铝合金熔炼用添加剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金领域，具体而言，涉及一种铝合金熔炼用添加剂及其制备方法。


背景技术：

2.全球汽车车轮材料主要经历了钢铁材料、合金材料(如铝合金)等演变过程，目前以铝合金车轮为主。从铝合金车轮的发展来看，长时期内，钢制车轮在车轮制造业中占主导地位，但随着汽车工业的飞速发展，人们对车辆安全、环保、节能的要求日趋严格，铝合金车轮以其安全、节能、美观、舒适等特点，逐步取代了钢制车轮。欧洲在20世纪初就开始使用砂模铸造铝合金汽车车轮，在赛车上得到应用。1958年有了整体金属模铸造的铝合金车轮，开始运用到普通乘用车。1997年，欧洲主要汽车制造商以钢轮作为标准配置的比重约为77％，北美平均65％，日本平均60％。到1999年，英国市场销售的汽车中，钢轮作为标准配置的比重一下降到46％，美国市场则不足40％。目前，世界上铝合金车轮的装车率已达到60％以上，其中乘用车绝大部分选择了铝合金车轮。
3.目前在铸造铝合金方面，行业里广泛使用的铝合金轮毂材料是a356铝合金。其不仅具有很好的铸造性能(流动性好、线收缩小、无热裂倾向)，可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且其通过t6固溶热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性。具体地，a356铝合金是一种典型的al-mg-si系三元合金，其主要由以下元素组成：al:91％-92％、si:6.5-7.5％、mg:0.25％-0.45％及ti:0.08-0.2％。其中，si使铝的流动性增加，改善铸造性能，可以降低体收缩和热裂倾向。mg与si形成强化相mg2si，在热处理过程中提高强度和硬度；ti作为一种细化剂，可使晶体的晶粒度更加致密，提高机械性能。
4.现有a356合金生产过程中，主要是通过在金属熔炼过程中依次分别添加金属si添加剂和金属ti添加剂以向合金中引入si和ti金属元素。且目前si的加入方式主要有两种方式，一种是以铺底的方式加入熔炼炉中，另一种则是待铝锭熔化后，铝液达到一定温度时再投入熔炼炉中。ti则主要以ti添加剂的形式加入熔炼炉中。
5.然而，在铝合金熔炼过程中采用上述添加剂，或存在si实收率较低的问题，或存在需长时间、高熔炼温度导致的铝熔体烧损及能耗高的问题，或存在ti元素难以熔入铝液导致的ti实收率较低等问题。故而，有必要提供一种新的铝合金熔炼用添加剂，使其可以有效改善上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种铝合金熔炼用添加剂及其制备方法，以解决现有技术中的铝合金熔炼用添加剂存在的或si实收率较低，或ti实收率较低，或铝熔体有烧损，或能耗高等问题。
7.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铝合金熔炼用添加剂，添加剂为硅钛合金，且硅钛合金中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。
8.进一步地，添加剂的密度为2.8～3.1g/cm3；添加剂由硅和钛经混合、熔融、浇铸形
成。
9.进一步地，铝合金为al-mg-si系三元铸造合金，优选为a356合金。
10.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种前述的铝合金熔炼用添加剂的制备方法，制备方法包括：将硅和钛经混合、熔融、浇铸，得到添加剂；且添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。
