CN113005315A - 一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效Al‑10Sr中间合金制备方法，属于铝基中间合金加工制备领域。其制备方法为选用工业纯铝和高Sr含量的Al‑(85～90)Sr合金作为原材料，首先按照Sr质量百分比为10％配置纯铝和Al‑(85～90)Sr合金；然后将纯铝在780±10℃熔化；待纯铝全部熔化后，将熔体降温至740±10℃；然后将Al‑(85～90)Sr合金加入熔体；全部熔化后，搅拌，并吹入氩气除气；待熔体静置至720±10℃后浇筑至水冷铜模中，得到高效Al‑10Sr中间合金。本发明制备的Al‑10Sr中间合金用于变质Al‑Si合金时，具有变质效果好，变质时间短的优点。本发明工艺流程简单，对设备要求低，适于工业化生产。

Description

一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法；属于铝基中间合金材料加工制备技术领域。

背景技术

1966年，人们发现Sr及其盐类对Al-Si合金具有变质作用，并且由于在铸造过程中更容易控制Sr的含量，因此逐渐采用Sr代替Na作为Al-Si合金的变质剂。并且由于Sr的变质有效时间长，可通过Al-Sr中间合金的形式添加，且重熔后仍具有变质效果，这使得添加合金元素变得更加容易和精确。更重要的是Sr不仅对共晶Si具有球化作用，同样能够细化枝晶Al，减少二次枝晶臂间距，因而极大地提高了Al-Si合金的力学性能。但是，采用Sr变质时，随着变质时间延长，Sr在Al-Si熔体中吸气倾向增加，会导致铸锭质量变差等。因此，如何在较短变质时间内增强变质效果，是Sr变质剂当前面临的主要技术壁垒。

Sr的变质效果与Al-Sr中间合金中Al₄Sr相的大小和形貌息息相关。当Al₄Sr相尺寸小，分布弥散时，能够在Al-Si合金熔体中更快的释放游离态的Sr原子，通过Sr原子嵌入共晶硅孪晶面凹槽，从而起到细化共晶Si的作用。因此，制备具有细小弥散Al₄Sr相的Al-Sr中间合金则成为实现Al-Si合金高效变质的关键技术。目前，制备Al-10Sr中间合金的方法主要有对渗法、熔盐电解法和热还原法。熔盐电解法是以Al溶液为阴极，石墨棒为阳极，含Sr溶液为电解液；在电解状态下，Sr被还原到Al表面从而得到Al-Sr中间合金，该方法制备的Al-Sr中间合金Al₄Sr相细小，但由于生产规模小、技术要求高，目前仍主要停留在实验室阶段，无法大规模应用于生产。热还原法是最新制备Al-Sr中间合金的技术方法之一，需要在高温真空条件下，将含Sr的熔盐中加入Al粉中，利用Al将Sr从化合物中还原出来；从而制备Al-Sr中间合金，但是由于反应控制较为复杂，极易产生副反应，且工艺条件极为严格，目前尚未得到应用。

目前制备Al-Sr中间合金最广泛的方法为对渗法，该方法具有操作简单，生产成本低，适用于大规模生产的特点。但是对渗法制备的Al-10Sr中间合金中Al₄Sr相尺寸大，变质效果有限，并且高温熔炼时Sr烧损严重，在20％以上，一定程度上提高了对中间合金的使用量。为降低Al₄Sr相尺寸、增强其对Al-Si合金变质效果、减少其添加量以降低成本，发明了在对渗法基础上进行变形破碎处理或快速凝固处理的技术，虽然获得了良好的变质性能，但变形和快速凝固技术极大地增加了生产成本、特别是快速凝固技术(快冷＞10³℃/s)在规模化生产时控制难度较大。

因此，开发烧损低、成本低，Al₄Sr相细小、弥散的Al-10Sr中间合金制备方法具有重要的工程价值。

发明内容

针对现有技术中传统对渗法制备的Al-Sr中间合金组织粗大、变质效果不足的缺点，本发明的目的在于提供一种低烧损、变质效果优异、成本低廉的高效Al-10Sr中间合金的制备方法。

