一種鋁合金用細化劑及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種鋁合金細化劑。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金具有質(zhì)量輕、耐蝕性好、導(dǎo)電性能優(yōu)良并具有可焊性能好的優(yōu)點，在航空航 天，汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但是鑄造鋁合金的凝固組織存在晶粒粗大的特點，并存 在大量的柱狀晶，影響了其力學(xué)性能以及鋁合金件的進一步生產(chǎn)加工。因此，需要采取各種 措施對鋁合金的凝固組織進行細化，來獲得細小均勻的等軸晶組織。
[0003] 鋁合金的細化方法主要是在鋁熔體中添加細化劑，目前生產(chǎn)中常用的細化劑有 Al-5Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等，其中Al-5Ti、Al-Ti-B應(yīng)用最為廣泛，這兩種細化劑是采用氟 鹽法制備，存在Al3Ti粒子過于粗大，TiB粒子偏聚的問題，影響了其細化效率。當鋁合金 中含有Cr、Mn、Zr等離子時，Al-Ti及Al-Ti-B中間合金常表現(xiàn)出極弱的或完全失去細化能 力，也就是通常所說的晶粒細化劑的"中毒"現(xiàn)象，并且無法滿足鋁及其合金在罐材用料、超 薄鋁箔、磁盤、陽極氧化產(chǎn)品等方面的性能要求，因此開發(fā)新型高效細化劑迫在眉睫。
[0004] 研宄者對鋁合金細化劑展開了大量的研宄，"Al-Ti-C基中間合金的合成及其細化 效果研宄"（許春香等，太原理工大學(xué)博士學(xué)位論文.2010. 4)中，研宄了Al-Ti-C對鋁合 金細化效果，發(fā)現(xiàn)該細化劑的細化效果好于Al-Ti-B;"稀土在Al-Ti-B-RE中間合金中的作 用"（張勝華，張涵，朱云??中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2005,36(3):386-388)，研宄 了富Ce稀土對Al-Ti-B組織和細化效果影響，發(fā)現(xiàn)稀土可以改善TiA13和TiB2粒子的分 布，降低其尺寸，提高其細化效果；"鋁鈦硼稀土細化劑的組織特點"（李志揚，倪紅軍，汪興 興，朱昱，黃明宇..鑄造技術(shù).2012. 32 (1) : 20-22)，研宄了富Ce稀土對工業(yè)純鋁細化的影 響，發(fā)現(xiàn)稀土能夠延長Al-Ti-B的細化衰退時間；李志揚等研宄LaF3和碳酸富La稀土對 Al-Ti-B微觀組織影響，發(fā)現(xiàn)0. 3%La可以使A13Ti相長度降低20-30ym。
[0005] 申請?zhí)枮镃N200910304877. 9,名稱為"一種高效低成本的鋁及鋁合金細化劑及其 制備方法"的專利文件中，公開的細化劑為鋁-鈦-碳-稀土中間合金，其中間合金中各組 分按照重量百分比為：3% -10%Ti，0. 02-1%C和0. 02-1%RE，90-97%鋁和其余成分雜質(zhì) 元素；申請?zhí)枮镃N201410742570. 8,名稱為"超強鋁合金細化劑及其制備和添加方法"的專 利文件中，公開的細化劑化學(xué)組成按質(zhì)量百分比為：1. 0~2. 5wt%Cu，1. 5~3.Owt%Mg， 4. 5 ~6. 5wt%Zn，0. 4 ~0? 5wt%RE，0. 2 ~0? 4wt%Be，余量為Al。
[0006] 綜上，人們已經(jīng)開始關(guān)注利用稀土元素來改善Al-Ti-B微觀組織，加強其細化效 果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本，故進一步提高稀土的細化效果還是十分必 要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好的純凈性和優(yōu)良的細化效果的鋁合金用細 化劑。本發(fā)明的目的還在于提供一種鋁合金用細化劑的制備方法。
[0008]本發(fā)明的鋁合金用細化劑的重量比組成為：鈦4. 5-5. 5%、鈰0. 2-0. 4%、鎂 0.6-1. 8%和余量的鋁。