11.进一步地，在浇铸之后，制备方法还包括对浇铸后料依次进行破碎及筛选的步骤。
12.进一步地，硅选自gb/t2881-2014中的2202、3303、421、441、521或553中的一种或多种。
13.进一步地，钛为颗粒状结构；优选钛的粒度为0.1～3mm；进一步优选钛选自海绵钛颗粒、切削钛颗粒或氢化脱氢钛颗粒中的一种或多种。
14.进一步地，熔融过程中，处理温度为1000～1100℃，处理时间为60～90min；优选熔融在20～40r/min的搅拌条件下进行；优选浇铸过程中，真空度为90～100mpa，浇铸速度为40～60mm/min，浇铸温度为850～900℃。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种前述的铝合金熔炼用添加剂、或者前述的制备方法制备得到的铝合金熔炼用添加剂在铝合金熔炼中应用。
16.进一步地，向铝合金主体材料中加入添加剂以进行熔炼；优选铝合金主体材料和添加剂的重量比为1000：(65～80)；更优选熔炼过程中，熔炼温度为735～745℃，熔炼时间为20～30min。
17.本发明创造性地提出了一种铝合金熔炼用添加剂，该添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。在将其用于铝合金熔炼过程时，本发明可有效实现硅元素、钛元素的同时添加，从而一方面提高了熔炼速度，减少了能源消耗，节约了能源成本。另一方面还可以使得硅钛元素均稳定地获得较高的实收率，降低了材料成本。而且，与传统金属硅添加剂相比，本发明上述复合添加剂密度更大，其大大降低了金属硅元素的烧损，从而进一步提升了硅元素的实收率。同时，与传统ti添加剂相比，本发明上述复合添加剂将ti元素以硅钛合金的形式应用至熔炼过程，使其更容易熔入铝液，从而可以进一步增加ti元素的实收率。此外，上述硅钛元素复合添加剂在后续熔炼过程中所需温度较低，从而可以进一步有效减少铝熔体的烧损，进而促使成品合格率更高。以及，上述硅钛复合元素添加剂在熔炼时不需要加入任何额外熔剂，其无污染、环保性更好。
具体实施方式
18.名词解释：
19.si的实收率定义：铝熔体合金化吸收的si的重量与投入到铝熔体中si的重量与之比称为硅的实收率。
20.ti的实收率定义：铝熔体合金化吸收的ti的重量与投入到铝熔体中ti的重量与之比称为钛的实收率。
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
22.正如本发明背景技术部分所描述的，现有技术中的铝合金熔炼用添加剂存在或si实收率较低，或ti实收率较低，或铝熔体有烧损，或能耗高等问题。为了解决这一问题，本发
明提出了一种铝合金熔炼用添加剂，该硅钛复合元素添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。
23.现有技术中，铝合金生产过程中，si的加入方式主要有两种方式，一种是以铺底的方式将金属硅加入熔炼炉中，另一种则是待铝锭熔化后，铝液达到一定温度时将金属硅投入熔炼炉中。ti则主要是以纯ti添加剂的形式在熔炼时加入。
24.而本发明发明人在此过程中首次创造性地提出，采用以上方式加入si均会降低si的实收率。这是由于si的密度比al小，al熔化后si会漂浮于铝液表面，从而使得部分金属si表面与空气接触氧化，进而降低了si的实收率。而且，由于si的熔点较高，以上两种方式熔炼都需要消耗比较长的熔炼时间，从而会增加生产能耗。同时，传统的钛添加剂其使用温度一般不低于750℃，甚至更高。这样，一方面，高温会增加铝熔体的烧损，另一方面，高温还会增加能耗。再者，单独加入钛添加剂还会使得铝熔体的流动性变差，从而会增加ti元素熔入铝液的难度，进而降低ti元素的实收率。