本发明的制备方法，通过从以下几个方面的改进，协同作用下最终获得低烧损、变质效果优异的高效Al-10Sr中间合金：(1)以高Sr的Al-Sr中间合金：Al-(85～90)Sr合金作为熔炼的原材料，显著降低熔炼所需温度以减少烧损；(2)以化合物(AlSr)的形式固定部分Sr，使得烧损降低；(3)采用水冷铜模增大冷速，提高形核率，降低Al₄Sr相尺寸；(4)熔体中的AlSr化合物为Al₄Sr相形核提供更多的位点，从而细化Al₄Sr相。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，包括如下步骤：

按元素含量配取纯铝、Al-(85～90)Sr合金，将纯铝加入熔炼炉中，完全熔化后，降温20～60℃，然后加入Al-(85～90)Sr合金，待Al-(85～90)Sr合金完全熔化后，添加覆盖剂，然后向熔炼炉中吹入氩气，除气、静置，所得熔体浇注至水冷铜模中，冷却成型即得Al-10Sr中间合金。

在本发明中，Al-(85～90)Sr合金是指Al-(85～90)Sr合金中，Sr元素质量分数为85～90％，余量为Al。

在本发明中，Al-10Sr中间合金是指Al-10Sr中间合金中，Sr元素质量分数为10％，余量为Al。

在本发明的制备方法，通过高Sr的中间合金作为原料来制备，可获得低烧损、变质效果优异的Al-10Sr中间合金，发明人发现，只有当所加入的原料为Al-(85～90)Sr合金时，最终制备的Al-10Sr中间合金性能最优，而若所加入的

高Sr的中间合金中，Sr元素的质量百分比高于90％，或低于80％，都会导致烧损增大。

优选的方案，配取Al-(85～90)Sr合金的过程中，将Al-(85～90)Sr合金用纯铝箔包覆。

优选的方案，将纯铝加入熔炼炉中，于770～790℃熔化，完成熔化后，降温至730～750℃，然后加入Al-(85～90)Sr合金。

在实际操作过程中，待Al-(85～90)Sr合金完全熔化后，充分机械搅拌。

在本发明中，覆盖剂采用现有技术常规的均可，如采用质量比为1:1的KCl和NaCl的混合粉末。

优选的方案，所述Al-(85～90)Sr合金用纯铝箔包覆后加入熔体。发明人发现，Al-(85～90)Sr合金采用该优选加入方式，最终所得Al-10Sr中间合金的性能最优。

优选的方案，向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5-10min，静置5-10min。

发明人发现，采用旋转吹气法的除气效果最佳，最终所得材料的性能最优。

发明人发现，除气结束后，再进行静置几分钟，可以便于气泡析出；使最终的材料的性能更优。

优选的方案，所得熔体的温度为710～730℃。

在本发明中，控制浇注至水冷铜模的熔体为710～730℃，最终所得材料的细粒最为细化，铸锭表面质量佳，而若浇铸时熔体温度过高对增加吸气和不利于细化晶粒，过低铸锭表面质量不好。

优选的方案，所述水冷铜模采用冷却水冷却。

优选的方案，所述冷却成型于室温下进行。

优选的方案，所得Al-10Sr中间合金中Al₄Sr相的平均尺寸为250～300μm。本发明中所提供的Al-10Sr中间合金尺寸较常规Al-10Sr合金细化55％以上。

另外，将制备的Al-10Sr中间合金应用于变质亚共晶Al-Si合金时，较常规Al-10Sr合金变质的Al-Si合金，晶粒细化20％以上，硅细化15％以上。

有益效果

(1)本发明用高Sr含量Al-Sr中间合金代替工业纯Sr作熔炼原料，降低了熔炼Sr所需的温度，减少了Sr的烧损，提高了元素利用率，降低了生产成本；

(2)高Sr含量Al-Sr中间合金中原有的AlSr相在熔体中为新的Al₄Sr相提供了形核位点，极大降低了Al₄Sr相尺寸，与普通方法制备的Al-10Sr中间合金相比Al₄Sr相细化55％以上；

