专利名称：用于铸造铝合金的非晶态Zr基合金孕育剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及合金凝固领域，特别是涉及用于铸造铝合金的ー种新型Zr基非晶合金孕育剂及其制备方法。
背景技术：
铝合金是エ业中应用最广泛的ー类有色金属结构材料，其比強度胜过很多合金钢，具有质轻、高强韧、耐腐蚀、性能可靠、生产エ艺简单、成本相对低等诸多优点，广泛用于航天、航空、高速列车、汽车、机械制造、船舶及化学エ业中。随着近年来科学技术以及エ业经济的飞速发展，对轻质高强高韧铝合金结构材料的需求日益増大。特别是人类面临日趋严峻的资源和环境问题以及我国针对缓解资源紧缺和环境污染问题提出的节能减排计划以来，高强韧铝合金来替代部分钢材质做轻质高性能结构材料成为研究热点之一。使得高强韧铝合金的研究随之深入。高强韧铝合金主要包括变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金对设备和エ装模具要求很高，并且エ序多、生产周期长、成本也相对较高。与此相比，铸造铝合金具有价格低廉、组织各向同性、生产エ艺简单、灵活多变，并可直接获得形状复杂的零部件等优点，得到了广泛的应用。国内外科研工作者一直致カ于通过优化合金成分设计和变质、孕育处理等方法开发低成本、高性能铸造铝合金，并取得了很大的成就。其中通过对合金进行变质和孕育的方法可以细化合金晶粒。例如，常见的变质方法有钠盐变质法、铝锑中间合金变质法 、铝钛中间合金变质法、钛硼熔剂细化法、铝钛硼丝细化法，Al-RE中间合金变质法和稀土变质法等。由上述可见，在金属材料凝固领域中，变质剂和孕育剂一般以晶态(单质、化合物以及合金等)的形式加入到金属熔体中进行变质(包括孕育)，细化结晶相或者改变结晶相的生长方式。其变质机制一般为核心(非自发核心)或者“毒化”理论。目前极少关于采用非晶合金进行变质(包括孕育)的文献报道。本发明涉及铸造铝合金的ー种新型非晶态Zr基合金孕育剂及其制备方法，利用非晶合金的亚稳态结构及非晶晶化的物理特性。该孕育剂对不同的铝合金体系具有一定的普适性，便于分散和均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，变质处理和合金凝固时间大为缩短，适合长时间大批量的连续铸造，成本比稀土变质剂低等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于铸造铝合金的非晶态Zr基合金孕育剂及其制备方法，该孕育剂和方法对铝合金体系的普适性强、变质剂实际收得率高、便于分散和均匀、细化后的组织均匀、变质处理和合金凝固时间短、适合长时间大批量的连续铸造的铸造铝合金。本发明的上述目的通过以下技术方案实现一种用于铸造铝合金的非晶态Zr基合金孕育剂，该孕育剂是Zr基多元非晶合金，由Zr,Cu,Al和Ni元素组成，其成分按原子百分比为Zr :34. 000 75. 000 ；Cu :15. 000 50. 000 ；A1 0. 000 18. 000 ；N1:0. 000 15. 000，使用电弧熔炼吸铸+感应加热旋淬方法制备成条带状。用于上述的铸造铝合金非晶态Zr基合金孕育剂的制备方法，非晶孕育剂制备工艺步骤为1)多元合金的熔炼及吸铸成型将Zr、Cu、Al和Ni合金元素按所述成分进行配比，放入电弧炉真空熔炼室的水冷铜坩埚内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到O. 006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入O. 05-0. 06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼Zr基多元合金，熔炼电流为250-350A，一次熔炼3_4分钟，熔炼过程中加电磁搅拌，电磁搅拌电流为1-2A，反复翻面熔炼合金4-5次，使合金成分充分均匀，最后开动真空泵，抽气，造成铜模具腔体内与熔炼室内的压力差，将水冷铜坩埚内的Zr基合金熔体吸入铜模具内冷却成型为合金棒。2)感应加热旋淬方法制备非晶条带将吸铸的合金棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼室的石英坩锅内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到O. 006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入O. 05-0. 06MPa高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率5-8KW，感应加热熔炼时间约30-50秒，然后将Zr基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条带，喷注压力为