25.进而，本发明创造性地提出了一种铝合金熔炼用添加剂，该添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。在将其用于铝合金熔炼过程时，本发明可有效实现硅元素、钛元素的同时添加，从而一方面提高了熔炼速度，减少了能源消耗，节约了能源成本。另一方面还可以使得硅钛元素均稳定地获得较高的实收率，降低了材料成本。而且，与传统金属硅添加剂相比，本发明上述复合添加剂密度更大，其大大降低了金属硅元素的烧损，从而进一步提升了硅元素的实收率。同时，与传统ti添加剂相比，本发明上述复合添加剂将ti元素以硅钛合金的形式应用至熔炼过程，使其更容易熔入铝液，从而可以进一步增加ti元素的实收率。此外，上述硅钛元素复合添加剂在后续熔炼过程中所需温度较低，从而可以进一步有效减少铝熔体的烧损，进而促使成品合格率更高。以及，上述硅钛复合元素添加剂在熔炼时不需要加入任何额外熔剂，其无污染、环保性更好。
26.需要说明的是，本发明上文所提及的硅钛元素地同时添加，并不同于将金属硅和钛添加剂同时投入熔炼炉中，而是将硅钛元素先进行预合金化处理，以对硅钛元素的组织及密度进行了进一步优化。从而使硅能够近似悬浮于铝液中，随着硅的熔化，硅先与铝液合金化，金属硅熔化后，钛进而与铝液接触形成tial3粒子，达到添加钛元素的目的。基于上述预合金化处理使其可以具有以下有益效果：其一，简化了投料方式：硅元素和钛元素同时添加，不在需要分批加料，节省人力，简化操作步骤。其二，节省了能源：硅钛元素进行了预合金化处理，省略了中间的高温融化过程，节约时间，降低熔炼成本。其三，减小了钛的偏析倾向：产品熔化时候均匀漂浮于铝液表面，钛与铝合金化后生成的tial3粒子形成于铝液表面，由于其密度大于铝硅合金液，在做自由落体沉降的过程中均匀分布于铝液中，减小钛元素的偏析倾向。其四，更绿色环保：通常硅的添加和钛的添加都是以添加剂的方式添加到铝液中，助熔剂是添加剂的重要组成部分，助熔剂的主要成分为含氟、氯、氮等元素的无机盐类，熔化过程中会释放这些有害元素污染空气和环境，本产品不含以上各种有害元素。其五，减少了金属硅的烧损：通过钛元素的加入，增加了硅钛复合元素添加剂产品的密度，使得硅钛复合元素添加剂在投入铝液过程中实现下沉至铝液下面，减少表面氧化带来的烧损。总之，硅元素和钛元素实收率均进一步得到了大幅度地提升。
27.在一种优选的实施方式中，添加剂的密度为2.8～3.1g/cm3。基于此，添加剂在后续铝合金熔炼时，可以在进一步提高铝合金力学性能的基础上，还可进一步减少其表面氧
化带来的烧损。
28.为了进一步促使添加剂的上述优异性能均一性更佳，在一种优选的实施方式中，本发明上述添加剂由硅和钛经混合、熔融、浇铸形成。基于此，其制备过程更简单，原料更易得，且合成过程可控性更佳。
29.在一种优选的实施方式中，铝合金为al-mg-si系三元合金。本发明上述复合添加剂在用于al-mg-si系三元合金时，其上述有益效果更佳。尤其是，一般al-mg-si系三元合金中mg的加入方式通常是以镁锭的形式投入熔炼炉内或者在流槽内加入，镁锭的加入会促使铝熔体的流动性进一步变差，从而增加ti元素熔入铝液的难度，进而降低ti元素的实收率。而基于本发明上述复合添加剂可以进一步减小钛的偏析倾向。具体地，产品熔化时候可以更均匀地漂浮于铝液表面，且钛与铝合金化后生成的tial3粒子形成于铝液表面，由于其密度大于铝硅合金液，在做自由落体沉降的过程中均匀分布于铝液中，减小钛元素的偏析倾向，从而进一步增加了ti的实收率。更优选铝合金为a356合金，基于此，本发明上述添加剂效果更佳。
