专利名称：一种4032合金的变质剂及其使用方法
技术领域：
本发明属于冶金领域，特别是一种4032铝合金的变质剂及其使用方法。
背景技术：
铝硅合金具有高强度、高耐磨和低膨胀系数，以及良好的铸造性能，在机械工业、 汽车工业、航空与军事工业中有着广阔的应用前景。4032合金主要组成元素为Al、Si、Cu、 Mg、Ni，平均含硅量为12.2%，靠近铝硅相图的共晶点，是一种近共晶铝硅合金。4032合金 既有铸造铝合金的特性，又有变形铝合金的特点，常用于加工锻件与锻坯，作为耐磨材料供 制作活塞及在高温工作的其他零件。未经变质处理的4032合金，初晶硅粗大且呈现不规则 的块状，导致延伸率和抗拉强度较低。因此，在生产4032合金时必须进行相应处理，细化硅 相和改变其形状。细化硅相的方法很多，工业生产中最稳定和可行的方法是加入变质元素， 如稀土、P、Sr、Na等，并配以其他工艺辅助措施，如塑性变形和热处理，而改变初晶硅的形 状，使其球化的研究还比较少。目前，工业上一般采用Sr来变质4032合金，因为Sr对共晶 硅变质效果较好，且变质有效期长，但是，其变质工艺不易掌握、吸收率低、潜伏期长、铸件 容易出现针孔。共晶型铝硅合金的变质剂主要为Na盐、锶、磷、稀土及其氧化物。Na盐主要由不同 配比的NaF、NaCl、KC1、Na3AlF6复合而成，锶主要以Al-Sr中间合金的形式加入，而磷也经历 了赤磷、Cu-P中间合金、Al-Cu-P中间合金、Al-P中间合金的发展历程。Na盐对坩埚损害较 大，且其中的氟离子会污染环境，锶变质吸气严重，稀土变质效果有限且价格昂贵，这几类 变质剂因为上述原因而被大部分厂家舍弃，综合考虑只有Al-P绿色环保且有效期长，变质 效果较好。但Al-P也只能将初晶硅细化并变得多边形化，球化作用不明显。含钛、硼的中 间合金常做为晶粒细化剂，在熔炼最后阶段加入流槽，很少将其作为变质剂配合Al-P中间 合金对初晶硅变质，中国专利CN101058855A报道了一种过共晶型铝硅合金纤维组织细化 工艺方法，先加入含Ti晶粒细化剂，后加入磷类变质剂(粉末)细化了初晶硅，CN1861820A 报道了一种由Cu-P和Α1-5 -Β中间合金制备的薄丝带状变质剂及其应用方法，《特种铸造 及有色合金》2006年第26卷5期报道了山东大学刘相法等人用0. 8% Al-P和0. 1-0. 2% Α1-5Τ -Β在780°C变质ZL109合金，对初晶硅取得了较好的变质效果，而具体工艺未做详细 介绍，且在添加Α1-5 -Β时保持780°C不变，并没有因为添加不同变质剂而调整炉体温度， 以上报道都细化了初晶硅，但球化效果不明显。目前，对4032合金变质处理研究的较少，未 经后续变形和热处理，只在熔炼阶段通过添加含P及其他变质剂就使初晶硅细化至18 μ m 以下并50%以上球化，这样的变质剂及其变质工艺，目前还没有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服4032合金变质技术的缺陷，提出一种4032合金较为理想的变质剂及使用方法，其球化效果明显；在热加工及热处理工序之前就能够较好的改善合 金的组织性能，同时为共晶型铝硅合金的变质处理提供新思路。
本发明的主要内容为在4032合金的基础上，在一定的温度下先加入微量的 Al-3.5% P中间合金，变质一段时间后加入微量Al-5Ti-B中间合金，浇注成锭。本发明 所提供的变质剂成份(重量百分比，wt % )范围为0. 028-0. 056% P，0.01-0. 07% Ti，
0.002-0. 014% B，余量为 Al。上述4032合金的变质剂使用方法是通过如下步骤实现的(1)配料将99. 9%的纯铝和其他中间合金切成小块状，清除表面杂质并烘干，按 合金化学组成的比例配好原材料备用；(2)合金熔炼熔炼温度设定为755_765°C，在电阻炉中熔化纯铝和Al-Si、Al_Cu、 Al-Ni中间合金，充分搅拌；(3)加Mg 待合金全部熔化后在覆盖剂(45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6)保护 下用钟罩压入法加入烧损较大的金属Mg，(4)初精炼采用C2Cl6+Na2SiF6除气精炼，除去熔体中的气体及杂质，静置10分 钟，扒去表面浮渣；(5)加磷变质在750-850°C加入上述合金配料重量的0.6-1. 