一种利用金属玻璃细化铝合金的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用金属玻璃细化铝合金的方法，涉及铝合金加工领域，包括金属玻璃的制备、非晶条带的制备、未细化铝合金的制备及铝合金细化四个步骤，采用本发明专利技术的技术方案，步骤合理、细化效率高，大幅提高铝合金强韧性，且孕育高效、成本低廉，具有巨大的工业应用潜力和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种利用金属玻璃细化铝合金的方法
本专利技术涉及铝合金加工领域，具体涉及一种利用金属玻璃细化铝合金的方法。
技术介绍
当今，随着航空航天、汽车、国防等高科技领域的高速发展，不仅要求结构材料轻量化，而且对其综合性能的要求也越来越高。铝合金是非常重要的结构材料和轻量化材料。随着科技和工业的发展，对轻质高强高韧铝合金结构材料的需求日益增大。无论是铸造铝合金还是变形铝合金都需要经过从熔体凝固形成铸态组织的过程。凝固组织直接影响后续的加工工序的效率和成本，最终关系产品在使用过程中的质量、寿命及全服役周期的成本等。因此，以液态和凝固组织调控为起点的组织调控是金属材料性能优化和强化的重要途径，同时贯穿合金设计、加工和制备的全流程。合金凝固组织的结构特征来源于晶体相从熔体中形核长大的过程，因此，凝固组织调控的重点是如何有目的的控制晶体相在熔体中的形核和长大。影响晶体相形核的方式主要是在熔体中添加形核孕育剂或者细化剂，促进熔体中的异质形核。在铸造铝合金生产过程中，铸态组织粗大，需要经孕育处理细化微观组织并提高综合力学性能。孕育处理技术不仅可以显著的提高铸造铝合金力学性能,还会对变形铝合金的塑性成型组织产生重要积极影响，从而满足对高性能铝合金的需求。目前主流铝合金的孕育剂如：Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-C-B等孕育剂都含Ti元素，在对铝合金中含硅量大于4％的合金孕育(变质)处理时，Ti元素会与Si元素发生反应生成TiSi、TiSi2和Ti5Si3等相而产生毒化作用，组织细化效率大幅降低，Al-B变质剂对于不含Ti元素的Al-Si合金体系细化组织效果优异，但是在合金中Ti杂质含量高于0.04％时即发生如Al-Ti-B等变质剂一样的毒化作用，对合金体系适用范围窄，并且对铝合金的纯净度要求极高，适用范围有限。其他变质剂或者孕育剂如：Al-Sr、Al-Ce、Al-La等含有稀土成本较高，并且对Al-Si合金组织细化效果不显著。因此，急需开发一种适用于多种铝合金，尤其是适用于含Si量高于4％的Al-Si系合金孕育所需的，低成本、高效的铝合金孕育剂孕育细化铝合金的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种利用金属玻璃细化铝合金的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种利用金属玻璃细化铝合金的方法，包括以下步骤：步骤一、金属玻璃的制备：a、将Zr、Cu、Al、Ni表面氧化膜打磨干净，然后按比例配好并静置在盛放有无水酒精的烧杯中防止其氧化；b、将配好的Zr、Cu、Al、Ni按照熔点由低至高依次叠放于水冷铜模坩埚中，以缩短高熔点金属熔化时间，并防止低熔点金属的挥发；c、盖好炉盖，在正式熔炼前进行两次抽真空，每次抽真空都到6.0×10-3Pa并充入高纯Ar气以稀释残余氧气；d、两次抽真空后，充入0.5个大气压的高纯度Ar气以稀释炉内残余的氧；e、打开磁搅拌熔炼合金，为保证非晶合金成分的均匀性，需将熔炼好的合金反复翻转继续熔炼，熔炼次数大于等于5，每次熔炼2-4min；f、将熔融状态下的合金液吸铸到水冷铜模坩埚下面的铜模具中进行快速冷却，得到金属玻璃棒料；步骤二、非晶条带的制备：将反复熔炼得到的金属玻璃料棒放置于高真空中频感应炉中进行重熔，然后在高纯氩气保护条件下喷射在3000r/min的高速铜辊轮模具上制成非晶薄带；步骤三、未细化铝合金的制备：a、将预先称量好的Al-Si-Mg合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；b、待合金完全熔化后并保温30min，再加入一定量的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；c、将合金液浇铸到金属型模具中，得到未孕育的铝合金；步骤四、铝合金细化：a、将预先称量好的未孕育铝合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；b、待未孕育铝合金完全熔化后并保温30min，再加入一定量的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；c、将制得的非晶条带剪碎后的碎片加入到合金液中，并均匀搅拌，保温，保温时间为1-3min；d、对混合液进行搅拌，搅拌完毕后浇铸到金属型模具内，得到细化完成的铝合金；上述孕育处理后的铝合金组织和力学性能均得到了优化：a、在最佳的孕育工艺下(孕育剂添加量0.2wt.％，孕育时间1min)，晶粒尺寸由原来的800-1000μm减小到了大约200μm，减小了近4倍；b、在最佳的孕育工艺下(孕育剂添加量0.2wt.％，孕育时间1min)，合金的屈服强度、抗拉强度和断裂应变由未孕育合金的170.33MPa、289.05MPa和13.70％，分别提高到了221.16MPa、338.14MPa和16.68％，分别比未孕育合金提高了29.84％、16.98％和21.75％。优选的，所述铜模具的尺寸为7mm，所用金属模的尺寸为200mm×150mm×12mm。优选的，所述非晶条带的制备具体包括以下步骤：a、将金属玻璃料棒放置于石英坩埚中，抽真空到6.0×10-3Pa；b、向炉中充入0.6个大气压的Ar气，再向喷注瓶中充入1.6个大气压的Ar气，使得压差在0.9-1.1个大气压；c、当高速铜辊轮模具转速为3000r/min后打开中频感应电源，熔化棒料，最后将熔化的合金液喷注在高速铜辊轮模具上，制得宽为1-2mm，厚35-45μm非晶条带。