞大导致投资较大，如机械搅拌，机械振动等不经济；有的则电能消耗大，设备也较复杂，如电磁振动，电磁搅拌等。
据文献记载，1984年Misra首次在Pb-Sb-Sn合金的凝固过程中使用了脉冲电流技术，施加了直流电流和交流电流，结果观察到电脉冲的作用下凝固的合金抑制了初生相的析出，组织明显细化。脉冲电流用于细化金属凝固组织的研究较多集中于低熔点(＜200℃)，便于实验研究的Pb-Sn合金。曾有学者探究了脉冲孕育处理对Al-0.5％Cu合金凝固结构的影响，但只限于研究脉冲处理时间对晶相组织的影响。另有学者也研究了脉冲电流和脉冲磁场作用下的LY12铝合金凝固组织比较，他们只大致研究了脉冲电流密度大小对晶粒尺寸的影响。他们的这些研究试验并没有系统全面地研究脉冲电流的具体主要参数，如脉冲宽度和脉冲频率的改变对铝合金凝固组织细化的规律性影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，特别是提供了一种脉冲电场细化铝合金组织的工艺方法；本发明的另一目的是提供较为系统的脉冲电流具体主要参数，以取得铝合金组织的最佳细化效果。
本发明首次将电脉冲技术应用于熔点较高，实验难度较大的铸造铝合金上，铸造铝合金是生产实践中最广泛应用的一种铝合金材料。
本发明提供一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，包括铝合金配料经常规的熔化、去渣、除气、精炼各工序，其特征在于在浇注合金过程中施加一个脉冲电场，在铝合金母液中插入石墨电极，通入脉冲直流电，并调节脉冲电流的参数，最后使其自然冷却至室温，即可获得晶粒细化、组织均匀的铝合金坯料。铝合金母液在插入石墨电极时的温度为650-750℃，所通入的脉冲直流电的参数为：脉冲频率100-2000Hz，脉冲宽度为1/100-1/5，电流密度为10-2000A/cm2。
通过脉冲电场的处理，铝合金的凝固组织均可得到不同程度的细化，晶粒的大小对材料的强度与韧性具有较大的影响。实践证明，晶粒很小的改变量对材料的强度和韧性却有很大的影响。
本发明方法的优点是通过简单的工艺方法和简单的生产设备，可改变和细化铝合金的金相组织，改善铝合金材料的力学性能，并适应于后续的零件的成型加工。另外，以前曾使用铜电极，它会与铝合金母液发生化学反应，而本发明中采用实施石墨电极，该电极与铝合金母液不会发生任何化学反应且不会污染铝合金母液。
具体实施方式
现将本发明方法的具体实施例叙述于后：先将铝合金配料经常规的熔化、去渣、除气、精炼后取出合金液，在铝合金母液处于650-750℃之间的温度范围时插入石墨电极，连接石墨电极与脉冲电场信号发生装置，打开电源开关，在铝合金母液中通入脉冲直流电，并调节脉冲电流的参数，最后使其自然冷却至室温，即可获得晶粒细化、组织均匀的铝合金坯料。
下面结合本发明的实施例作进一步的说明。
本发明方法所用的铝合金的化学成分为Al-Si系铸造铝合金，但也可适用于Al-Mg系、Al-Cu系、Al-Zn系铝合金。
本发明方法采用的铝合金接近普通铸铝ZL101牌号，其化学成分为：
| Al | Si | Mg | Zn | Cu | Mn | Fe | Ti |
| 余量 | 6.83 | 0.35 | 0.17 | 0.0036 | 0.0035 | 0.1 | ＜0.001 |
实施例一
铝合金配料熔化精炼过程如前所述，所得的铝合金母液在650-750℃之间插入石墨电极，通入脉冲直流电，并调节脉冲电流的参数。其脉冲频率为1000Hz，脉冲宽度为1/10，电流密度为20A/cm2。自然冷却至室温，凝固后所得到的铝合金金相组织，经金相显微镜观察，发现其白色部分为初生α-Al相，呈现出颗粒状或玫瑰花形的混合形态，其黑色部分为共晶组织，呈细小针状和片状。