O.06-0. 08MPa,3、根据权利要求2所述的用于铸造铝合金非晶态Zr基合金孕育剂的制备方法，其特征在于，所用高纯氩气的纯度均为99. 998-99. 999vol. %。该孕育剂是制成薄条带状的，以薄带的形式加入到熔体中，便于分散和均匀，孕育剂实际收得率高，孕育处理时间大为缩短，细化后组织均匀，提高了生产效率，适合长时间大批量的连续铸造。该孕育剂是非晶态的，由Zr、Cu、Al和Ni元素组成的Zr基多元非晶合金，不含贵金属，其成本较低，在变质过程中烧损小，较为稳定。本发明一种用于铸造铝合金的新型Zr基非晶合金孕育剂与目前已有的变质及孕育技术相比具有以下特点1)本发明的孕育剂是非晶态的，不同于以往的晶态孕育剂。2)非晶合金以薄带的形式加入到熔体中，便于分散和均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，变质处理和合金凝固时间大为缩短，提高了生产效率，适合长时间大批量的连续铸造。3)即使变质时间过长导致非晶合金全溶于合金熔体仍可起到合金化的作用，可与合金中的元素形成能够作为异质形核核心的化合物，因此，不至于完全变质失效，不会因为保温时间过长而沉降成夹杂。4)非晶在变质过程中烧损小，且成本比稀土变质剂低。
图1 (a)是Zr基非晶合金孕育剂的X射线衍射图。图1 (b)是非晶孕育剂的高分辨电镜照片。图2是所制备的Zr基非晶合金孕育剂条带(剪切后)照片。
图3 (a)是未经非晶孕育处理的铝合金。图3(b_i)是经非晶孕育处理的铝合金(实施例1-8)的铸态微观组织光镜照片。图4(a_i)是对应图3(a_i)中未孕育处理合金和实施例1_8经T6热处理之后的微观组织光镜照片。图5曲线1-9是对应图4 (a-1)中未孕育处理合金和实施例1_8经T6热处理之后的拉伸工程应カ应变曲线。
具体实施例方式以下结合附图所述实施例进ー步说明本发明的具体内容及其实施方式。本发明ー种铸造铝合金的新型非晶合金孕育剂，由以下成分按原子百分比组成Zr 34. 000 75. 000 ；Cu :15. 000 50. 000 ；A1 :0. 000 18. 000 ；N1:0. 000 15. 000。用于铸造铝合金的新型非晶态孕育剂利用非晶合金的亚稳态结构及非晶晶化的物理特性，非晶遇热晶化成小的团簇或者纳米晶的物理现象瞬时大幅增加铝合金熔体中a -Al相的异质形核核心数量，细化a -Al晶粒。本发明的技术方案是将Zr、Cu、Al和Ni合金元素按设计成分进行配比，放入电弧炉真空熔炼室的水冷铜坩埚内。熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到0. 006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0. 05-0. 06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼Zr基多元合金，熔炼电流为250-350A，一次熔炼3-4分钟，熔炼过程中加电磁搅拌，电磁搅拌电流为1-2A，反复翻面熔炼合金4-5次，使合金成分充分均匀，最后开动真空泵，抽气，造成铜模具腔体内与熔炼室内的压カ差，将水冷铜坩埚内的Zr基合金熔体吸入铜模具内冷却成型。将吸铸的非晶棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼 室的石英坩锅内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到