6% Al-3.5% P变质 齐U，搅拌均勻，保温15-lOOmin ；(6)再精炼除去熔体中的气体及杂质，静置5分钟，扒去表面浮渣，精炼同时将温 度调至750-770°C，为加钛硼变质剂做准备；(7)加钛硼变质加入上述合金配料重量0. 3-1. 6% Α1-5 -Β，保温5-12min ；(8)铸锭在730_750°C浇注，铸锭。上述使用方法，其优选方案有以下3种1、上述加磷变质过程中加入4032合金配料重量的0. 9-1. 3 % A1-3. 5 % P在 775-790°C下保温70-90min，精炼和加钛硼变质过程中在760°C加入4032合金配料重量的
1.0-1. 4% Α1-5Τ -Β 保温 8-10min。2、上述加磷变质过程中加入4032合金重量的0. 7-0. 9%Α1-3. 5% P在790_820°C 保温70-90min，精炼和加钛硼变质过程中在760°C加入4032合金配料重量的1. 2-1.5% Al-5Ti-B 保温 8-10min。3、上述加磷变质过程中加入4032合金重量的0. 9-1. 3% A1-3. 5% P在775_790°C 保温20-30min，精炼和加钛硼变质过程在760°C加入4032合金配料重量的0. 3-0. 5 % Al-5Ti-B 保温 8-10min。有益效果本发明变质剂及其使用方法实现了无需其他后续工艺就对4032合金组织性能的 改善的作用。P添加到铝熔体中会形成AlP质点，其熔点比初晶硅形成温度高，且与硅晶 体结构相似，晶格常数相近，可作为异质核心，使晶核数增加从而一定程度上细化初晶硅 Α1-5 -Β合金加入经P变质的铝熔体后会形成一种TiB2S子，该粒子可以吸附AlP质点，限 制了 AlP质点在硅相外的分布，提高了 P对初晶硅的变质效率，在已有基础上进一步细化、 球化了初晶硅。但是，TiB2粒子有时聚集成较大的团，而某些时候TiB2粒子分布又比较分 散和均勻。TiB2粒子的大小由Α1-5 -Β和Al-P的配比及Al-P变质温度以及保温时间共 同作用决定。当TiB2S子比较大时，虽然可以提高Al-P中间合金的利用率，但同时也使初 晶硅的结晶核心变得更大，这两种作用相互抵消，因而微观组织中初晶硅并无明显变化。当TiB2粒子分布比较分散和均勻时，除了可以提高Al-P利用率外，还可以使AlP质点分布更 加均勻分散，从而使其发挥作用。因此合理的变质剂配比和变质温度及保温时间会大大提 高AlP和TiB2的协调作用，即细化晶粒又细化球化初晶硅，因而组织性能都得到提高。该 变质剂的成分配比、使用时的变质温度以及保温时间的综合设定是关系变质效果的关键， 任何一个条件的变化都可能导致效果的极大差异。发明人根据4032合金自身的特点，摸索 出适合4032合金变质的变质剂和使用方法。本发明在热加工及热处理工序之前，就可使合 金初晶硅的尺寸达到18um以下，最佳变质方案可使初晶硅尺寸达到IOum以下，铸态组织延 伸率可达到2-6%，抗拉强度可达240-320MPa，再通过后续的挤压或锻造及热处理可使合 金组织性能大大提高。另外，本发明对初晶硅的球化效果好，能够使50%以上初晶硅球化， 其余初晶硅也都变质为多边形状，无大块或板条状初晶硅。本发明所述4032合金变质剂直接采用了工业中常用的Al-P和晶粒细化剂 Α1-5Τ -Β两种中间合金，变质剂易于获得，无需特殊工艺制备合成，节省了成本，工艺简单， 使用方法容易，不需要增加专用的辅助设备，使用过程便于工业操作。本发明所述4032合金变质剂采用中间合金形式加入，而非粉末形式，避免了大量 粉尘和P2O5气体的扩散，且Al-P合金本身就是一种绿色变质剂，故绿色环保，对环境影响 小。本发明所述4032合金变质剂不含Sr等吸气严重的元素，且不破坏铝液表面致密 的氧化膜，不会打破氧化膜与外界气体和内部[H]三者的平衡，铸锭针孔率较低，其范围在 0. 001-0. 272%之间。
图1是按实施例1方法变质的4032合金金像组织照片；图2是按实施例2方法变质的4032合金金像组织照片；图3是按实施例3方法变质的4032合金金像组织照片；图4是按对比实施例1方法变质的4032合金金像组织照片。
