一种铝合金用细化剂及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种铝合金细化剂。
【背景技术】
[0002] 铝合金具有质量轻、耐蚀性好、导电性能优良并具有可焊性能好的优点，在航空航 天，汽车电子领域具有广泛的应用。但是铸造铝合金的凝固组织存在晶粒粗大的特点，并存 在大量的柱状晶，影响了其力学性能以及铝合金件的进一步生产加工。因此，需要采取各种 措施对铝合金的凝固组织进行细化，来获得细小均匀的等轴晶组织。
[0003] 铝合金的细化方法主要是在铝熔体中添加细化剂，目前生产中常用的细化剂有 Al-5Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等，其中Al-5Ti、Al-Ti-B应用最为广泛，这两种细化剂是采用氟 盐法制备，存在Al3Ti粒子过于粗大，TiB粒子偏聚的问题，影响了其细化效率。当铝合金 中含有Cr、Mn、Zr等离子时，Al-Ti及Al-Ti-B中间合金常表现出极弱的或完全失去细化能 力，也就是通常所说的晶粒细化剂的"中毒"现象，并且无法满足铝及其合金在罐材用料、超 薄铝箔、磁盘、阳极氧化产品等方面的性能要求，因此开发新型高效细化剂迫在眉睫。
[0004] 研宄者对铝合金细化剂展开了大量的研宄，"Al-Ti-C基中间合金的合成及其细化 效果研宄"（许春香等，太原理工大学博士学位论文.2010. 4)中，研宄了Al-Ti-C对铝合 金细化效果，发现该细化剂的细化效果好于Al-Ti-B;"稀土在Al-Ti-B-RE中间合金中的作 用"（张胜华，张涵，朱云??中南大学学报（自然科学版）.2005,36(3):386-388)，研宄 了富Ce稀土对Al-Ti-B组织和细化效果影响，发现稀土可以改善TiA13和TiB2粒子的分 布，降低其尺寸，提高其细化效果；"铝钛硼稀土细化剂的组织特点"（李志扬，倪红军，汪兴 兴，朱昱，黄明宇..铸造技术.2012. 32 (1) : 20-22)，研宄了富Ce稀土对工业纯铝细化的影 响，发现稀土能够延长Al-Ti-B的细化衰退时间；李志扬等研宄LaF3和碳酸富La稀土对 Al-Ti-B微观组织影响，发现0. 3%La可以使A13Ti相长度降低20-30ym。
[0005] 申请号为CN200910304877. 9,名称为"一种高效低成本的铝及铝合金细化剂及其 制备方法"的专利文件中，公开的细化剂为铝-钛-碳-稀土中间合金，其中间合金中各组 分按照重量百分比为：3% -10%Ti，0. 02-1%C和0. 02-1%RE，90-97%铝和其余成分杂质 元素；申请号为CN201410742570. 8,名称为"超强铝合金细化剂及其制备和添加方法"的专 利文件中，公开的细化剂化学组成按质量百分比为：1. 0~2. 5wt%Cu，1. 5~3.Owt%Mg， 4. 5 ~6. 5wt%Zn，0. 4 ~0? 5wt%RE，0. 2 ~0? 4wt%Be，余量为Al。
[0006] 综上，人们已经开始关注利用稀土元素来改善Al-Ti-B微观组织，加强其细化效 果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本，故进一步提高稀土的细化效果还是十分必 要的。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种具有良好的纯净性和优良的细化效果的铝合金用细 化剂。本发明的目的还在于提供一种铝合金用细化剂的制备方法。
[0008]本发明的铝合金用细化剂的重量比组成为：钛4. 5-5. 5%、铈0. 2-0. 4%、镁 0.6-1. 8%和余量的铝。
