CN109439976A

CN109439976A - 一种复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法

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Publication number: CN109439976A
Application number: CN201910018762.7A
Authority: CN
Inventors: 宋东福; 康跃华; 王顺成; 甘春雷; 楼华山; 黄毅; 李宏军
Original assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: CN109439976B

Abstract

本发明公开了一种复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法，涉及铸造铝合金的变质技术领域。该方法主要利用复合变质剂进行变质；其中，复合变质剂包括Al‑Ti‑B中间合金、Al‑Sr中间合金以及Al‑RE中间合金，Al‑Ti‑B中间合金的添加比例为铸造铝硅合金的熔体质量的0.01％～0.04％；Al‑Sr中间合金中Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％；Al‑RE中间合金中RE添加量为熔体质量的0.01％～0.1％。该方法成本低、易操作，并且通过复合变质可达到同时细化α‑Al晶粒和变质共晶硅的目的，并降低Sr、Al‑Ti‑B的添加量，从而提高合金的抗拉强度和延伸率，同时可提高铸造铝合金的强韧性。

Description

一种复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法

技术领域

本发明涉及铸造铝合金的变质技术领域，且特别涉及一种复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法。

背景技术

Al-Si系列铸造铝合金具有优异的铸造流动性和气密性、小的热膨胀系数及良好焊接性和机械加工特性等优点，广泛应用于汽车摩托车、航空航天、通讯及电子电器等领域。据统计，2017年我国铝合金铸件产量达到了792万吨，其中铝硅合金铸件约占其中的85％～90％。在汽车产品铸件中，铝硅合金铸件也占了整个汽车铸件总量的80％以上，成为汽车轻量化最为重要的轻质材料之一。随着新能源汽车、通讯行业对轻量化要求逐步提高，对铸造铝合金的强韧性要求也越来越高。

细化合金组织是金属强韧化的有效手段之一，其中变质处理具有成本低、方法简单、效果显著等特点，已成为改善铝合金组织和性能最有效的途径之一。目前，常用于α-Al细化的细化剂有Al-Ti-B、Al-Ti、Al-Ti-C、RE等，其中Al-Ti-B最为常用，但对于含Zr的铸造铝合金不适用，同时也存在偏聚、沉降的问题；Sr是行业内公认效果最佳的共晶硅变质剂，但Sr化学活性活泼，易烧损和吸气，损害合金力学性能。为了同时细化α-Al和共晶硅，通常采用复合变质工艺，但简单地将Sr和Al-Ti-B组合添加仍无法解决Sr吸气和烧损的问题。RE是一类表面活性元素，在铝合金中不仅能抑制晶粒长大，而且与[H]生成化合物，具有除气净化熔体的功能。张佳虹【张佳虹,邢书明.Al-Si合金变质元素及其交互作用[J].材料导报,2018,32(11):1870-1877.】等综述了Sr、La和Sr、Y复合变质能有效细化二次枝晶间距和共晶硅组织；兰晔峰【兰晔峰,郭朋,张继军.稀土对Al-Ti-B-RE中间合金细化性能的影响[J].铸造技术,2005(09):774-775.】证实了RE的加入对Al-Ti-B的细化能力和时效性均有较大幅度的提高。由此可见，RE虽然能一定程度提高对Sr和Al-Ti-B的变质和细化能力，但还无法实现共晶硅和α-Al晶粒的同步细化，更大程度地提高合金的强韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合变质剂，用于亚共晶或共晶铝硅合金的复合变质，且该复合变质剂可达到同时细化α-Al晶粒和变质共晶硅的目的，从而提高合金的抗拉强度和延伸率。

本发明的另一个目的在于提供一种铸造铝硅合金的复合变质方法，该方法主要利用上述的复合变质剂进行复合变质。因此，该方法成本低、易操作，并且通过复合变质可达到同时细化α-Al晶粒和变质共晶硅的目的，并降低Sr、Al-Ti-B的添加量，从而提高合金的抗拉强度和延伸率，同时可提高铸造铝合金的强韧性。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种复合变质剂，用于亚共晶或共晶铝硅合金的复合变质，复合变质剂包括：

Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金，其中，Al-Ti-B中间合金的添加比例为亚共晶或共晶铝硅合金的熔体质量的0.01％～0.04％；Al-Sr中间合金中Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％；Al-RE中间合金中RE添加量为熔体质量的0.01％～0.1％。