具体实施例方式下面将参照附图，通过实施例对本发明进一步说明，而不会限制本发明。实施例1 按1000克配料称重，在5KW坩埚电阻炉中放入高纯石墨坩埚升温预热至760°C，加入 271. 77 克工业纯铝(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同时均勻洒满由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6组成的熔剂覆盖，约半小时 后金属熔化，用钟罩压下用铝箔包好的10. 5g纯Mg入熔池底部至完全熔化，取出钟罩，充分 搅拌，静置5min，将用铝箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用钟罩压入熔池底部 除气精炼，静置lOmin，扒去表面浮渣。将炉温调至780°C，用钟罩压下用铝箔包好的12克 A1-3. 5% P，搅拌均勻，保温80-90min。再次除气精炼，同时将炉温调至760°C，静置5min， 扒渣后加入10克Α1-5 -Β，保温IOmin后在730_740°C浇注成锭。图1所示为实施例1得 到的铸锭的金像组织，表1为其综合评价表。表1 4032合金变质综合评价表(实施例1)抗拉强度伸长率初晶硅乎均初晶硅球针T读 Sb(MPa) 5 (%)尺寸(μπι〕化军(30 (X) 实施例2 按1000克配料称重，在5KW坩埚电阻炉中放入高纯石墨坩埚升温预热至760°C， 加入 271. 77 克工业纯铝(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同时均勻洒满由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6组成的熔剂覆盖，约半小时 后金属熔化，用钟罩压下用铝箔包好的10. 5g纯Mg入熔池底部至完全熔化，取出钟罩，充分 搅拌，静置5min，将用铝箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用钟罩压入熔池底 部除气精炼，静置lOmin，扒去表面浮渣。将炉温调至800°C，用钟罩压下用铝箔包好的8克 A1-3. 5% P，搅拌均勻，保温80-90min。再次除气精炼，同时将炉温调至760°C，静置5min， 扒渣后加入14克Α1-5 -Β，保温IOmin后在730_740°C浇注成锭。图2所示为实施例2得 到的铸锭的金像组织，表2为其综合评价表。表2 4032合金变质综合评价表(实施例2)
抗拉强度伸长率初晶硅平均初晶硅球mM 丄_舰猫_6 b (MFa) S (%)尺寸(μπ)化率(％〕 (%) 实施例3 按1000克配料称重，在5KW坩埚电阻炉中放入高纯石墨坩埚升温预热至760°C， 加入 271. 77 克工业纯铝(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同时均勻洒满由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6组成的熔剂覆盖，约半小时 后金属熔化，用钟罩压下用铝箔包好的10. 5g纯Mg入熔池底部至完全熔化，取出钟罩，充分 搅拌，静置5min，将用铝箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用钟罩压入熔池底部 除气精炼，静置lOmin，扒去表面浮渣。将炉温调至780°C，用钟罩压下用铝箔包好的12克 A1-3. 5% P，搅拌均勻，保温20-30min。再次除气精炼，同时将炉温调至760°C，静置5min， 扒渣后加入4克Α1-5 -Β，保温IOmin后在730_740°C浇注成锭。图3所示为实施例3得 到的铸锭的金像组织，表3为其综合评价表。表3 4032合金变质综合评价表(实施例3)
抗拉强度伸长率初晶硅平均初晶硅球mm ^6b (HPa) (%)尺寸(μια)化率《) W) 对比实施例1