(3)该方法制备的Al-10Sr中间合金具有更优的变质效果，变质后的亚共晶合金具有更好的力学性能。

本发明采用高Sr含量的Al-Sr合金作为原材料，由于采用该原材料制备的Al-10Sr中间合金中Al₄Sr相尺寸更小，使得其变质Al-Si合金时，可在较短的时间内释放出更多的游离Sr，其一部分富集在固/液界面前沿，造成局部成分过冷，从而细化基体；另一部分富集于Si生长的孪晶凹槽处，改变其生长方向，起到球化的作用。较常规Al-10Sr合金变质的Al-Si合金，晶粒细化20％以上，硅细化15％以上，极大的提高了材料的综合力学性能。

本发明克服了传统对渗法制备的Al-10Sr中间合金组织粗大，变质效果差，且熔炼过程烧损严重、最终产品成分性能不足的缺点；提供了一种操作简单、烧损率低、Al₄Sr相尺寸细小、变质效果好的高效Al-10Sr中间合金的制备方法。

附图说明

图1为实施例二制备的Al-10Sr金相组织图。

图2为对比例一制备的Al-10Sr金相组织图。

图3为实施例四制备的Al-8Si合金金相组织图。

图4为对比例三制备的Al-8Si合金金相组织图。

图5为不同实施例和对比例制备的Al-10Sr中间合金的烧损率。

图6为不同实施例和对比例制备的Al-10Sr中间合金中Al₄Sr相尺寸。

具体实施方式

实施例一

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1180gAl-85Sr中间合金和8820g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至730℃。然后将高Sr含量Al-Sr中间合金加入熔体，待高Sr含量Al-Sr中间合金全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。待熔体静置至710℃后浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.42％，烧损率为4.4％，Al₄Sr相平均尺寸为256.7μm。

实施例二

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1140gAl-90Sr中间合金和8860g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至740℃。然后将高Sr含量Al-Sr中间合金加入熔体，待高Sr含量Al-Sr中间合金全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。待熔体静置至720℃后浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.53％，烧损率为4.7％，Al₄Sr相平均尺寸为272.4μm。

实施例三

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1110gAl-95Sr中间合金和8890g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至750℃。然后将高Sr含量加入熔体，待高Sr含量全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。待熔体静置至730℃后浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.56％，烧损率为5.8％，Al₄Sr相平均尺寸为323.7μm。

实施例四(专利应用效果实施例)

按照设计成分为Al-8Si-0.08Sr合金进行配料。配料所用原材料为工业纯铝、Al-20Si中间合金和实施例一制备的Al-10Sr中间合金，设计铸锭重量为10kg。将所用工具打磨、喷涂ZnO涂料并烘干，所配原材料在150℃干燥箱中烘干预热。熔炼炉温度升至400℃时，加入工业纯铝和Al-20Si中间合金并继续升温，温度升至780℃后，保温直至全部融化。随即加入Al-10Sr中间合金变质，搅拌均匀后保温5min。向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。然后将熔体浇注到水冷铜模中，室温冷却成型，最终获得尺寸约为60mm×180mm×350mm的铸锭。取中间位置的样品进行金相组织观察和力学性能测试。初晶α-Al的二次枝晶臂间距为14.1μm，共晶硅等效圆直径为0.62μm，合金抗拉强度为194.5MPa，屈服强度为91.3Mpa,延伸率为21.65％。

对比例一

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1000g工业纯Sr和9000g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在800℃熔炉中熔化，然后将工业纯Sr加入熔体，待全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。将熔体浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为8.52％，烧损率为14.8％，Al₄Sr相平均尺寸为666.4μm，相较于实施例一、二、三中Sr的烧损高且Al₄Sr相尺寸较大。