本发明提出一种铸造铝硅合金的复合变质方法，其主要利用上述的复合变质剂进行变质；

其中，复合变质剂包括Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金，Al-Ti-B中间合金的添加比例为铸造铝硅合金的熔体质量的0.01％～0.04％；Al-Sr中间合金中Sr的添加量为熔体质量的0.01～0.05％；Al-RE中间合金中RE添加量为熔体质量的0.01％～0.1％。

本发明实施例的复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法的有益效果是：

本发明的实施例提供的铸造铝硅合金的复合变质方法，其主要利用复合变质剂进行变质；

在该方法中，Al-Ti-B主要起细化α-Al基体的作用，而Sr主要起变质共晶硅的作用，由于Sr元素易烧损且易吸气，加入的时机和温度选择非常重要，本发明选择在精炼除气除杂后加入，温度也是选择浇铸温度，目的在于减少由于精炼带来的烧损和吸气。由于RE的表面化学活性很强，RE一方面通过与熔体中[H]发生化学反应，形成高温质点，这不仅为α-Al提供大量的形核质点，细化晶粒，同时也减少了因为加Sr带来的吸气效应，净化熔体；另一方面RE易吸附在α-Al和Si生长表面，抑制晶粒的长大，进一步细化晶粒。但RE的添加量需严格控制，当含量过高易与Al、Ti形成Al-Ti-RE化合物，毒化变质剂。此外，由于Sr和RE元素均容易烧损，本发明选择在精炼后加入，用工具缓慢搅拌将使其均匀分布在熔体中，目的在于减少因熔体剧烈搅拌和温度不均匀带来的烧损和吸气，同时利用RE的除气功能，减少因添加变质剂所带来的吸气。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时α-Al基体、细化共晶硅组织，同时能够达到除气净化熔体的目的，大幅提高合金强韧性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为未经变质的ZL101合金在低倍镜下的金相组织图谱；

图2为未经变质的ZL101合金在高倍镜下的金相组织图谱；

图3为本发明实施例1提供的变质处理后的ZL101合金在低倍镜下的金相图谱；

图4为本发明实施例1提供的变质处理后的ZL101合金在高倍镜下的金相图谱；

图5为本发明实施例2提供的变质处理后的ZL101合金在低倍镜下的金相图谱；

图6为本发明实施例2提供的变质处理后的ZL101合金在高倍镜下的金相图谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的复合变质剂及铸造铝硅合金的复合变质方法具体说明。

本发明的实施例提供了一种复合变质剂，用于亚共晶或共晶铝硅合金的复合变质，复合变质剂包括：

详细地，RE选用的是价格相对低廉的轻质稀土元素。三种组分中，Al-Ti-B主要起细化α-Al基体的作用，而Sr主要起变质共晶硅的作用。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，Al-RE中间合金中的RE为La或Ce中的一种或者两种。

一种铸造铝硅合金的复合变质方法，其主要利用上述的复合变质剂进行变质；

进一步地，在本发明的较佳实施例中，铸造铝硅合金的复合变质方法，包括：

将铸造铝硅合金全部熔化后得到熔体；

对熔体进行在线精炼；

保温一段时间后扒渣；

加入用铝箔包好，经过预热过的复合变质剂，并用钛制工具将其压入熔体的内部，且熔化后缓慢搅拌使复合变质剂可均匀分布于熔体中；

静置一段时间后浇铸成锭或者中间包，制备铸造铝硅合金锭或铸件。

详细地，在该方法中，Al-Ti-B主要起细化α-Al基体的作用，而Sr主要起变质共晶硅的作用，由于Sr元素易烧损且易吸气，加入的时机和温度非常重要，本发明选择在精炼除气除杂后加入，温度也是选择浇铸温度，目的在于减少由于精炼带来的烧损和吸气。由于RE的表面化学活性很强，RE一方面通过与熔体中[H]发生化学反应，形成高温质点，这不仅为α-Al提供大量的形核质点，细化晶粒，同时也减少了因为加Sr带来的吸气效应，净化熔体；另一方面RE易吸附在α-Al和Si生长表面，抑制晶粒的长大，进一步细化晶粒。但RE的添加量需严格控制，当含量过高易与Al、Ti形成Al-Ti-RE化合物，毒化变质剂。此外，由于Sr和RE元素均容易烧损，本发明选择在精炼后加入，用工具缓慢搅拌将使其均匀分布在熔体中，目的在于减少因熔体剧烈搅拌和温度不均匀带来的烧损和吸气，同时利用RE的除气功能，减少因添加变质剂所带来的吸气。因此，本发明的复合变质剂，不仅能够同时α-Al基体、细化共晶硅组织，同时能够达到除气净化熔体的目的，大幅提高合金强韧性。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，将铸造铝硅合金全部熔化后得到熔体具体包括：

