本发明专利技术用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂,涉及铝基合金,步骤是:按照Al‑B中间合金∶Al‑Ca中间合金=5:1~3的质量比进行配料;制备块状Al‑B‑Ca中间合金;采用原位自生反应法和快速凝固技术制得用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂,是一种薄带状CaB6‑Al4Ca/Al超细晶孕育剂;本发明专利技术克服了现有技术中的孕育剂对亚共晶铝硅合金细化效果不明显,变质处理和细化处理不能同时进行,颗粒在基体上弥散程度不理想,颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。
【技术实现步骤摘要】
用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法
本专利技术的技术方案涉及铝基合金,具体地说是用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法。
技术介绍
在室温下,亚共晶铝硅合金主要由柔软且可延展的铝基体和坚硬且易碎的共晶硅相组成。硬而尖锐的共晶硅颗粒具有不规则的形状,这些颗粒尖端和棱角处容易引起应力集中,随之产生微裂纹,进而容易引起合金的失效。因此,亚共晶铝硅合金需要同时加入细化剂和变质剂进行细化变质处理,以提高合金的塑韧性和强度。目前,常见的铝合金细化剂有Al-5Ti-B细化剂,Al-Ti-C细化剂。对于Al-5Ti-B细化剂,D.Qiu等人发现,亚共晶铝硅合金熔体中的Si会与Al3Ti反应生成TiSi二元相以及TiAlSi三元相,破坏TiB2粒子周围的富Ti层,影响其细化效果。刘相法等人发现,对于Al-Ti-C细化剂,但铝合金中的硅含量高于3%时,Si不仅会与Al3Ti会反应,而且Si会促进TiC颗粒在铝硅熔液中的分解。并且这些工业上常用的细化剂只对α-Al有细化效果,对共晶硅没有变质效果,所以还需单独加入变质剂对亚共晶铝硅合金进行变质处理。对于后续发展出的亚共晶铝硅合金细化剂如Al-3B和Al-3Ti-3B,J.G.Li等人发现,由于存在大量游离的B元素,B还会与变质剂中的稀土或者碱土金属元素反应生成硼化物,从而破坏变质剂的变质效果,如Sr会与游离的B原子生成SrB6,使得其对共晶硅的变质效果下降。CN106756276A公开了一种铸造铝合金用Al-Ti-B-Y-Ce细化剂及其制备方法和应用,该细化剂不适用于亚共晶铝硅合金的细化,因为亚共晶铝硅合金熔体中的Si会与Al3Ti反应生成TiSi二元相以及TiAlSi三元相,破坏TiB2粒子周围的富Ti层,影响其细化效果,并且该方法原料复杂多样,且需使用成本高的稀土元素;CN103305714A公开了一种用于铝硅合金的晶粒细化剂及细化铝硅合金熔体的方法,该方法中由于Si的存在,TiC颗粒在亚共晶铝硅合金熔体中稳定性较差,所以该方法存在细化效果不稳定且容易衰退,并且没有变质共晶硅的效果的缺陷;CN102071330A公开了长寿命铝硅合金晶粒细化剂及其制备方法,该方法存在其制备的铝硅合金晶粒细化剂细化效果弱,并且没有变质效果的缺陷;CN100460535C公开了一种亚共晶铸造铝硅合金用复合变质细化剂及处理工艺,该方法存在使用的原料大部分为氟盐,不能实现炉外连续添加,使用过程中释放有害的氟化物气体,污染环境严重,对炉膛腐蚀严重,并会引起铝制品夹渣的缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:提供用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法,是采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CaB6-Al4Ca/Al超细晶孕育剂的方法,克服了现有技术中的孕育剂对亚共晶铝硅合金细化效果不明显,变质处理和细化处理不能同时进行,颗粒在基体上弥散程度不理想,颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