長壽命鋁矽合金晶粒細化劑及其製備方法

2023-09-24 02:47:55

專利名稱：長壽命鋁矽合金晶粒細化劑及其製備方法
技術領域：
本發明涉及用於鑄造鋁矽合金晶粒細化的細化劑，尤其涉及一種長壽命鋁矽合金 晶粒細化劑及其製備方法。
背景技術：
傳統的Α1-5 -Β晶粒細化劑在鑄造鋁矽合金時會發生中毒現象，從而使 得細化劑的細化效率大打折扣，甚至完全失去細化作用(見S.A.Kori，B. S. Murty, Μ. Chakraborty，Mater. Sci. Eng. A283 (2000) 94.)。究其原因，乃 Al_5Ti_B 中過量的 Ti 與鋁矽合金中的Si相互作用使得形核質點被包裹所致(D. Qiu, J. A. Taylor, M-X. Zhang, P. Μ. Kelly, Acta Mater. 55 (2007) 1447.)。因此，有人開發出了 Al-B中間合金作為鋁矽合金 鑄造用的「無鈦」細化劑(S. Nafisi, R. Ghomashchi，Mater. Sci. Eng. A452-453 (2007) 445，以 及，丁超，劉源，李言祥，特種鑄造及有色合金，30 (2010) 465.)，以及Al-3Ti_;3B為例的「過 硼」細化劑。但是，實踐證明，這些細化劑存在嚴重的退化現象；其主要原因有兩點首先， 這些中間合金中作為有效形核質點的顆粒是AlB2，它極易在鋁熔體中溶解；另外，AW2與液 態鋁的密度差使得其在保溫過程中沉降，加速了退化過程。上述退化現象嚴重製約了 Al-B 合金在鑄造鋁矽合金中的大規模應用，隨著連鑄技術的發展，迫切需要一種長壽命、抗退化 的細化劑。

發明內容
鑑於現有技術所存在的上述問題，本發明旨在公開一種長壽命鋁矽合金晶粒細化 劑及其製備方法，所述細化劑一方面延長了形核質點在高溫熔體中的存在時間，同時，改善 了顆粒的沉降行為，從而具有長壽命、抗退化的特點。本發明的技術解決方案是這樣實現的一種長壽命鋁矽合金晶粒細化劑，是一種Al-B合金，其特徵在於其成分的質量百分比為，硼1. 0-5.0%，鋁餘量；其在製備過程中，硼以KBF4的形式添加入鋁熔體中，在900-1200°C下熔煉合成 Al-B合金；在所述Al-B合金中，有AW2和AlB12兩相共存。本發明所述的細化劑的另一種方案是所述細化劑的成分中還可以包括質量百分 比不大於5%的鈦(Ti)，並且鈦的質量百分含量不大於硼；鈦以K2TiF6的形式與以KBF4的 形式的硼一同經研細、烘乾、壓塊後添加入900-1200°C下的鋁熔體中熔煉。所述長壽命鋁矽合金晶粒細化劑的製備方法，包括如下步驟
(1)原料研磨將KBF4粉末或KBF4與K2TiF6的粉末研細、烘乾；在此的研磨過程用以保證後續烘乾作用充分，使粉末樣品內的水分完全去除，便 於控制成品的成分。(2)壓塊利用壓片機將烘乾的粉末壓成一定大小的預製塊備用；
壓塊的主要作用有兩點一是控制反應更加容易，使原料完全浸沒入鋁液內部，充 分反應；二是塊狀原料可以將反應區集中於加入部分，熱量不易散失，更易於生成aib12。(3)熔煉鋁錠將工業純鋁置於爐內熔化，溫度升至900-1200°C ；高溫製備過程利於AlB12的生成因氟鹽反應為高放熱反應，當反應溫度高於 9000C以上時，大量反應熱造成反應界面處的溫度高於AlB12的生成溫度，從而可在較低制 備溫度下生成A1B12。此外，為防止原料過度氧化，溫度不宜高於1200°C。(4)合成反應在900-1200°C下，將預製塊小心壓入鋁熔體液面以下，反應過程中 不要施加任何攪拌作用，整個過程採用熱電偶實時測溫；這裡需要特別指明的是，常規的製備方案中經常要施加攪拌作用，以利於更加均 勻的反應。然而本發明的發明人在實驗中證明，攪拌會使得反應產物包裹AlB2和AlB12顆 粒，並會加劇顆粒的團聚，從而削弱細化劑的細化作用，不利於得到均勻的組織。因此，在本 方案中，一個關鍵的技術要領是，整個反應過程中不施加任何攪拌作用。(5)保溫待溫度停止上升後，保溫15min ；(6)去渣撇去表層的產物餘鹽，避免將餘鹽捲入Al-B合金熔體內部；否則會嚴重 影響細化劑效率。發明人經大量實驗證實，儘管一段時間之後，反應溫度不再上升，熔體仍 然需要一段時間的保溫過程來提高B元素的收成。在這一步重要特別注意的還有表層殘餘 產物餘鹽的去除，應在澆注之前進行，這樣可以減少鋁液在高溫過程的氧化。(7)攪拌採用石墨攪拌頭對熔體進行機械攪拌15-30S ；(8)澆注將Al-B合金熔體澆注成型即得。使用時，將製得的中間合金切割至所需用量，投入要使用的鋁矽合金中。用攪拌棒 攪勻，即可進行正常鑄造。根據細化理論，AW2可以作為鋁晶核的形核質點，而AlB12同鋁晶粒之間的錯配度 高達151 %，不能有效地助鋁形核。因此，長期以來，本領域技術人員普遍希望在作為細化 劑的Al-B合金中避免生成A1B12。本案的發明人在長期的研究中卻發現，儘管AlB12不能 直接作為形核質點，但是其在鋁熔體中可以緩慢轉變成AlB2,從而延長了質點的存在時間； 此外，AlB12較低的密度從另一方面改善了形核質點顆粒的沉降行為。本發明製備所述細 化劑的過程中，利用了氟鹽反應大量放熱的特點，在製備中間合金的過程中，通過壓塊，禁 止攪拌，提高熔體溫度等措施，使反應區熱量集中，在較低的合成溫度下就能製備出AW2與 AlB12同時存在的高效細化劑。試驗結果表明，在保溫時間長達一個小時的情況下，細化劑 的細化效率依然很高。