30.本发明还提供了一种前述的铝合金熔炼用硅钛复合元素添加剂的制备方法，制备方法包括：将硅与钛混合，然后依次进行熔融及浇铸，得到硅钛复合元素添加剂；且硅钛复合元素添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)。
31.基于前文的各项原因，本发明将硅钛元素先进行预合金化处理，以对硅钛元素的组织及密度进行了进一步优化，从而使其在后续铝合金熔炼时可以具有以下有益效果：其一，简化了投料方式：硅元素和钛元素同时添加，不在需要分批加料，节省人力，简化操作步骤。其二，节省了能源：硅钛元素进行了预合金化处理，省略了中间的高温融化过程，节约时间，降低熔炼成本。其三，减小了钛的偏析倾向：产品熔化时候均匀漂浮于铝液表面，钛与铝合金化后生成的tial3粒子形成于铝液表面，由于其密度大于铝硅合金液，在做自由落体沉降的过程中均匀分布于铝液中，减小钛元素的偏析倾向。其四，更绿色环保：通常硅的添加和钛的添加都是以添加剂的方式添加到铝液中，助熔剂是添加剂的重要组成部分，助熔剂的主要成分为含氟、氯、氮等元素的无机盐类，熔化过程中会释放这些有害元素污染空气和环境，本产品不含以上各种有害元素。其五，减少了金属硅的烧损：通过钛元素的加入，增加了硅钛复合元素添加剂产品的密度，使得硅钛复合元素添加剂在投入铝液过程中实现下沉至铝液下面，减少表面氧化带来的烧损。硅和钛元素实收率进一步得到有效提升。
32.在一种优选的实施方式中，在浇铸之后，制备方法还包括对浇铸后料依次进行破碎及筛选的步骤。浇铸后，将浇铸后料冷却至室温后，可选用包括但不限于颚式破碎机等破碎机以对其进行破碎处理，破碎后筛选出50mm～100mm和20mm～50mm两种规格物料，将其分别包装即可使用或售卖。其中，在实际应用时，50mm～100mm更合适于使用电解铝水进行铝合金熔炼的生产工艺，而20mm～50mm则更适合冷料较多或者使用纯铝锭进行铝合金熔炼的生产工艺。
33.在一种优选的实施方式中，硅选自gb/t2881-2014中的2202、3303、421、441、521或553中的一种或多种。基于此，原料更易得、成本更低，且其和钛的协同增效作用更佳，得到的复合添加剂上述优异性能更佳。优选钛为颗粒状结构，钛的粒度为0.1～3mm。基于此，在熔融过程中，钛源可以进一步更好地分散在硅源中，以进一步提高复合添加剂的上述优异性能。进一步优选钛选自海绵钛颗粒、钛材料切削颗粒或氢化脱氢钛颗粒中的一种或多种，
且钛的纯度高于99.0％。
34.为了进一步提高添加剂的优异性能均一性，在一种优选的实施方式中，熔融过程中，处理温度为1000～1100℃，处理时间为60～90min。优选熔融在20～40r/min的搅拌条件下进行，基于此，钛可以更好地分散在硅中，从而进一步提高复合添加剂的性能均一性。
35.为了进一步提高添加剂的上述优异性能，在一种更优选的实施方式中，可先将上述硅进行熔融处理形成熔融硅液，并使其温度保持在1000～1100℃以装入带有磁力搅拌功能的浇包(自带保温功能)中，再按照添加剂中硅元素和钛元素的重量比为(6～8):(0.1～0.2)的比例从浇包口投入钛，同时开启磁力搅拌，必要时辅助人工搅拌，促使整个搅拌过程持续60～90min，以使钛颗粒均匀分布于熔融硅液中，此时控制熔融硅钛液的温度达到850～900℃以上。然后，再将预制完成的熔融硅钛液通过连续铸造机铸造成锭坯，并冷却至室温以进行后续破碎及筛选。
36.本发明还提供了一种前述的铝合金熔炼用硅钛复合元素添加剂、或者前述的制备方法制备得到的铝合金熔炼用硅钛复合元素添加剂在铝合金熔炼过程中的应用。
