CN1861820B - 用于铸造铝合金的晶粒细化剂的制备和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于铸造铝合金的晶粒细化剂及其制备和应用方法涉及铝合金，它是一种由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，Cu-P中间合金与Al-Ti-B中间合金的重量百分比为Cu-P中间合金：Al-Ti-B中间合金＝0.35～0.45∶0.65～0.55，其带的平均厚度为0.3～0.6mm，平均宽度为0.4～1.2mm；它的制备方法，是一种快淬甩带法；它的应用方法是用金属熔融铸造法制备铝合金铸造的内燃机活塞。在铝合金的金属熔融铸造中，加入本发明的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，使铝合金组织中的初晶硅和共晶硅得到了更好的细化，增加了界面能，从而减少了铸造缺陷，铝合金的综合性能得到了明显的提高，由此制备的铸造铝合金活塞的力学性能、磨损性能和使用寿命得到明显的提高。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及铝合金，具体地说是一种用于铸造铝合金的晶粒细化剂的制备和应用方法。
背景技术
随着发动机不断向高速高压方向的发展，对活塞的性能提出了越来越苛刻的要求。对于如何提高铝合金活塞的高温力学性能和磨损性能，很多学者已作了大量的实验研究。一般的铝硅合金组织中，共晶硅呈粗大的片状，初晶硅为粗大的多角形块状和板状。粗大的硅相严重地割裂了基体，降低了铝合金的强度和塑性。对铝合金进行晶粒细化处理，以改变硅相的形态，减小其对基体性能的削弱作用，是提高铝硅合金性能的有效途径。所以，对活塞用的铸造铝合金进行晶粒细化处理是一种提高铝合金活塞使用性能的极其有效的方法。
可以从两个方面来影响铝合金晶粒的大小：I.晶粒细化处理。对铝硅合金的具体细化处理的方法有添加晶粒细化剂、或晶粒细化剂和变质剂法、超声波振动法、急冷法、低温铸造法、熔液加压铸造法。其中研究较多的方法是添加晶粒细化剂、或晶粒细化剂和变质剂法，这是向铝熔体中添加少量的晶粒细化剂、或晶粒细化剂和变质剂，形成大量弥散的、难熔的结晶核心，并使晶粒依核生长，从而获得晶粒细化效果。铸造铝合金的晶粒细化处理既可提高铝合金活塞的强度，又可增加其耐磨性，进而可显著提高铝合金活塞的使用寿命；II.改变熔炼工艺。熔炼工艺则是在铝合金制备过程中通过改变合金结晶条件来达到细化晶粒的目的。
目前的铝合金晶粒细化剂是采用棒状或块状的Al-Ti-B晶粒细化剂，但是铝合金熔炼中加入棒状或块状的Al-Ti-B晶粒细化剂仍然存在铸造缺陷，合金的综合性能得不到很大提高。CN 98119378.1“用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂及其制备工艺”和CN02138361.8“铝、铝合金用复合晶粒细化剂及其制备工艺”公开了由铝、钛、碳和稀土或稀土元素和碱土元素组成的晶粒细化剂，这类铝合金晶粒细化剂是采用普通熔炼工艺熔炼，其细化剂的晶粒尺寸不是纳米级，所以对铝合金基体的细化效果并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于铸造铝合金的晶粒细化剂及其制备和应用方法，它是一种通过Al-Ti-B中间合金细化剂进行熔体快淬处理得到的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，用它对活塞用的铸造铝合金组织进行细化处理，克服了铸造缺陷， 从而提高活塞用铸造铝合金的综合性能和铝合金活塞的使用寿命。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
本发明的用于铸造铝合金的晶粒细化剂是一种由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂。
在上述用于铸造铝合金的晶粒细化剂中，Cu-P中间合金与Al-Ti-B中间合金的重量百分比为Cu-P中间合金：Al-Ti-B中间合金＝0.35～0.45∶0.65～0.55。
上述用于铸造铝合金的晶粒细化剂，其带的平均厚度为0.3～0.6mm，平均宽度为0.4～1.2mm。
Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金均为业内技术领域常用的合金，其组成是公知的。
本发明的用于铸造铝合金的晶粒细化剂的制备方法，是一种快淬甩带法，具体步骤是：按重量百分比为Cu-P中间合金：Al-Ti-B中间合金＝0.35～0.45∶0.65～0.55称取所需量的Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金，将它们破碎成小块，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，小块放在底部，较大块放在上面，调节电极位置，使之与坩埚内合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.04～0.05Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将合金熔化，待合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚使得合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面为10～15℃，熔融液态合金与其接触后，迅速凝固，冷却速度为降温105～106℃/秒，钼轮边缘线速度为35m/秒，合金形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到条带平均厚度0.3～0.6mm，平均宽度0.4～1.2mm的用于铸造铝合金的晶粒细化剂。
本发明的用于铸造铝合金的晶粒细化剂的应用方法是金属熔融铸造法，具体步骤如下：
(1)配料，将铝合金铸锭切成细小块状，清除表面杂质，称取密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，铝合金铸锭与纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用量的重量百分比为99.8～99.2∶0.2～0.8；
(2)合金熔化，将(1)步中的切成细小块状的铝合金铸锭用高频感应加热炉加热至熔化；
(3)预精炼，在温度为700～750℃下，向(2)步的熔化合金中用钟罩压入铝精炼剂，加入量为铝合金的0.5～1.2％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(4)细化，在780～820℃温度下，向(3)步预精炼后的熔化合金中加入由(1)步称取的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，机械搅拌均匀后静置3秒，加入MgO，加入量为铝合金的0.6～1.2％；
