一种铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂及其制备方法，其成分为Al-xNb-yTi-zB-kRE，其中，0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al；其中RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两者以上的混合。制备工艺简单，能精确地控制成分。利用该复合细化变质剂对铝合金进行处理，细化效果及变质效果优异，且对形状复杂、薄厚不同的铸件各部位，即冷速不同各部位细化效果的冷速敏感性低，所得合金的机械性能显著提高，显著降低了具有不同冷却速度各部位之间性能的差异。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂及其制备方法
本专利技术涉及一种铝合金用的复合细化变质剂，更特别地说，是指一种铝合金用低冷速敏感高形核能力Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂。
技术介绍
铝合金由于良好的力学性能和优良的铸造性能在工业中得到广泛应用。近年来，轻量化的要求对铝合金铸件的综合性能提出了越来越高的要求。然而，晶粒的粗大直接影响着铝合金铸件的综合性能，熔铸出细小均匀的等轴晶组织是获得优良性能的关键所在。最常用且有效的细化方法即向合金中添加晶粒细化剂。目前人们一般采用Al-Ti、Al-Ti-C或者Al-Ti-B中间合金作为铝合金的晶粒细化剂，其中Al-Ti-B细化剂已得到较广泛的应用，一般采用Al-Sr中间合金作为铝合金的变质剂，对共晶硅相进行变质。近来，由于RE具有优异的物理化学性能，人们也开始将RE作为合金的细化或者变质剂，研究其对铝合金性能的影响。但是上述已有的细化变质剂对冷却速度敏感，在不同的冷速速度下具有不同的细化效果，这使得其在应用于铸造具有不同壁厚、形状复杂的零部件时，在薄壁(具有相对较高的冷却速度)及厚壁(具有相对较低的冷却速度)处细化效果有差异，不利于合金部件综合性能的提高。随着工业的发展，目前铸造的零部件尺寸越来越来大，外形越来越复杂，因此为了提高铝合金的综合性能，迫切需要开发具有低冷速敏感性高形核能力的复合细化变质剂。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是开发一种铝合金用低冷速敏感高形核能力的AlNbTiBRE复合细化变质剂；另一目的是提出一种采用感应熔炼工艺制备低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂的方法；以解决目前传统细化剂在工业实际应用中细化变质效果对冷却速度敏感性大的瓶颈问题。本专利技术开发了一种铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂，其特征在于：该AlNbTiBRE复合细化变质剂的成分为Al-xNb-yTi-zB-kRE，，其中，其中，0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al。所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂中RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合。本专利技术采用感应电炉熔炼工艺制备如权利要求1所述的一种铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂的方法，所述感应电炉熔炼工艺包括有打结坩埚、装料、熔化、精炼和浇注步骤；区别步骤在于：配制复合细化变质剂的目标成分：在本专利技术中，复合细化变质剂的目标成分为Al-xNb-yTi-zB-kRE；用量：0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al。Al元素是以Al块的形式配料；Nb元素以Al-Nb中间合金块的形式配料；B元素以B粉末或者Al-B中间合金块的形式配料；RE稀土元素以RE块或者Al-RE中间合金块的形式配料。块体的尺寸(长与宽)为1cm×1cm～5cm×5cm。锭模步骤；将石墨锭模放入电阻炉中升温至200～500℃时，保温2～4h，然后将充分预热的锭模装入感应电炉内，并在锭模上安装浇口杯，浇口杯上加装氧化镁陶瓷过滤器，以待浇注。安装有氧化镁陶瓷过滤器的浇口杯有利于复合细化变质剂熔体的洁净化。打结坩埚步骤；在打结坩埚步骤中坩埚选用氧化镁坩埚；然后将氧化镁坩埚打结安装在感应电炉内，并在600～800℃条件下预烧结坩埚2～4h后，得到预处理后坩埚待用。在本专利技术中，对预处理后的氧化镁坩埚需要检查其有无裂纹，以免造成熔炼时漏料，以便于感应系统顺利对坩埚内金属原料进行感应熔炼。在装料步骤中；为了加速炉料的熔化，Al块放在氧化镁坩埚壁的附近，在Al块上放入Al-Nb中间合金块，再放入海绵Ti，然后放入用铝箔包裹好的B粉末或者Al-B中间合金块，最后在上部放入RE块或者Al-RE中间合金块。炉料不得超过感应线圈的高度。应用本专利技术的装料方式能够避免熔化过程中炉料的架桥，使制得的复合细化变质剂成分均匀。熔化与精炼复合步骤；对于炉料的熔炼采用熔炼工艺曲线进行，第一阶段功率为5～10KW，加热时间为20～40min；第二阶段功率为15～25KW，加热时间为5～10min；第三阶段功率为25～40KW，加热时间为5～10min；然后在功率为20～30KW的条件下精炼10～30min；断电，静置10～30min后，扒渣，得到洁净的熔液以备浇注。在第一阶段后加入覆盖剂，以防止铝液氧化。所述覆盖剂为50wt％的NaCl和50wt％的KCl组成。