专利名称：一种 Al-Ti-C-Er细化剂及制备方法
技术领域：
本发明属于细化剂技术领域，特别涉及一种铝合金稀土细化剂及制备方法。
背景技术：
添加晶粒细化剂不仅可以细化铸态晶粒,细化枝晶组织,还能够减少疏松,降低热裂倾向，减少铸造缺陷，提高后续的加工性能。近年来随着对铝合金细化剂的研究，开发出Al-Ti-C晶粒细化剂。Al-Ti-C晶粒细化剂中的TiC粒子尺寸小，不易聚集，分布均匀，并且与Al具有很好的共格性等优点，而受到广泛关注。由于C在Al中的润湿性较差，制备十分困难，通过强烈搅拌或者高温反应制备Al-Ti-C晶粒细化剂，增加了制备成本，限制了Al-Ti-C晶粒细化剂的广泛应用。稀土元素是表面活性物质，添加到铝熔体中降低铝的表面 能；稀土能够细化晶粒和枝晶组织稀土元素易吸附在晶界和相界处，阻碍晶粒的长大；稀土元素偏析系数较大，易形成较大的成分过冷。基于稀土的众多细化优点及其变质作用，在制备Al-Ti-C晶粒细化剂的过程中，添加稀土元素，可以提高C在铝中的润湿性，从而提高反应效率，制备更加高效的细化剂。
发明内容
本发明采用自蔓延反应法，添加不同含量的稀土 Er，研制一种高效、长效、洁净的Al-Ti-C-Er复合变质细化剂。为解决上述问题，本专利主要技术方案为添加不同含量的稀土 Er，制备一种复合变质细化剂。一种Al-Ti-C-Er复合变质细化剂，包含如下的质量百分比组份，Ti 3. 0-10. 0wt%, C 0. 15-0. 5wt%, Er :0. 1-0. 3wt%,余量为 Al ；Ti/C 的质量比=16-22 (优选50/3)，细化剂物相包括a-Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi三元相等。细化剂中TiC粒子尺寸在0. 5 y m以下，均匀分布且呈球状JiAl3粒子IOum以下，均匀分布，且成块状，其细化能力明显高于传统Al-Ti-C细化剂，且具有变质作用。上述复合变质细化剂的制备方法，其特征在于Er以中间合金形式添加，Ti和C以单质粉末状加入，采用自蔓延反应法制备，具体包括以下步骤(I)原料准备，按要求称量石墨粉、钛粉、铝粉、Al-Er中间合金、铝锭，要求钛粉与石墨粉的质量比为16-22，铝粉占石墨粉、钛粉和铝粉总质量的40%以上，铝锭纯度99. 9% ；( 2)将钛粉、铝粉、石墨粉末混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体；(3)利用井式电阻炉将铝锭加热至780-800°C，待铝锭完全熔化，覆盖一层冰晶石覆盖剂；石墨钟罩压入Al-Er中间合金，静置，直至中间合金完全熔化并且扩散均匀；再将熔体升温至800-900°C，石墨钟罩压入步骤(2)的块体，石墨棒均匀搅拌，反应IOmin ;反应完成后，静置5min，压入C2Cl6精炼，扒洛，将铝熔体浇注到已预热250°C的钢模中，获得Al-Ti-C-Er变质细化剂。
上述优选冰晶石和C2Cl6在100°C加热lh，去除水分；将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料，防止Fe杂质元素污染细化剂。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。钦粉325目，石墨粉300目。招粉占石墨粉、钦粉和招粉总质量的40%以上,混合均匀，压制成块。铝熔体达到一定温度，压入粉块，均匀搅拌，使其发生燃烧反应。本发明解决了 TiC制备难的问题，稀土 Er的添加，提高的C在Al中的润湿性，提高了反应效率。减小了细化剂中TiAl3、TiC粒子尺寸，改善了其形貌与分布，提高了细化效 率，是一种稳定、长效、高效、洁净的Al-Ti-C-Er复合变质细化剂。
图I为850°C自蔓延反应法制备的细化剂的金相图；其中a实施例I添加0. 2Er ；b对比例未添加稀土 Er元素；图2 为 Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er 细化剂的 SEM 图；图3为Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er细化剂的物相定量分析。
具体实施例方式实施例I自蔓延反应法制备Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er细化剂过程如下I.原料准备，细化剂由铝锭、铝粉、钛粉、石墨粉、Al-Er中间合金、C2Cl6和冰晶石覆盖剂制备。其中铝锭纯度99. 9%，粉末粒度，Ti粉325目，C粉300目。2.制备IKg的细化剂，按要求称量石墨粉、钛粉、铝粉、Al-Er中间合金、铝锭，铝烧损率为3%。要求Ti/C=50/3 (wt%);粉占粉块质量的60% (铝粉质量为78g)。3.将钛粉、铝粉、石墨粉末混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，施加IOMPa的压力，压制成040X50的柱形粉块。4.冰晶石和C2Cl6在100°C加热lh，去除水分。5.将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料，防止Fe杂质元素污染细化剂。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。6.利用井式电阻炉将洗净的铝锭加热到780°C，待铝锭完全熔化，覆盖一层冰晶石，防止铝的氧化和吸气；先将Al-Er中间合金用铝箔包好，石墨钟罩压入铝液，静置5min，待中间合金完全溶解，Er扩散均匀；再将炉温升至850°C，石墨钟罩将事先压制好的柱形粉块压入铝熔体，石墨棒均匀搅拌，使其发生燃烧反应，反应IOmin ;加入3%wt的C2Cl6进行精炼除气，静置5min ;用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮；待温度降为720°C，浇注到已预热250°C钢模中，获得Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er变质细化剂。此法制备的细化剂，粒子尺寸小，且分布均匀。对比例自蔓延反应法制备Al-5Ti_0. 3C细化剂将由铝锭、铝粉、钛粉、石墨粉按成分要求配比。将按要求粉末压制成040X50的柱形粉块。
