CN104946938A - Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用 - Google Patents
Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及其应用。Al-Ti-B-Y中间合金由以下成分组成:钛(Ti)3~8wt.%,硼(B)1~5wt.%,钇(Y)0.5~4wt.%,其余为铝(Al)。其制备方法为:用中频感应电炉熔化Al-Ti、Al-B中间合金及纯钇锭,至1300-1500℃全部熔化,搅拌均匀,浇入铸模即得。本发明采用制备的Al-Ti-B-Y中间合金处理亚共晶铝-硅合金,使合金微观组织发生变化和明显细化,提高了合金材料的力学性能。该制备方法易于操作,生产成本较低,与纯单质稀土及Al-Ti-B中间合金相比,对铝-硅合金的细化及强化效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种Al-Ti-B-Y中间合金制备方法及采用该中间合金处理亚共晶铝-硅合金力学性能的工艺方法,属于金属材料及金属熔炼技术领域。
背景技术
铝硅合金具有较好的铸造性能、流动性,易于生产出形状复杂的工件,市场应用前景关阔。含硅量低于12.6wt.%的亚共晶铝-硅合金,其显微组织是由粗大的α-Al树枝晶和共晶硅组成,其中共晶硅呈粗大针状,严重割裂基体,使其力学等性能下降而不能满足实际应用需求。因此,采取有效手段来改善合金的晶粒形貌和分布是必要的。另外,进行不变质处理,改变晶粒形貌也有助于力学性能的改善。
改变铝合金中晶粒大小以及形貌的有效方法是进行变质细化处理,通过改变合金的晶相组织、形貌及分布能提高合金的力学性能。文献报道,目前工业上最常用的铝及铝合金晶粒细化剂是Al-Ti-B 中间合金,全世界约有75%的铝加工材和铸造铝产品在铸造过程中需要添加Al-5Ti-1B 合金晶粒细化剂。但由于合金中第二相粒子(TiAl3 和TiB2 等)的密度大于铝,在静置过程中会产生聚集沉淀, 使细化效果衰退以至失效,同时Cr、Zr、Mn等杂质元素还会与Ti反应导致中毒现象。文献[任峻,马颖. 稀土在Al-Ti-B-Re细化剂中的作用及细化机理研究. 稀有金属与硬质合金,2010(38):14-17]及[蒋建军. 新型Al-Ti-B-稀土(Re)晶粒细化剂. 轻合金加工技术,2004(32): 18-21]中报道,向Al -Ti –B中添加稀土元素Ce、La可以提高细化剂的细化能力,稀土元素不仅可以改善Al -Ti -B 中的TiB2 、TiAl3 粒子的形态和分布,还能细化TiB2 、TiAl3 粒子的尺寸,从而增加了晶核数。改善后的TiB2 粒子分布均匀,基本上无TiB2 的聚集团块,可保证其在熔体中较长时间的处于悬浮状态,而不易沉淀,充分发挥了变质形核作用,从而更加增强了四元中间合金的细化效果。
文献[汪长勤,赵玉涛,张松利,陈刚. 稀土钇对A356合金显微组织和拉伸性能的影响. 机械工程材料,2010(34): 13-16]中报道钇对铝-硅合金有良好的变质作用。文献[郭有军,沈利. Al-Ti-B对A356铝合金组织和性能的影响. 世界有色金属,2008(10): 72-73]中报道,Al-Ti-B中间合金可以改善铝-硅合金显微组织,提高性能。但由于两者未制成低熔点合金,使加入过程较复杂,细化效果不稳定。
发明内容
为了解决以上问题,本发明提供了一种适合亚共晶铝-硅合金晶粒细化用的Al-Ti-B-Y中间合金,该中间合金对比Al-Ti-B中间合金对亚共晶铝-硅合金有更好的晶粒细化和变质作用,可提高亚共晶铝-硅合金的力学性能。
本发明是通过以下措施实现的:
本发明的Al-Ti-B-Y中间合金由以下成分组成:钛3~8wt.%,硼1~5 wt.%,钇0.5~4 wt.%,其余为铝。
上述中间合金中,最优成分为:钛3~5wt.%,硼1~3wt.%,钇1~3wt.%,其余为铝。
本发明Al-Ti-B-Y中间合金是通过以下制备方法实现的,其步骤为:
(1)按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料;
(2)将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中,用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃;
(3)待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后,继续升温至1300-1500℃,加入块状纯钇锭,用碳棒搅拌,静置10~30分钟,调低温度,合金液在1200℃左右出炉浇注金属型凝固成形。
上述Al-Ti-B-Y中间合金用于细化亚共晶铝-硅合金的方法为,将Al-Ti-B-Y中间合金以0.5~4 wt%的量加入到710~780℃的待细化亚共晶铝-硅合金熔体中,搅拌均匀,保温5~20分钟后,浇注铸件。
本发明中间合金对亚共晶铝-硅合金中的初生α-Al相和共晶硅相具有明显的细化作用,将该中间合金加入到硅含量为9wt.%的亚共晶铝-硅合金中,可将尺寸为120~270μm的初生α-Al相细化至30~60μm,将尺寸为15~25μm的针状共晶硅细化至几微米的颗粒状共晶硅,且分布较均匀。晶粒尺寸形貌和分布的改善也可提高合金的力学性能。上述Al-Ti-B-Y中间合金可使硅含量为9wt.%的亚共晶铝-硅合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率得到较大提高。本发明的中间合金制备方法简单,易操作,成本低,对亚共晶铝-硅合金细化效果好,可使合金获得较好的综合力学性能。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比(wt. %)为:钛3wt.%,硼3wt.%,钇0.5wt.%;待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比(wt. %)为:硅9wt.%,其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为3wt.%。
采用以下步骤制得:
(1)按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料;
(2)将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中,用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃;