(5)再精炼，向(4)步细化处理后的熔化合金中用钟罩压入铝精炼剂，加入量为铝合金的0.3～1.0％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(6)浇注，由(5)步制得的熔体静置降温至700～750℃后，将熔液浇注到预热的金属模具中，浇注时模具上放置过滤网以清除夹带的杂质，凝固后起模；
(7)热处理，在505±5℃保温6小时，60～100℃温水淬火，固溶处理制得铸造铝合金产品。
上述方法中的百分数均为重量百分数。
上述用于铸造铝合金的晶粒细化剂的应用方法中，所说的金属模具是内燃机活塞模具，所说的制得的铸造铝合金产品是内燃机活塞。
本发明的有益效果是：在铝合金的金属熔融铸造中，加入本发明的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，其中Cu-P中间合金是变质剂，Al-Ti-B中间合金是细化剂，它们共同作用使铝合金组织中的初晶硅和共晶硅得到了更好的细化，增加了界面能，从而减少了铸造缺陷，铝合金的综合性能得到了明显的提高。由此制备的铸造铝合金活塞的力学性能、磨损性能和使用寿命得到明显的提高，详细对比数据见以下的表1、2和3。
具体实施方式
实施例1
用快淬甩带法制备由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂：
称取市售的Cu-P中间合金350克和Al-Ti-B中间合金650克，将它们破碎成小块，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，小块放在底部，较大块放在上面，调节电极位置，使之与坩埚内合金颗粒之间的距离为0.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.04Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500A，将合金熔化，待合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚使得合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面为10℃，熔融液态合金与其接触后，迅速凝固，冷却速度为降温105℃/秒，钼轮边缘线速度为35m/秒，合金形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到条带平均厚度0.6mm，平均宽度1.2mm的用于铸造铝合金的晶粒细化剂。
实施例2
用快淬甩带法制备由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂：
称取同实施例1的Cu-P中间合金400克和Al-Ti-B中间合金600克，将它们破碎成小块，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，小块放在底部，较大块放在上面，调节电极位置，使之与坩埚内合金颗粒之间的距离为1.0mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.045Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至550A，将合金熔化，待合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚使得合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面为12.5℃，熔融液态合金与其接触后，迅速凝固， 冷却速度为降温105℃/秒，钼轮边缘线速度为35m/秒，合金形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到条带平均厚度0.45mm，平均宽度0.8mm的用于铸造铝合金的晶粒细化剂。
实施例3
用快淬甩带法制备由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂：
称取同实施例1的Cu-P中间合金450克和Al-Ti-B中间合金550克，将它们破碎成小块，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，小块放在底部，较大块放在上面，调节电极位置，使之与坩埚内合金颗粒之间的距离为1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.05Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至600A，将合金熔化，待合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚使得合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面为15℃，熔融液态合金与其接触后，迅速凝固，冷却速度为降温106℃/秒，钼轮边缘线速度为35m/秒，合金形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到条带平均厚度0.3mm，平均宽度0.4mm的用于铸造铝合金的晶粒细化剂。
实施例4
将实施例1、2或3制得的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用于铸造铝合金，方法是金属熔融铸造法(简称T6)，具体步骤如下：
(1)配料，将铸造内燃机活塞所需重量的ZL109铝合金铸锭切成细小块状，清除表面杂质，称取上述实施例1、2或3制得的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，铝合金铸锭与纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用量的重量百分比为99.8∶0.2；
(2)合金熔化，将(1)步中的切成细小块状的ZL109铝合金铸锭用高频感应加热炉加热至熔化；
(3)预精炼，在温度为700℃下，向(2)步的熔化合金中用钟罩压入四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的0.5％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(4)细化，在780℃温度下，向(3)步预精炼后的熔化合金中加入由(1)步称取的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，机械搅拌均匀后静置3秒，加入MgO，加入量为铝合金的0.6％。