是:用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法,采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CaB6-Al4Ca/Al超细晶孕育剂,具体步骤如下:第一步,配料:称取所需用量的商购Al-B中间合金和商购Al-Ca中间合金,该商购Al-B中间合金中B元素含量的质量百分数为2%~3%,该商购Al-Ca中间合金中Ca元素含量的质量百分数为8%~12%,按照Al-B中间合金∶Al-Ca中间合金=5:1~3的质量比进行配料;第二步,制备块状Al-B-Ca中间合金:将上述第一步称取的原料Al-B中间合金和Al-Ca中间合金全部放入WK-Ⅱ型真空电弧熔炼炉的铜坩埚内进行熔炼,真空度为2×10-3~5×10-3Pa,随后充入氩气,炉内氩气压强为0.4~0.5MPa,整个熔炼过程需在氩气保护下,并且铜坩埚需要循环水冷却,调节电流大小以控制熔炼温度,温度控制在1200~1800℃,将原料Al-B中间合金和Al-Ca中间合金加热至完全熔化后,保温2~3分钟,在同样条件下反复熔炼3~5次,保证全部合金熔化均匀,如此熔炼完毕后冷却,最终从铜坩埚内直接取出制得的块状Al-B-Ca中间合金;第三步,制备用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂:将上述第二步制得的块状Al-B-Ca中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉的铜坩埚中,充入氩气,氩气压强为0.05~0.07MPa,起弧电压为15~20KV,熔炼过程中电流维持在0.5~0.7A,加热块状Al-B-Ca中间合金至完全熔化后,随后倾倒坩埚,进行甩带,钼辊的线速度为30~40m/s,其冷却速度为104~107K/s,制得宽度为2~5mm,厚度为50~150μm的用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂,该孕育剂的组成为CaB6-Al4Ca/Al,其中的CaB6颗粒尺寸控制在纳米级和亚微米级,是一种薄带状CaB6-Al4Ca/Al超细晶孕育剂。上述用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法,所涉及的原料、设备均通过公知途径获得,操作工艺均是本
的技术人员能够掌握的。本专利技术的有益效果是:与现有技术相比,本专利技术具有以下突出的实质性特点和显著进步:(1)碱土金属和稀土元素的六硼化物具有立方结构,空间群为Pm-3m,六个硼原子形成B6八面体,作为结构单元排列成简单的立方晶格,位于这种晶格体心上的金属原子排列成另一个简单立方晶格,这两个立方晶格互相穿插,每个硼八面体被八个金属原子所包围,每个金属原子也被八个B6单元包围,从而形成了一种相似于CsCl型的立方晶格。硼原子之间以共价键连接导致其有高的熔点,因此它们具有高熔点、高强度和化学稳定性高的特点。刘相法课题组已经证实原位生成的LaB6与SrB6颗粒对纯铝以及A356铸造铝硅合金有着优良的细化效果,刘水清等人发现原位生成的CeB6颗粒对纯铝也具有优良的细化效果,且可以通过真空快淬技术调控CeB6颗粒大小以获得最佳的细化效果。通过晶体学计算,这些稀土或者碱土金属的六硼化物与Al的晶体结构类似,且它们之间晶格错配度很低,所以它们可以作为α-Al有效的形核核心。CaB6与LaB6、CeB6和SrB6有相同的晶体结构,晶格常数非常接近,CaB6的晶格常数a=0.4145nm,LaB6的晶格常数a=0.4156nm,CeB6的晶格常数a=0.4141nm,SrB6的晶格常数a=0.4198nm。CaB6与其他六硼化物一样具有较高的熔点,较好的化学稳定性以及适当的密度,因此CaB6也是铝及铝合金的有效形核核心。CaB6是一种相似于CsCl型的立方晶体结构,晶格常数为a=0.4145nm。