[0009] 本發(fā)明的鋁合金用細化劑的制備方法為：按照重量比為鈦4. 5-5. 5%、鈰 0. 2-0. 4 %、鎂0. 6-1. 8 %和余量的鋁的比例，在隊和SF6保護氣氛下進行熔煉，所述熔煉 在感應(yīng)爐中進行，熔煉時電壓控制在300~400V，電流控制在100~120A，熔煉溫度在 1200 °C~1300 °C，熔煉過程中，首先加入純鋁錠，待其熔化后，采用鋁箔包裹，并使用鐘罩將 鈦粉壓入鋁熔體液面之下，加入鈦粉后，靜止十分鐘，采用石墨鐘罩將Mg-30Ce(含Mg元素 70wt%，含Ce元素30wt% )中間合金壓入鋁合金熔體液面之下，靜止五分鐘后，利用交變電 磁場產(chǎn)生的渦流對合金熔體進行攪拌，攪拌十分鐘后，利用旋轉(zhuǎn)噴吹進行除氣處理，澆注前 靜置5分鐘后，澆入預(yù)熱至200°C的石墨型模具中。
[0010] 本發(fā)明提供了一種鋁合金的新型細化劑，它適合細化鋁合金的晶粒，從而提高鋁 合金的強度、伸長率及耐疲勞性能。本發(fā)明的細化劑特別適合作為純鋁及鋁硅合金的細化 劑。
[0011] 鎂元素能夠激發(fā)稀土對Al-Si合金中的共晶Si的細化效果，因此，本發(fā)明 通過采用鋁稀土中間合金和鎂稀土中間合金的形式，通過熔鑄法制備的Al-Ti-RE和 Al-Ti-Mg-RE，考察稀土Ce對Al-Ti微觀組織影響，以及Mg元素對Al-Ti-Ce合金微觀結(jié)構(gòu) 的影響，為生產(chǎn)高效、穩(wěn)定、成本低廉的細化劑提供新的依據(jù)。
[0012] 本發(fā)明中間合金細化劑中每種元素的作用如下：
[0013] 根據(jù)Al-Ti相圖，在Ti含量在10at%范圍內(nèi)，會發(fā)生如下的包晶反應(yīng)：
[0014]L+Al3Ti-a(A1)
[0015] 其中Al3Ti的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)合作為A1合金凝固過程中異質(zhì)形核質(zhì)點的特點，因此采 用鋁合金生產(chǎn)中采用Al-5Ti或Al-10Ti作為細化劑，經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)，Al-5Ti中Al3Ti相尺寸 越小，分布越彌散，細化效果越好。
[0016]A1的原子半徑為0.144nm而稀土Ce的原子半徑范圍為0.27nm，與A1的原子半徑 相差較大，錯配度超過15 %，因此，稀土元素在鋁中固溶度較小，且為活性元素，為降低自由 能，易于填補界面處缺陷，在凝固過程中，稀土原子易于堆積析出相Al3Ti凝固前沿形成富 集，富集于凝固前沿的稀土，由于具有較大的原子半徑，其擴散速率較慢，富集層將阻礙A1 原子和Ti原子向熔體中向Al3Ti相擴散，因此，抑制了Al3Ti相長大，從而細化Al3Ti。另外， 第二相前沿稀土元素富集也會造成成分過冷，促使TiAl3相發(fā)生離斷，并由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈?狀。
[0017] 本發(fā)明在Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce合金的Al3Ti相與A1的界面處發(fā)現(xiàn)了富鎂相，Mg的 原子半徑為〇. 160nm，大于A1的原子半徑，可以推測Mg元素在凝固過程中也會富集于Al3Ti 相前沿，輔助稀土元素降低Al3Ti相尺寸。
[0018] 通過比較Al-5Ti和Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce兩種細化劑對Al-Si合金的細化效果， 發(fā)現(xiàn)Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce的細化效果明顯高于Al-5Ti，這是由于Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce中 的Al3Ti尺寸明顯低于Al-5Ti，因此增加了異質(zhì)形核數(shù)量，所以細化效果更顯著；此外，Mg 元素和稀土元素填補與a-A1樹枝晶與共晶硅界面處，阻礙a-A1樹枝晶生長，也有利于細 化效果提高，并且值得注意的是Mg元素和稀土元素的交互作用，比單一稀土元素對細化劑 結(jié)構(gòu)的改善更顯著。
【附圖說明】
[0019]圖la-圖lc為Al-5Ti合金、Al-5Ti-0. 3Ce及Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce合金金相顯 微組織照片，其中圖la為Al-5Ti、圖lb為Al-5Ti-0.3Ce、圖lc