0.006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入0. 05-0. 06MPa高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率5-8KW，感应加热熔炼时间约30-50秒，然后将Zr基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条帯。喷注压カ为0.06-0. 08MPa。本实验中所用高纯氩气的纯度都为99. 998-99. 999vol. %。非晶的高分辨透射电镜的照片和X射线衍射图如图1所示，X射线呈馒头峰，高分辨图内呈无序排列，未生成晶格点阵，这些表明了该合金的典型的非晶态特征。使用多功能气氛保护有色合金熔炼装置熔炼铝合金，当铝合金熔体达到一定温度750-770°C时，将已剪成小块的非晶条带变质剂(如图2所示)加入合金熔体中，充分搅拌，保温一定时间后浇铸，制备出非晶变质铸造铝合金。锆基非晶合金的初始晶化温度在420-500°C之间，熔化温度在800-900°C之间。而铝合金的熔炼温度在750_770°C之间，正好介于锆基非晶合金的晶化温度和熔化温度之间。因此，将非晶合金条带加入到铝合金熔体时，非晶合金发生晶化，生成大量细小的团簇或者纳米晶。随着对铝合金熔体的搅拌，团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，并作为a-Al的异质形核核心，大幅増加了铝合金熔体中初生ct -Al形核的核心数量,从而细化a -Al晶粒。通过以下给出的八个实施例对本发明ー种铸造铝合金的新型Zr基非晶合金孕育剂作进ー步阐述。1. Zr基非晶合金孕育剂八个实施例的中Zr基非晶合金孕育剂的化学成分及加入エ艺
本发明一种铸造铝合金的新型Zr基非晶合金孕育剂八个实施例的Zr基非晶合金孕育剂的化学成分、加入量、孕育时间和辅助处理工艺如表I所示。表IZr基非晶合金孕育剂的化学成分、加入量、孕育时间和辅助处理工艺
权利要求
1.一种用于铸造铝合金的非晶态Zr基合金孕育剂，其特征在于，该孕育剂是Zr基多元非晶合金，由Zr、Cu、Al和Ni元素组成，其成分按原子百分比为Zr 34. OOO 75. 000 ；Cu 15. 000 50. 000 ；A1 0. 000 18. 000 ；Ni 0. 000 15. 000，使用电弧熔炼吸铸和感应加热旋淬方法制备成条带状。
2.根据权利要求1所述的用于铸造铝合金非晶态Zr基合金孕育剂的制备方法，其特征在于，非晶孕育剂制备工艺步骤为 1)多元合金的熔炼及吸铸成型 将Zr、Cu、Al和Ni合金元素按所述成分进行配比，放入电弧炉真空熔炼室的水冷铜坩埚内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到O. 006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入O. 05-0. 06MPa的高纯氩气，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内使用电弧熔炼Zr基多元合金，熔炼电流为250-350A，一次熔炼3_4分钟，熔炼过程中加电磁搅拌，电磁搅拌电流为1-2A，反复翻面熔炼合金4-5次，使合金成分充分均匀，最后开动真空泵，抽气，造成铜模具腔体内与熔炼室内的压力差，将水冷铜坩埚内的Zr基合金熔体吸入铜模具内冷却成型为合金棒； 2)感应加热旋淬方法制备非晶条带 将吸铸的合金棒切割后放入感应加热单辊旋淬系统真空熔炼室的石英坩锅内，熔炼之前先将电弧炉熔炼室的真空度抽到O. 006-0. 008Pa的真空状态，然后向熔炼真空室内通入O. 05-0. 06MPa高纯氩气，开动中频感应电源，电源输出功率5-8KW，感应加热熔炼时间约30-50秒，然后将Zr基合金熔体喷到高速旋转的辊轮上，制成非晶条带，喷注压力为O.06-0. 08MPa。
3.根据权利要求2所述的用于铸造铝合金非晶态Zr基合金孕育剂的制备方法，其特征在于，所用高纯氩气的纯度均为99. 998-99. 999vol. %。
全文摘要
本发明涉及一种用于铸造铝合金的非晶态Zr基合金孕育剂及其制备方法。其中，该新型非晶态合金孕育剂的成分按原子百分比组成Zr34.000～75.000；Cu15.000～50.000；Al0.000～18.000；Ni0.000～15.000。制备工艺步骤为将Zr、Cu、Al和Ni合金元素一定成分进行配比，在Ti吸氧的高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚内电弧辅助电磁搅拌反复翻面熔炼，然后将Zr基合金熔体吸铸成型。再将吸铸的非晶棒放入感应加热单辊旋淬系统重熔，随后旋淬制成非晶条带。具有便于分散和均匀，变质剂实际收得率高，细化后的组织均匀，生产效率高，适合长时间大批量的连续铸造等特点。
文档编号C22C1/06GK103060588SQ201310044600
公开日2013年4月24日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者邱丰, 姜启川, 百志好, 刘莹莹 申请人:吉林大学