将配好的铸造铝硅合金的原材料投入熔炼炉内；

将原料加热至500℃后保温30min，再升温至750～800℃，进一步地，在本发明的较佳实施例中，对熔体进行在线精炼之前还包括将熔体的温度降低至700～720℃。通过对温度以及时间的控制可进一步地减少由于精炼带来的烧损和吸气。当然，在本发明的其他实施例中，温度以及时间还可以根据需求进行相应地调节，本发明的实施例不做限定。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，在保温一段时间后扒渣的步骤中，一段时间为15～30min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，在静置一段时间后浇铸成锭或者中间包，制备铸造铝硅合金锭或铸件的步骤中，一段时间为30～60min。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明实施例选用商用的ZL101亚共晶铝硅铸造铝合金，化学成分见表1，其变质前的合金金相组织图谱如图1和图2所示。

表1实施例选用材料的化学成分(wt.％)

合金牌号

Si

Fe

Mg

Mn

Cu

Ti

其它

Al

ZL101

7.28

0.12

0.38

0.02

0.013

0.02

≤0.15

余量

实施例1

本实施例提供了一种铸造铝硅合金的复合变质方法，其包括以下步骤：

S1：将配好的合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至750℃；

S2：待原材料全部熔化后，将熔体温度降低至700℃。随后对铝熔体进行在线精炼。

S3：保温15分钟后扒渣，加入用铝箔包好，经预热过的Al-Ti-B、Al-Sr中间合金，Al-Ti-B、Sr的加入量分别为熔体质量的0.02％、0.04％，随后用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后缓慢搅拌熔体使其均匀分布。

S4：熔体静置60分钟后浇铸成锭，制备铸造1#铝合金锭。

变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，其金相结构如图3和图3所示。同时，还对铸锭进行T5热处理后用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。

实施例2

S1：将配好的合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至800℃；

S2：待原材料全部熔化后，将熔体温度降低至710℃。随后对铝熔体进行在线精炼。

S3：保温30分钟后扒渣，加入用铝箔包好，经预热过的Al-Ti-B、Al-Sr、Al-RE中间合金，Al-Ti-B、Sr、RE的加入量分别为熔体质量的0.02％、0.04％、0.05％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后缓慢搅拌熔体使其均匀分布。

S4：熔体静置60分钟后浇铸成锭，制备铸造铝合金锭。

变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，其金相结构如图5和图6所示，同时还对铸锭进行T5热处理后用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。

实施例3

S1：将配好的合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至760℃；

S2：待原材料全部熔化后，将熔体温度降低至720℃。随后对铝熔体进行在线精炼。

S3：保温20分钟后扒渣，加入用铝箔包好，经预热过的Al-Ti-B、Al-Sr、Al-RE中间合金，Al-Ti-B、Sr、RE的加入量分别为熔体质量的0.04％、0.03％、0.05％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后缓慢搅拌熔体使其均匀分布。

S4：熔体静置40分钟后浇铸成锭，制备铸造铝合金锭。

变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸锭进行T5热处理后用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。

实施例4

S1：将配好的合金原料投入熔炼炉内，并将原料加热至500℃后保温30分钟，再升温至780℃；

S3：保温30分钟后扒渣，加入用铝箔包好，经预热过的Al-Ti-B、Al-Sr、Al-RE中间合金，Al-Ti-B、Sr、RE的加入量分别为熔体质量的0.01％、0.02％、0.1％，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后缓慢搅拌熔体使其均匀分布。