根据Bramfitt提出的晶格错配度理论可知,当错配度小于6%时,形核颗粒的细化效果最好。通过公式计算,Al和CaB6之间的晶格错配度很低,属于非常匹配的范围。同时,CaB6的密度为2.45g/cm3,熔点为2235℃,杨氏模量为379GPa,具有与铝液相近的密度和良好的热稳定性,因此,CaB6颗粒可以作为Al优质的形核核心,并且由于CaB6颗粒拥有与铝液相近的密度,所以其颗粒在铝液中不易沉降,分散均匀。Ca元素由于其适当的原子半径,游离的Ca原子会在硅生长的固液界面前沿阻碍硅的长大,从而对硅产生变质效果,并且C本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法,其特征在于:采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CaB6‑Al4Ca/Al超细晶孕育剂,具体步骤如下:第一步,配料:称取所需用量的商购Al‑B中间合金和商购Al‑Ca中间合金,该商购Al‑B中间合金中B元素含量的质量百分数为2%~3%,该商购Al‑Ca中间合金中Ca元素含量的质量百分数为8%~12%,按照Al‑B中间合金∶Al‑Ca中间合金 = 5:1~3的质量比进行配料;第二步,制备块状Al‑B‑Ca中间合金:将上述第一步称取的原料Al‑B中间合金和Al‑Ca中间合金全部放入WK‑Ⅱ型真空电弧熔炼炉的铜坩埚内进行熔炼,真空度为2×10‑3~5×10‑3Pa,随后充入氩气,炉内氩气压强为0.4~0.5MPa,整个熔炼过程需在氩气保护下,并且铜坩埚需要循环水冷却,调节电流大小以控制熔炼温度,温度控制在1200~1800℃,将原料Al‑B中间合金和Al‑Ca中间合金加热至完全熔化后,保温2~3分钟,在同样条件下反复熔炼3~5次,保证全部合金熔化均匀,如此熔炼完毕后冷却,最终从铜坩埚内直接取出制得的块状Al‑B‑Ca中间合金;第三步,制备用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂:将上述第二步制得的块状Al‑B‑Ca中间合金放入LZK‑12A型真空快淬炉的铜坩埚中,充入氩气,氩气压强为0.05~0.07MPa,起弧电压为15~20KV, 熔炼过程中电流维持在0.5~0.7A,加热块状Al‑B‑Ca中间合金至完全熔化后,随后倾倒坩埚,进行甩带,钼辊的线速度为30~40m/s,其冷却速度为104~107K/s,制得宽度为2~5mm,厚度为50~150μm的用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂,该孕育剂的组成为CaB6‑Al4Ca/Al,其中的CaB6颗粒尺寸控制在纳米级和亚微米级,是一种薄带状CaB6‑Al4Ca/Al超细晶孕育剂。...
【技术特征摘要】
1.用于亚共晶铝硅合金变质细化的孕育剂的制备方法,其特征在于:采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CaB6-Al4Ca/Al超细晶孕育剂,具体步骤如下:第一步,配料:称取所需用量的商购Al-B中间合金和商购Al-Ca中间合金,该商购Al-B中间合金中B元素含量的质量百分数为2%~3%,该商购Al-Ca中间合金中Ca元素含量的质量百分数为8%~12%,按照Al-B中间合金∶Al-Ca中间合金=5:1~3的质量比进行配料;第二步,制备块状Al-B-Ca中间合金:将上述第一步称取的原料Al-B中间合金和Al-Ca中间合金全部放入WK-Ⅱ型真空电弧熔炼炉的铜坩埚内进行熔炼,真空度为2×10-3~5×10-3Pa,随后充入氩气,炉内氩气压强为0.4~0.5MPa,整个熔炼过程需在氩气保护下,并且铜坩埚需要循环水冷却,调节电流大小以控制熔炼温度,温度控制在1200~1800℃,将原料Al-...
【专利技术属性】
技术研发人员:崔春翔,孙艺佼,丁金花,刘水清,崔森,
申请(专利权)人:河北工业大学,
类型:发明
国别省市:天津,12
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