按1000克配料称重，在5KW坩埚电阻炉中放入高纯石墨坩埚升温预热至760°C， 加入 271. 77 克工业纯铝(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同时均勻洒满由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6组成的熔剂覆盖，约半小时 后金属熔化，用钟罩压下用铝箔包好的10. 5g纯Mg入熔池底部至完全熔化，取出钟罩，充分 搅拌，静置5min，将用铝箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用钟罩压入熔池底 部除气精炼，静置lOmin，扒去表面浮渣。将炉温调至760°C，用钟罩压下用铝箔包好的4克 A1-3. 5% P，搅拌均勻，保温80-90min。再次除气精炼，同时将炉温调至760°C，静置5min， 扒渣后加入1克Α1-5 -Β，保温IOmin后在730°C浇注成锭。本对比实施例为在本发明所 述应用方法范围之外的实验，图4为对比实施例4得到的铸锭的金像组织，表4为其综合评 价表，可以看出，初晶硅粗大，菱角分明，力学性能也不佳。表4 4032合金变质综合评价表(对比实施例4)
抗碰度伸长率初晶硅平均初晶硅球针孔率 丄6 b Cfipa] δ (%)尺寸 Um)化率〔S) {%)
权利要求
一种4032合金的变质剂，其特征在于，采用Al-P和Al-5Ti-B中间合金组成，各元素重量百分比组成为P0.028-0.056％，Ti0.01-0.07％，B0.002-0.014％，余量为铝。
2.权利要求1所述的4032合金的变质剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按照4032合金的组成成分配料、熔炼；初精炼；(2)在750-850°C加入步骤(1)中4032合金配料重量的0.6-1. 6% A1-3. 5% P变质剂， 搅拌均勻，保温15-100min ；(3)再精炼，精炼的同时将温度调至750-770°C，加入步骤(1)中4032合金配料重量的 0. 3-1. 6% Al-5Ti-B，保温 5_12min ；(4)在730-750°C浇注，铸锭。
3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于，步骤(2)中在775-790°C下加入步骤 (1)中4032合金配料重量的0.9-1.3%六1-3.5% 变质剂保温70-901^11，步骤(3)中在 760°C加入步骤(1)中4032合金配料重量的1. 0-1. 4% Al_5Ti_B保温8-10min。
4.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于，步骤(2)中在790-820°C下加入步骤 (1)中4032合金配料重量的0. 7-0.9%Al-3. 5%P变质剂保温70-90min，步骤(3)中在 760°C加入步骤(1)中4032合金配料重量的1. 2-1. 5% Al_5Ti_B保温8-10min。
5.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于，步骤(2)中在775-790°C下加入步骤 (1)中4032合金配料重量的0.9-1.3%六1-3.5% 变质剂保温20-301-11，步骤(3)中在 760°C加入步骤(1)中4032合金配料重量的0. 3-0. 5% Al_5Ti_B保温8_10min。
全文摘要
本发明涉及一种4032合金的变质剂及其使用方法，该变质剂采用Al-P和Al-5Ti-B中间合金组成，各元素重量百分比组成为P0.028-0.056％，Ti0.01-0.07％，B0.002-0.014％，余量为铝。其使用方法的关键为4032合金初精炼后在750-850℃加入4032合金配料重量的0.6-1.6％A1-3.5％P变质剂，搅拌均匀，保温15-100min；再精炼；在750-770℃，加入4032合金重量的0.3-1.6％Al-5Ti-B，保温5-12min。采用本发明的变质剂及其使用方法，可使4032合金在热加工及热处理之前，初晶硅细化到18μm，球化率超过50％，力学性能大大提高。本发明实现了对4032合金的有效变质，同时为共晶型铝硅合金的变质技术拓展了新思路。
文档编号C22C1/02GK101838759SQ20101030109
公开日2010年9月22日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者李红英, 王晓峰, 胡琳娜, 赵延阔 申请人:中南大学