在浇注步骤中；以功率10～15KW给电，使洁净的熔液从坩埚中浇注到锭模中，得到目标成分的Al-xNb-yTi-zB-kRE。本专利技术的优点：①本专利技术制备的复合细化变质剂具有较高的形核能力，采用其对铝合金进行细化变质处理，细化效果比目前传统应用的细化剂更优异，且能有效提高共晶相的变质效果。②本专利技术制备的复合细化变质剂对冷却速度敏感性低，采用其应用于铸造具有不同壁厚、形状复杂的零部件时，在薄壁即具有相对较高的冷却速度及厚壁即具有相对较低的冷却速度处细化效果变化程度小。③采用本专利技术制备的复合细化变质剂对铝合金进行细化处理后，合金的机械性能得到显著提高，尤其是铸件具有较低冷速部位的性能提高程度大，显著降低了具有不同冷却速度各部位之间性能的差异，有利于合金部件综合性能的提高。④采用本专利技术的方法制备的Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂，能精确地控制复合细化变质剂的成分，所得复合细化变质剂中杂质化学成分低，有利于后续的使用效果。⑤采用本专利技术的方法制备Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂，所用Ti、B、RE等原材料可以采用多种不同的形式，熔炼工艺过程简单，易操作控制。附图说明图1是本专利技术的熔炼工艺曲线图。图2是采用实施例1制得的Al-4Nb-3Ti-B-0.5La-0.5Ce复合细化变质剂对ZL101铝合金进行细化变质后的显微照片。图3是采用市售的Al-5Ti-B晶粒细化剂对ZL101铝合金进行细化后的显微照片。图4是试样3与试样4的细化效果随冷却速度的变化曲线。图5是采用市售的Al-5Ti-B细化剂正常生产车轮轮辐抗拉强度图。图6是采用实施例3制得的Al-3Nb-2Ti-0.8B-0.5La-0.5Ce复合细化变质剂所得车轮轮辐抗拉强度图。图7是采用市售的Al-5Ti-B细化剂正常生产车轮内轮缘的抗拉强度图。图8是采用实施例3制得的Al-3Nb-2Ti-0.8B-0.5La-0.5Ce复合细化变质剂制得车轮内轮缘的抗拉强度图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。一种铝合金用低冷速敏感高形核能力复合细化变质剂，其成分为Al-xNb-yTi-zB-kRE，，其中，其中，0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al。所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂中RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合。所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-Ti-B-RE复合细化变质剂中包含的杂质化学元素有：Fe≤0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂，其特征在于：该AlNbTiBRE复合细化变质剂的成分为Al‑xNb‑yTi‑zB‑kRE，，其中，其中，0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al。所述的低冷速敏感高形核能力Al‑Nb‑Ti‑B‑RE复合细化变质剂中RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合。

【技术特征摘要】
1.采用感应电炉熔炼工艺制备铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbTiBRE复合细化变质剂的方法，所述感应电炉熔炼工艺包括有打结坩埚、装料、熔化、精炼和浇注步骤；其特征在于：配制复合细化变质剂的目标成分：复合细化变质剂的目标成分为Al-xNb-yTi-zB-kRE；用量：0.01＜x≤6wt％，0.01＜y≤6wt％，0.01＜z≤1wt％，0.01＜k≤1wt％，余量为Al；所述RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合；Al元素是以Al块的形式配料；Nb元素以Al-Nb中间合金块的形式配料；B元素以B粉末或者Al-B中间合金块的形式配料；RE稀土元素以RE块或者Al-RE中间合金块的形式配料；块体的长与宽尺寸为1cm×1cm～5cm×5cm；锭模步骤；将石墨锭模放入电阻炉中升温至200～500℃时，保温2～4h，然后将充分预热的锭模装入感应电炉内，并在锭模上安装浇口杯，浇口杯上加装氧化镁陶瓷过滤器，以待浇注；安装有氧化镁陶瓷过滤器的浇口杯有利于复合细化变质剂熔体的洁净化；打结坩埚步骤；在打结坩埚步骤中坩埚选用氧化镁坩埚；然后将氧化镁坩埚打结安装在感应电炉内，并在600～800℃条件下预烧结坩埚2～4h后，得到预处理后坩埚待用；对预处理后的氧化镁坩埚需要检查其有无裂纹，以免造成熔炼时漏料，以便于感应系统顺利对坩埚内金属原料进行感应熔炼；在装料步骤中；为了加速炉料的熔化，Al块放在氧化镁坩埚壁的附近，在Al块上放入Al-Nb中间合金块，再放入海绵Ti，然后放入用铝箔包裹好的B粉末或者Al-B中间合金块，最后在上部放入RE块或者Al-RE中间合金块；炉料不得超过感应线圈的高度；应用装料方式能够避免熔化过程中炉料的架桥，使制得的复合细化变质剂成分均匀；熔化与精炼复合步骤；对于炉料的熔炼采用熔炼工艺曲线进行，第一阶段功率为5～10KW，加热时间为20～40min；第二阶段功率为15～25KW，加热时间为5～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张花蕊，张虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11