37.基于前文的各项原因，本发明将硅钛元素先进行预合金化处理，以对硅钛元素的组织及密度进行了进一步优化，从而使其在后续铝合金熔炼时可以具有以下有益效果：其一，简化了投料方式：硅元素和钛元素同时添加，不在需要分批加料，节省人力，简化操作步骤。其二，节省了能源：硅钛元素进行了预合金化处理，省略了中间的高温融化过程，节约时间，降低熔炼成本。其三，减小了钛的偏析倾向：产品熔化时候均匀漂浮于铝液表面，钛与铝合金化后生成的tial3粒子形成于铝液表面，由于其密度大于铝硅合金液，在做自由落体沉降的过程中均匀分布于铝液中，减小钛元素的偏析倾向。其四，更绿色环保：通常硅的添加和钛的添加都是以添加剂的方式添加到铝液中，助熔剂是添加剂的重要组成部分，助熔剂的主要成分为含氟、氯、氮等元素的无机盐类，熔化过程中会释放这些有害元素污染空气和环境，本产品不含以上各种有害元素。其五，减少了金属硅的烧损：通过钛元素的加入，增加了硅钛复合元素添加剂产品的密度，使得硅钛复合元素添加剂在投入铝液过程中实现下沉至铝液下面，减少表面氧化带来的烧损。硅和钛元素实收率进一步得到有效提升。
38.在一种优选的实施方式中，向铝合金主体材料(例如工业纯铝)中加入上述添加剂以进行熔炼；优选铝合金主体材料和添加剂的重量比为1000：(65～80)。基于此，本发明上述熔炼得到的铝合金中成分范围如下：si6.5％～7.5％，ti≤0.20％，mg0.25％～0.45％。进一步优选地，熔炼过程中，熔炼温度为735～745℃，熔炼时间为20～30min。相比于现有铝合金熔炼过程而言，本发明基于上述特定的添加剂，熔炼过程的熔炼温度更低、时间更短，能耗更低，且有效避免了铝熔体烧损、产品性能更佳。
39.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。
40.实施例1
41.将2吨553熔融硅液(温度为1023℃)注入浇包中，以30r/min的速度开启浇包电磁搅拌，同时将0.0447吨粒度为0.1～0.3mm的海绵钛颗粒加入熔融硅液中，继续搅拌70min，搅拌过程中控制温度不低于1050℃。搅拌均匀后以40mm/min的浇铸速度将混合液通过连续铸造机(真空度为96mpa)浇铸入铁模中，待冷却至室温后，出模、破碎、筛分后即得成品。
42.成品中硅元素和钛元素的重量比约为6.07:0.13，密度约为2.95g/cm3，规格为
50mm-100mm，
43.实施例2
44.和实施例1的区别仅在于：控制成品中硅元素和钛元素的重量比为7.0:0.2，密度为2.92g/cm3。
45.实施例3
46.和实施例1的区别仅在于：控制成品中硅元素和钛元素的重量比为6.5:0.17，密度为3.02g/cm3。
47.对比例1
48.将553金属硅和75钛剂以7.0:0.2的重量比混合。
49.性能表征：
50.以工业纯铝、上述实施例及对比例中添加剂为原料分别进行si和ti的实收率测试。测试过程为：将15197g工业纯铝加入到石墨粘土坩埚中，并置入中频感应线圈进行熔化，待炉料全部熔化并升温至800℃时，加入1143.6g上述实施例及对比例中的添加剂，期间熔池温度降至745℃，静置20分钟后扒除表面浮渣，取样第一试样进行元素分析，30分钟后取第二试样进行元素分析。
51.实施例1分析结果分别列于表1(si的实收率)、表2(ti的实收率)。
52.表1
[0053][0054]
表2
[0055][0056]
实施例及对比例的si、ti在30分钟时的实收率见下表3所示。
[0057]
表3
[0058] si实收率ti实收率实施例199.477％99.668％实施例298.568％97.325％实施例398.552％99.341％对比例197.112％95.322％
[0059]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。