利用井式电阻炉将洗净的铝锭加热到780°C，待铝锭完全熔化，覆盖一层冰晶石，防止铝的氧化和吸气；将炉温升至850°C，石墨钟罩将事先压制好的柱形粉块压入铝熔体，石墨棒均匀搅拌，使其发生燃烧反应，反应IOmin ;加入3%wt的C2Cl6进行精炼除气，静置5min ;用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮；待温度降为720°C，浇注到已预热250°C钢模中，获得Al-5Ti-0. 3C细化剂。图I采用自蔓延反应法制备的Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er，Al_5Ti_0. 3C细化剂的金相图。图a、b分别为Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er、Al_5Ti_0. 3C金相图，图中尺寸在IOiim以下块状的粒子为TiAl3粒子；尺寸在0. 5 y m以下，呈片状分布的粒子为TiC粒子。添加稀土元素促进了 TiC、TiAl3粒子的形成，TiC粒子、TiAl3粒子数量明显增多，且弥散分布。稀土也明显改善了粒子的形貌，添加稀土制备的中间合金中，块状TiAl3粒子基本成块状，抑制了 TiAl3粒子的长大；未添加稀土的中间合金，其TiAl3粒子呈针状，发生了长大，不利于细化效果。图2为实施例I制备的Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er细化剂的SEM图，从图中看见大量的 块状粒子，片状分布的小粒子，一种衬度较亮，为AlErTi、A13Er ;—种衬度较暗，为TiC。这两种粒子混合在一起，表明稀土元素能够很好的抑制TiC粒子的聚集，使其分布更加均匀。图3为实施例I制备的Al-5Ti_0. 3C_0. 2Er细化剂的物相定量分析，可以看出细化剂主要由a-Al、TiAl3、TiC、AlErTi等相组成。文献研究表明在Al中添加稀土 Er会形成Al3Er,由于细化剂中添加了 0. 2%的Er，并且形成了较多的AlErTi相，Al3Er含量就会减少，且其衬度与AlErTi相基本相同，无法辨别。TiC粒子尺寸较小，能谱未能很好的分析。细化剂添加到要细化的合金中，AlErTi将会发生分解，释放出Er原子，增加TiC与Al的润湿性，使粒子的运动变的困难，细化剂更加长效。
权利要求
1.ー种Al-Ti-C-Er复合变质细化剂，其特征在于，包含如下的质量百分比组份，Ti:3. 0-10. 0wt%, C 0. 15-0. 5wt%, Er :0. 1-0. 3wt%，余量为 Al ；Ti/C 的质量比=16-22，细化剂物相包括 a -Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi 三元相。
2.按照权利要求I的细化剂，其特征在于，细化剂中TiC粒子尺寸在0.5 u m以下，均匀分布且呈球状JiAl3粒子IOum以下，均匀分布，且成块状。
3.按照权利要求I的细化剂，其特征在于，Ti/C的质量比=50/3。
4.ー种制备权利要求I所述的细化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)原料准备，按要求称量石墨粉、钛粉、铝粉、Al-Er中间合金、铝锭，要求钛粉与石墨粉的质量比为17-22，铝粉占石墨粉、钛粉和铝粉总质量的40%以上，铝锭纯度99. 9% ； (2)将钛粉、铝粉、石墨粉末混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体； (3)利用井式电阻炉将铝锭加热至780-800°C，待铝锭完全熔化，覆盖ー层冰晶石覆盖剂；石墨钟罩压入Al-Er中间合金，静置，直至中间合金完全熔化并且扩散均匀；再将熔体升温至800-900°C，石墨钟罩压入步骤(2)的块体，石墨棒均匀搅拌，反应IOmin ;反应完成后，静置5min，压入C2Cl6精炼，扒洛，将铝熔体浇注到已预热250°C的钢模中，获得Al-Ti-C-Er变质细化剂。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，冰晶石和C2Cl6在100°C加热lh，去除水分。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于，将模具和扒渣勺工具涂刷ー层涂料，防止Fe杂质元素污染细化剂。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于，选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。
8.按照权利要求4的方法，其特征在于，钛粉325目，石墨粉300目。
全文摘要
一种Al-Ti-C-Er细化剂及制备方法，属于细化剂技术领域，其组成Ti3.0-10.0wt%，C0.15-0.5wt%，Er0.1-0.3wt%，余量为Al；Ti/C的质量比=17-22，细化剂物相包括α-Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi三元相。将钛、铝、石墨粉混合均匀，置于模具中，压制成块体；将铝锭加热熔化，覆盖冰晶石；压入Al-Er中间合金，静置；将熔体升温至需要的反应温度，压入块体，搅拌反应，压入C2Cl6精炼，扒渣，浇注。本发明解决了TiC粒子制备难的问题，稀土Er的添加，提高的C在Al中的润湿性，提高了反应效率。
文档编号C22C1/06GK102784905SQ20121018976
公开日2012年11月21日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者聂祚仁, 陈子勇, 马腾飞, 黄晖 申请人:北京工业大学