[0009] 本发明的铝合金用细化剂的制备方法为：按照重量比为钛4. 5-5. 5%、铈 0. 2-0. 4 %、镁0. 6-1. 8 %和余量的铝的比例，在队和SF6保护气氛下进行熔炼，所述熔炼 在感应炉中进行，熔炼时电压控制在300~400V，电流控制在100~120A，熔炼温度在 1200 °C~1300 °C，熔炼过程中，首先加入纯铝锭，待其熔化后，采用铝箔包裹，并使用钟罩将 钛粉压入铝熔体液面之下，加入钛粉后，静止十分钟，采用石墨钟罩将Mg-30Ce(含Mg元素 70wt%，含Ce元素30wt% )中间合金压入铝合金熔体液面之下，静止五分钟后，利用交变电 磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，搅拌十分钟后，利用旋转喷吹进行除气处理，浇注前 静置5分钟后，浇入预热至200°C的石墨型模具中。
[0010] 本发明提供了一种铝合金的新型细化剂，它适合细化铝合金的晶粒，从而提高铝 合金的强度、伸长率及耐疲劳性能。本发明的细化剂特别适合作为纯铝及铝硅合金的细化 剂。
[0011] 镁元素能够激发稀土对Al-Si合金中的共晶Si的细化效果，因此，本发明 通过采用铝稀土中间合金和镁稀土中间合金的形式，通过熔铸法制备的Al-Ti-RE和 Al-Ti-Mg-RE，考察稀土Ce对Al-Ti微观组织影响，以及Mg元素对Al-Ti-Ce合金微观结构 的影响，为生产高效、稳定、成本低廉的细化剂提供新的依据。
[0012] 本发明中间合金细化剂中每种元素的作用如下：
[0013] 根据Al-Ti相图，在Ti含量在10at%范围内，会发生如下的包晶反应：
[0014]L+Al3Ti-a(A1)
[0015] 其中Al3Ti的晶体结构复合作为A1合金凝固过程中异质形核质点的特点，因此采 用铝合金生产中采用Al-5Ti或Al-10Ti作为细化剂，经研宄发现，Al-5Ti中Al3Ti相尺寸 越小，分布越弥散，细化效果越好。
[0016]A1的原子半径为0.144nm而稀土Ce的原子半径范围为0.27nm，与A1的原子半径 相差较大，错配度超过15 %，因此，稀土元素在铝中固溶度较小，且为活性元素，为降低自由 能，易于填补界面处缺陷，在凝固过程中，稀土原子易于堆积析出相Al3Ti凝固前沿形成富 集，富集于凝固前沿的稀土，由于具有较大的原子半径，其扩散速率较慢，富集层将阻碍A1 原子和Ti原子向熔体中向Al3Ti相扩散，因此，抑制了Al3Ti相长大，从而细化Al3Ti。另外， 第二相前沿稀土元素富集也会造成成分过冷，促使TiAl3相发生离断，并由条状转变为羽毛 状。
[0017] 本发明在Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce合金的Al3Ti相与A1的界面处发现了富镁相，Mg的 原子半径为〇. 160nm，大于A1的原子半径，可以推测Mg元素在凝固过程中也会富集于Al3Ti 相前沿，辅助稀土元素降低Al3Ti相尺寸。
[0018] 通过比较Al-5Ti和Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce两种细化剂对Al-Si合金的细化效果， 发现Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce的细化效果明显高于Al-5Ti，这是由于Al-5Ti-0.7Mg-0. 3Ce中 的Al3Ti尺寸明显低于Al-5Ti，因此增加了异质形核数量，所以细化效果更显著；此外，Mg 元素和稀土元素填补与a-A1树枝晶与共晶硅界面处，阻碍a-A1树枝晶生长，也有利于细 化效果提高，并且值得注意的是Mg元素和稀土元素的交互作用，比单一稀土元素对细化剂 结构的改善更显著。
【附图说明】
[0019]图la-图lc为Al-5Ti合金、Al-5Ti-0. 3Ce及Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce合金金相显 微组织照片，其中图la为Al-5Ti、图lb为Al-5Ti-0.3Ce、图lc