采用本发明方法脉冲电场处理后的铝合金与传统常规凝固的铝合金，二者可作一比较，前者如前所述，初生α相和共晶组织都得到了明显细化，而后者可发现其α-Al相，呈现出明显的发达树枝晶，其共晶组织虽呈针状和片状，但明显感到组织粗大。前者的晶粒尺寸为后者晶粒尺寸的1/20-1/50。
本实施例使用了较高的脉冲频率(1000Hz)和较大的脉冲宽度(1/10)，铝合金凝固组织的细化程度较佳。
实施例二
工艺过程与上述实施例一完全相同，唯调节的脉冲电流参数不同。本实施例中采用脉冲频率为100Hz，脉冲宽度为1/100，电流密度为2000A/cm2。本实施例使用了较低的脉冲频率，脉冲宽度也较小。但铝合金晶相组织的细化效果也比较明显。经金相显微镜观察，发现其白色部分的初生α-Al相呈现出均匀的玫瑰花形和椭圆形混合形态的非树枝晶组织；其黑色部分的共晶组织呈细小针状和片状。其晶粒尺寸为普通常规凝固的铝合金晶粒尺寸的1/20-1/30。
实施例三
工艺过程与上述实施例一完全相同，唯调节的脉冲电流参数不同。本实施例中采用脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为1/5，电流密度为10A/cm2。本实施例使用了中等大小的脉冲频率和较大的脉冲宽度。但铝合金晶相组织的细化效果不大明显。但与常规铸造工艺金相组织相比，发现其白色部分的初生α-Al相也没有出现粗大的树枝晶组织；其黑色部分的共晶组织还有偏聚现象；其晶粒尺寸为普通常规铸造工艺金相晶粒尺寸的1/3-1/2，均匀性也属一般。
实施例四
工艺过程与上述实施例一完全相同，唯调节的脉冲电流参数不同。本实施例中采用脉冲频率为500Hz，脉冲宽度为1/10，电流密度为100A/cm2。本实施例使用了较高的脉冲频率和较大的脉冲宽度。经晶相显微镜观察，发现其白色部分的初生α-Al相呈现出均匀的玫瑰花形和椭圆形混合形态的非树枝晶组织；其黑色部分的共晶组织，其晶粒尺寸为普通常规铸造工艺金相晶粒尺寸的1/20-1/10。
实施例五
工艺过程与上述实施例一完全相同，唯调节的脉冲电流参数不同。本实施例中采用脉冲频率为2000Hz，脉冲宽度为1/50，电流密度为800A/cm2。本实施例使用了高的脉冲频率和比较小的脉冲宽度。该实施例具有明显的效果，其金相显示整个试样几乎呈现均匀的椭圆形形态的非树枝晶组织；其黑色部分的共晶组织和初生硅都得到了明显的细化，其晶相组织相当细小均匀，是理想的非树枝晶坯料。其晶粒尺寸为普通常规铸造工艺金相晶粒尺寸的1/50-1/100，完全看不到树枝晶的存在。
综合上述的五个实施例，本发明工艺方法证明，脉冲参数对铝合金凝固金相组织具有一定影响，其规律为；在相同脉冲频率下，脉宽越小，组织细化越明显；在相同脉宽条件下，频率越高，组织细化越明显。相应参数的合理配合的工艺才能达到最佳的凝固组织。
Claims (1)
1.一种铝合金凝固组织的细化工艺方法，包括铝合金配料经常规的熔化、去渣、除气、精炼各工序，其特征在于在浇注合金过程中施加一个脉冲电场，在铝合金母液中插入石墨电极，铝合金母液在插入石墨电极时的温度为650-750℃；然后通入脉冲直流电，并调节脉冲电流的参数，所通入的脉冲直流电的参数为：脉冲频率100-2000Hz，脉冲宽度为1/100-1/5，电流密度为10-2000A/cm2；最后使其自然冷却至室温，即可获得晶粒细化、组织均匀的铝合金坯料。
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