对比例二

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1250gAl-80Sr中间合金和8750g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至730℃。然后将高Sr含量Al-Sr中间合金加入熔体，待高Sr含量Al-Sr中间合金全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。待熔体静置至710℃后浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.21％，烧损率为7.9％，Al₄Sr相平均尺寸为253.2μm。

对比例三

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1180gAl-85Sr中间合金和8820g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至730℃。然后将高Sr含量Al-Sr中间合金加入熔体，待高Sr含量Al-Sr中间合金全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，将未静置的730℃熔体浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.49％，烧损率为4.2％，Al₄Sr相平均尺寸为382.7μm且铸锭内部存在大量气孔等缺陷。

对比例四

按照最终成分Al-90％、Sr-10％的成分设计Al-10Sr合金，配制1180gAl-85Sr中间合金和8820g工业纯铝作为熔炼所需的原材料。将工业纯铝在780℃熔炉中熔化，待纯铝全部熔化后，将熔体温度降至730℃。然后将高Sr含量Al-Sr中间合金加入熔体，待高Sr含量Al-Sr中间合金全部熔化后，进行充分机械搅拌并添加覆盖剂。然后向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，保温静置5min。将730℃熔体浇注到水冷铜模中，室温冷却成型。该工艺生产的Al-10Sr中间合金，其中Sr的实测含量为9.33％，烧损率为6.7％，Al₄Sr相平均尺寸为376.1μm。

对比例五(专利应用效果对比实施例)

按照设计成分为Al-8Si-0.08Sr合金进行配料。配料所用原材料为工业纯铝、Al-20Si中间合金和对比例一制备的Al-10Sr中间合金，设计铸锭重量为10kg。将所用工具打磨、喷涂ZnO涂料并烘干，所配原材料在150℃干燥箱中烘干预热。熔炼炉升温至400℃时，加入工业纯铝和Al-20Si中间合金并继续升温，温度升至780℃后，保温直至全部融化。随即加入Al-10Sr中间合金变质，搅拌均匀后保温5min，向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5min，除气结束后，静置5min。将熔体浇注到水冷铜模中，室温冷却成型，最终获得尺寸约为60mm×180mm×350mm的铸锭。取中间位置的样品进行金相组织观察和力学性能测试。初晶α-Al的二次枝晶臂间距为17.9μm，共晶硅等效圆直径为0.84μm，合金抗拉强度为173.1MPa，屈服强度为83.7MPa，延伸率为15.63％，其力学性能较实施例四显著下降。

本发明提供的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，与现有其他技术相比，以Al-(85～90)Sr合金作为原料，能够显著降低熔炼温度，减少了Sr的烧损；能够提供更多的形核核心，起到细化Al₄Sr相尺寸的作用。细小、弥散的Al₄Sr相能够在Al-Si熔体中释放出更多的游离Sr，从而起到限制共晶Si生长和细化初晶α-Al的作用，具有高效的变质效果。

Claims (9)

1.一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

按元素含量配取纯铝、Al-(85～90)Sr合金，将纯铝加入熔炼炉中，完全熔化后，降温20～60℃，然后加入Al-(85～90)Sr合金，待Al-(85～90)Sr合金完全熔化后，添加覆盖剂，然后向熔炼炉中吹入氩气，除气、静置，所得熔体浇注至水冷铜模中，冷却成型即得Al-10Sr中间合金。

2.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：配取Al-(85～90)Sr合金的过程中，将Al-(85～90)Sr合金用纯铝箔包覆。

3.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：将纯铝加入熔炼炉中，于770～790℃熔化，完成熔化后，降温至730～750℃，然后加入Al-(85～90)Sr合金。

4.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：所述Al-(85～90)Sr合金用纯铝箔包覆后加入熔体。

5.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气5～10min，静置5～10min。

6.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：所得熔体的温度为710～730℃。

7.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：所述冷却成型于室温下进行。

8.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：所述水冷铜模采用冷却水冷却。

9.根据权利要求1所述的一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法，其特征在于：所得Al-10Sr中间合金中Al₄Sr相的平均尺寸为250～300μm。

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