(5)再精炼，向(4)步细化处理后的熔化合金中用钟罩压入四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的1.0％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；；
(6)浇注，由(5)步制得的熔体静置降温至700℃后，将熔液浇注到预热的内燃机活塞金属模具中，浇注时模具上放置过滤网以清除夹带的杂质，凝固后起模；
(7)热处理，在505±5℃保温6小时，60℃温水淬火，固溶处理制得铸造ZL109 铝合金内燃机活塞。
实施例5
将实施例1、2或3制得的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用于铸造铝合金，方法是金属熔融铸造法，具体步骤如下：
(1)配料，将铸造内燃机活塞所需重量的ZL109铝合金铸锭切成细小块状，清除表面杂质，称取上述实施例1、2或3制得的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，铝合金铸锭与纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用量的重量百分比为99.5∶0.5；
(2)合金熔化，将(1)步中的切成细小块状的ZL109铝合金铸锭用高频感应加热炉加热至熔化；
(3)预精炼，在温度为725℃下，向(2)步的熔化合金中用钟罩压入四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的0.8％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(4)细化，在800℃温度下，向(3)步预精炼后的熔化合金中加入由(1)步称取的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，机械搅拌均匀后静置3秒，加入MgO加入量为铝合金的0.9％。
(5)再精炼，向(4)步细化处理后的熔化合金中用钟罩压入四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的0.6％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(6)浇注，由(5)步制得的熔体静置降温至725℃后，将熔液浇注到预热的内燃机活塞金属模具中，浇注时模具上放置过滤网以清除夹带的杂质，凝固后起模；
(7)热处理，在505±5℃保温6小时，80℃温水淬火，固溶处理制得铸造ZL109铝合金内燃机活塞。
实施例6
将实施例1、2或3制得的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用于铸造铝合金，方法是金属熔融铸造法，具体步骤如下：
(1)配料，将铸造内燃机活塞所需重量的ZL109铝合金铸锭切成细小块状，清除表面杂质，称取上述实施例1、2或3制得的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，铝合金铸锭与纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂用量的重量百分比为99.2∶0.8；
(2)合金熔化，将(1)步中的切成细小块状的ZL109铝合金铸锭用高频感应加热炉加热至熔化；
(3)预精炼，在温度为750℃下，向(2)步的熔化合金中用钟罩压入精炼剂四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的1.2％，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；
(4)细化，在820℃温度下，向(3)步预精炼后的熔化合金中加入由(1)步称取 的密封保存的由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂，机械搅拌均匀后静置3秒，加入MgO，加入量为铝合金的1.2％。
(5)再精炼，向(4)步细化处理后的熔化合金中用钟罩压入精炼剂四川成都居里科技有限公司生产的铝精炼剂JLA-J1粉，加入量为铝合金的0.3％，，除去熔体中的气体及杂质，静置3秒，撇去表面浮渣；；
(6)浇注，由(5)步制得的熔体静置降温至750℃后，将熔液浇注到预热的内燃机活塞金属模具中，浇注时模具上放置过滤网以清除夹带的杂质，凝固后起模；
(7)热处理，在505±5℃保温6小时，100℃温水淬火，固溶处理制得铸造ZL109铝合金内燃机活塞。
表1ZL109铝合金的抗拉强度和延伸率
表2不同铝合金试样的硬度/HB
表2为不同铝合金试样的硬度测量平均结果。比较所得数据可知，经本发明的细化处理和热处理后，铝合金的硬度有较大的提高。加入本发明纳米晶薄丝带状的晶粒细化剂的铝合金硬度较加入未进行纳米晶态处理的细化剂的铝合金硬度有所升高。
表3不同铝合金综合性能比较
表3是用本发明细化剂+T6处理的ZL109铝合金的综合性能与原始ZL109铝合金、SiC/ZL109复合材料、及20％硼酸晶须增强Al-12Si复合材料的综合性性能比较。由对比可知，本发明制备的活塞铝合金材料的性能达到了较高的水平。
Claims (1)
1.用于铸造铝合金的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：是一种快淬甩带法，具体步骤是：按重量百分比为Cu-P中间合金∶Al-Ti-B中间合金＝0.35～0.45∶0.65～0.55称取所需量的Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金，将它们破碎成小块，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，小块放在底部，较大块放在上面，调节电极位置，使之与坩埚内合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.04～0.05Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将合金熔化，待合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚使得合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面为10～15℃，熔融液态合金与其接触后，迅速凝固，冷却速度为降温105～106℃/秒，钼轮边缘线速度为35m/秒，合金形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到条带平均厚度0.3～0.6mm、平均宽度0.4～1.2mm的，由Cu-P中间合金和Al-Ti-B中间合金组成的用于铸造铝合金的晶粒细化剂。
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