圖1是實施例中所製備的Al-B合金細化劑的金相組織照片；圖2A1-B合金XRD花樣；圖3A1-B合金細化劑對純鋁的細化作用，所述細化劑的加入量為1/600 ；圖4A1-B合金細化劑對Al-Si合金的細化作用，所述細化劑的加入量分別為1%、2%。
具體實施例方式選取Al-B合金細化劑的成分(wt. % ) :Β，3· 0(以KBF4粉末的形式給出)；Al，餘量。Al-B合金細化劑製備過程如下(1)原料研磨將KBF4粉末研細、烘乾；(2)壓塊利用壓片機將烘乾的KBF4粉末壓成直徑40mm的圓餅狀預製塊；(3)熔煉鋁錠將工業純鋁置於爐內熔化，溫度升至950°C ；(4)合成反應將預製塊小心壓入鋁熔體液面以下，反應過程中未施加任何攪拌 作用，整個過程用熱電偶實時測溫；(5)保溫待溫度停止上升後，保溫15min ；(6)去渣用渣勺撇去表層的產物餘鹽，避免將餘鹽捲入熔體內部，否則會嚴重影 響細化劑效率；(7)攪拌用石墨攪拌頭對合金熔體進行機械攪拌15-30S ；(8)澆注將合金熔體澆入水冷銅鑄型中，進行快速冷卻即可。進行細化實驗分別用製得的Al-B合金細化劑對純鋁和Al-Si合金進行了晶粒細化實驗，其具體 結果見圖1-圖4所示如圖1、圖2所示，清晰的揭示了 AW2和AlB12兩相共存於所製得的所述Al-B合金 細化劑中；圖3清晰地顯示了當所述Al-B合金細化劑加入量為1/600時，其對純鋁的細化作 用，在反應開始60min時有一個明顯的復活現象；圖4則顯示了當Al-B合金細化劑加入量分別為1^^2%時，其對Al-Si合金的細 化作用，60min時的晶粒明顯要優於30min，甚至與剛接種時相當。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其 發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種長壽命鋁矽合金晶粒細化劑，是一種Al-B合金，其特徵在於 其成分的質量百分比為，硼1. 0-5.0%，鋁餘量；在其製備過程上，硼以KBF4的形式經研細、烘乾、壓塊後添加入鋁熔體中，在 900-1200°C下熔煉合成所述Al-B合金；在所述Al-B合金中，有AW2和AlB12兩相共存。
2.如權利要求1所述的長壽命鋁矽合金晶粒細化劑，其特徵在於其成分中還包括質量百分比不大於5%的鈦，並且鈦的質量百分含量不大於硼；鈦以 K2TiF6的形式與以KBF4的形式的硼一同經研細、烘乾、壓塊後添加入900-1200°C下的鋁熔 體中熔煉。
3.一種長壽命鋁矽合金晶粒細化劑的製備方法，包括如下步驟(1)原料研磨將KBF4粉末或KBF4與K2TiF6的粉末研細、烘乾；(2)壓塊利用壓片機將烘乾的粉末壓成一定大小的預製塊備用；(3)熔煉鋁錠將工業純鋁置於爐內熔化，溫度升至900-1200°C；(4)合成反應在900-1200°C下，將預製塊小心壓入鋁熔體液面以下，反應過程中不要 施加任何攪拌作用，整個過程採用熱電偶實時測溫；(5)保溫待溫度停止上升後，保溫15min；(6)去渣撇去表層的產物餘鹽，避免將餘鹽捲入Al-B合金熔體內部；(7)攪拌採用石墨攪拌頭對熔體進行機械攪拌15-30S；(8)澆注將Al-B合金熔體澆注成型即得。
全文摘要
本發明涉及一種長壽命鋁矽合金晶粒細化劑及其製備方法，所述晶粒細化劑，是一種Al-B合金，其成分的質量百分比為，硼1.0-5.0％，鋁餘量；在其製備過程上，硼以KBF4的形式經研細、烘乾、壓塊後添加入鋁熔體中，在900-1200℃下熔煉合成所述Al-B合金；在所述Al-B合金中，有AlB2和AlB12兩相共存。所述細化劑一方面延長了形核質點在高溫熔體中的存在時間，同時，改善了顆粒的沉降行為，做為鑄造鋁矽合金的晶粒細化劑具有長壽命、抗退化、細化效率高的顯著特點。
文檔編號C22C21/00GK102071330SQ20111002528
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者伏洪旺, 徐軍, 李廷舉, 王同敏, 陳宗寧 申請人:大連理工大學