S4：熔体静置30分钟后转液至中间包，制备铸造Al-Si合金铸件。

变质处理后测试合金的化学成分，用显微镜观察合金的低倍和高倍组织，对铸件进行T5热处理后用万能力学试验机测试合金的拉伸力学性能。

实施例1～4铸造铝合金复合变质后化学成分见表2。

表2实施例1～4复合变质后合金的成分

实施例	Si	Fe	Mg	Mn	Cu	Ti	其它	Al
									1	7.28	0.12	0.38	0.02	0.013	0.02	≤0.15	余量
2	7.09	0.14	0.35	0.02	0.011	0.03	≤0.15	余量
									3	7.17	0.15	0.33	0.03	0.008	0.03	≤0.15	余量
4	7.24	0.13	0.36	0.02	0.01	0.03	≤0.15	余量

实施例1～4铸造铝合金复合变质前后铸态组织特征数据统计表3。

表3实施例1～4复合变质前后的组织特征数据统计

实施例	二次枝晶间距(μm)	共晶硅平均面积(μm<sup>2</sup>)	共晶硅圆整度
				变质前	50	38.2	4.43
1	40	7.9	2.43
				2	32	7.2	2.41
3	34	6.4	2.37
				4	33	6.9	2.39

实施例1～4铸造铝合金复合变质前后的T5态力学性能见表4。

表4实施例1～4复合变质后合金的T5态力学性能

实施例	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)
				变质前	255	170	8.0
1	250	155	13.9
				2	255	170	16.9
3	265	165	19.0
				4	255	155	16.1

综上所述，本发明实施例的根据表1至表4的数据以及图1至图5可知，本发明的实施例提供的复合变质剂用于亚共晶或共晶铝硅合金的复合变质，且该复合变质剂可达到同时细化α-Al晶粒和变质共晶硅的目的，从而提高合金的抗拉强度和延伸率。本发明的实施例提供的铸造铝硅合金的复合变质方法，该方法主要利用上述的复合变质剂进行复合变质。因此，该方法成本低、易操作，并且通过复合变质可达到同时细化α-Al晶粒和变质共晶硅的目的，并降低Sr、Al-Ti-B的添加量，从而提高合金的抗拉强度和延伸率，同时可提高铸造铝合金的强韧性。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种复合变质剂，用于亚共晶或共晶铝硅合金的复合变质，其特征在于，所述复合变质剂包括：

Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金，其中，所述Al-Ti-B中间合金的添加比例为亚共晶或共晶铝硅合金的熔体质量的0.01％～0.04％；所述Al-Sr中间合金中Sr的添加量为所述熔体质量的0.01～0.05％；所述Al-RE中间合金中RE添加量为熔体质量的0.01％～0.1％。

2.根据权利要求1所述的复合变质剂，其特征在于：

所述Al-RE中间合金中的RE为La或Ce中的一种或者两种。

3.一种铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于：

所述铸造铝硅合金的复合变质方法主要利用权利要求1或2所述的复合变质剂进行变质；

其中，所述复合变质剂包括Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金以及Al-RE中间合金，所述Al-Ti-B中间合金的添加比例为铸造铝硅合金的熔体质量的0.01％～0.04％；所述Al-Sr中间合金中Sr的添加量为所述熔体质量的0.01～0.05％；所述Al-RE中间合金中RE添加量为熔体质量的0.01％～0.1％。

4.根据权利要求3所述的铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于，包括：

将铸造铝硅合金全部熔化后得到熔体；

对所述熔体进行在线精炼；

保温一段时间后扒渣；

加入用铝箔包好，经过预热过的所述复合变质剂，并用钛制工具将其压入所述熔体的内部，且熔化后缓慢搅拌使所述复合变质剂可均匀分布于所述熔体中；

5.根据权利要求4所述的铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于，将铸造铝硅合金全部熔化后得到所述熔体具体包括：

将配好的铸造铝硅合金的原材料投入熔炼炉内；

将原料加热至500℃后保温30min，再升温至750～800℃，使得所述原材料熔化后得到所述熔体。

6.根据权利要求4所述的铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于：

对所述熔体进行在线精炼之前还包括将所述熔体的温度降低至700～720℃。

7.根据权利要求4所述的铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于：

在保温一段时间后扒渣的步骤中，一段时间为15～30min。

8.根据权利要求4所述的铸造铝硅合金的复合变质方法，其特征在于：

在静置一段时间后浇铸成锭或者中间包，制备铸造铝硅合金锭或铸件的步骤中，一段时间为30～60min。