(3)待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后,继续升温至1300-1500℃,加入块状纯钇锭,用碳棒搅拌,静置10~30分钟,调低温度,合金液在1200℃左右出炉浇注成形,既得Al-Ti-B-Y中间合金。
(4)将此Al-Ti-B-Y中间合金以3wt.%的加入量加入到760℃的Al-9Si合金中,搅拌均匀,保温20分钟,在730℃左右浇注成形。
所得合金的性能见表1。
实施例2
本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比(wt.%)为:钛3wt.%,硼3wt.%,钇1wt.%;待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比(wt.%)为:硅9wt.%,其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为3wt.%。
采用以下步骤制得:
(1)按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料;
(2)将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中,用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃;
(3)待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后,继续升温至1300-1500℃,加入块状纯钇锭,用碳棒搅拌,静置10~30分钟,调低温度,合金液在1200℃左右出炉浇注成形,既得Al-Ti-B-Y中间合金。
(4)将此Al-Ti-B-Y中间合金以3wt.%的加入量加入到760℃的Al-9Si合金中,搅拌均匀,保温20分钟,在730℃左右浇注成形。
所得合金的性能见表1。
实施例3
本发明实施例Al-Ti-B-Y中间合金组成重量配比(wt.%)为:钛3wt.%,硼3wt.%,钇3wt.%;待处理亚共晶铝-硅合金组成重量配比(wt.%)为:硅9wt.%,其余为铝。Al-Ti-B-Y中间合金加入量为2wt.%。
采用以下步骤制得:
(1)按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料;
(2)将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中,用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃;
(3)待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后,继续升温至1300-1500℃,加入块状纯钇锭,用碳棒搅拌,静置10~30分钟,调低温度,合金液在1200℃左右出炉浇注成形,既得Al-Ti-B-Y中间合金。
(4)将此Al-Ti-B-Y中间合金以3wt.%的加入量加入到760℃的Al-9Si合金中,搅拌均匀,保温20分钟,在730℃左右浇注成形。
所得合金的性能见表1。
选取与实施合金组元相同的Al-9Si合金作为对比例,其成分组成为:9wt.%硅,其余为铝和不可避免的杂质。对比例1和实施例的各性能对比结果如表1所示。结果表明,本发明的中间合金可使亚共晶铝-硅合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率得到较大提高,分别最大提高29.6%、28.3%、27.1%、72.3%。
选取与实施例合金组元相同的Al-9Si合金作为对比例,其成分组成为:9wt.%硅,其余为铝和不可避免的杂质,且向其中加入Al-Ti-B中间合金作为对比例2,Al-Ti-B中间合金成分为:钛3wt.%,硼3wt.%,Al-Ti-B中间合金加入量为3wt.%。对比例2和实施例的各性能对比结果如表1所示。结果表明,当Al-Ti-B中间合金与Al-Ti-B-Y中间合金加入量相同时(对比例2与实施例2比较),Al-Ti-B中间合金对亚共晶铝-硅合金力学性能的提高效果比Al-Ti-B-Y中间合金差。所以采用Al-Ti-B-Y中间合金处理亚共晶铝-硅合金,可使合金获得较好的综合力学性能。
表1 本发明实施例和对比例材料的性能对比
序号 | 试样号 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 硬度(HB) | 伸长率(%) |
1 | 对比例1 | 186 | 106 | 74 | 2.31 |
2 | 对比例2 | 220 | 118 | 85 | 3.12 |
3 | 实施例1 | 228 | 120 | 87 | 3.06 |
4 | 实施例2 | 241 | 136 | 94 | 3.98 |
5 | 实施例3 | 234 | 124 | 91 | 3.46 |
Claims (7)
1. 一种Al-Ti-B-Y中间合金,其特征是,由以下成分组成:钛3~8wt.%,硼1~5wt.%,钇0.5~4wt.%,其余为铝。
2. 根据权利要求1所述的Al-Ti-B-Y中间合金,其特征是,最优成分为:钛3~5wt.%,硼1~3wt.%,钇1~3wt.%,其余为铝。
3. 一种权利要求1所述中间合金的制备方法,其特征是采用以下步骤:
(1)按配比取铝-钛合金、铝-硼合金和纯钇锭作为原料;
(2)将铝-钛合金、铝-硼合金放入石墨粘土坩埚中,用中频感应电炉加热熔化至800-1000℃;
(3)待铝-钛合金、铝-硼合金全部熔化后,继续升温至1300-1500℃,加入块状纯钇锭,用碳棒搅拌,静置10~30分钟,调低温度,合金液在1200℃左右出炉浇注成形。
4. 根据权利要求3所述的制备方法,其特征是:步骤(3)中,合金液在1300-1500℃时,加入块状纯钇锭,静置10~30分钟,合金液在1200℃左右出炉浇注成形。
5.熔化温度根据钇加入量提高,可适当提高。
6. 根据权利要求1、2所述的Al-Ti-B-Y中间合金的应用,其特征是,将Al-Ti-B-Y中间合金以0.5wt.%~4wt.%的加入量加入到710~780℃的待细化亚共晶铝-硅合金中,保温5~20分钟并使之均匀分布。
7. 根据权利要求5所述的Al-Ti-B-Y中间合金在亚共晶铝-硅合金中的应用,其特征是,细化亚共晶铝-硅合金中的α-Al相和共晶硅相;并使亚共晶铝-硅合金力学性能提高。
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