优选的，所述金属玻璃料棒为Zr55Cu30Al10Ni5料棒。优选的，所述步骤四中的保温时间为1min。优选的，所述步骤四中非晶条带的质量百分比为0.2wt.％。本专利技术的技术方案，利用金属玻璃即非晶合金的亚稳态结构和非晶晶化的物理特性，使用非晶合金作为孕育剂进行细化，非晶合金在孕育过程中成本比稀土变质剂低，大幅提高铝合金强韧性，且孕育高效、成本低廉，具有巨大的工业应用潜力和价值。附图说明图1是未孕育Al-Si-Mg合金的低倍铸态组织晶相图；图2是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.1wt.％添加量和1min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的低倍铸态组织晶相图；图3是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.1wt.％添加量和3min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的低倍铸态组织晶相图；图4是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.2wt.％添加量和1min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的低倍铸态组织晶相图；图5是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.2wt.％添加量和3min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的低倍铸态组织晶相图；图6是未孕育Al-Si-Mg合金的高倍铸态组织晶相图；图7是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.1wt.％添加量和1min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的高倍铸态组织晶相图；图8是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.1wt.％添加量和3min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的高倍铸态组织晶相图；图9是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.2wt.％添加量和1min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的高倍铸态组织晶相图；图10是Zr55Cu30Al10Ni5非晶0.2wt.％添加量和3min孕育时间孕育Al-Si-Mg合金的高倍铸态组织晶相图；图11是为Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金孕育亚共晶Al-Si-Mg合金的拉伸试验数据表；图12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用金属玻璃细化铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、金属玻璃的制备：a、将Zr、Cu、Al、Ni表面氧化膜打磨干净，然后按比例配好并静置在盛放有无水酒精的烧杯中防止其氧化；b、将配好的Zr、Cu、Al、Ni按照熔点由低至高依次叠放于水冷铜模坩埚中，以缩短高熔点金属熔化时间，并防止低熔点金属的挥发；c、盖好炉盖，在正式熔炼前进行两次抽真空，每次抽真空都到6.0×10

【技术特征摘要】
2017.05.19 CN 20171035669841.一种利用金属玻璃细化铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、金属玻璃的制备：a、将Zr、Cu、Al、Ni表面氧化膜打磨干净，然后按比例配好并静置在盛放有无水酒精的烧杯中防止其氧化；b、将配好的Zr、Cu、Al、Ni按照熔点由低至高依次叠放于水冷铜模坩埚中，以缩短高熔点金属熔化时间，并防止低熔点金属的挥发；c、盖好炉盖，在正式熔炼前进行两次抽真空，每次抽真空都到6.0×10-3Pa并充入高纯Ar气以稀释残余氧气；d、两次抽真空后，充入0.5个大气压的高纯度Ar气以稀释炉内残余的氧；e、打开磁搅拌熔炼合金，为保证非晶合金成分的均匀性，需将熔炼好的合金反复翻转继续熔炼，熔炼次数大于等于5，每次熔炼2-4min；f、将熔融状态下的合金液吸铸到水冷铜模坩埚下面的铜模具中进行快速冷却，得到金属玻璃棒料；步骤二、非晶条带的制备：将反复熔炼得到的金属玻璃料棒放置于高真空中频感应炉中进行重熔，然后在高纯氩气保护条件下喷射在3000r/min的高速铜辊轮模具上制成非晶薄带；步骤三、未细化铝合金的制备：a、将预先称量好的Al-Si-Mg合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；b、待合金完全熔化后并保温30min，再加入一定量的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；c、将合金液浇铸到金属型模具中，得到未孕育的铝合金；步骤四、铝合金细化：a、将预先称量好的未孕育铝合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；b、待未孕育铝合金完全熔化后并保温30min，再加入一定量的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；c、将制得的非晶条带剪碎后的碎片加入到合金液中，并均匀搅拌，保温，保温时间为1-3min；d、对混合液进...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱丰，姜启川，朱琳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22