一种铸造铝硅合金用铝镧硼锶中间合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料领域，涉及一种可用于改善铸造铝硅合金微观组织的铝镧硼锶中间合金及其制备方法。

背景技术：

铸造铝合金广泛应用于汽车、机械、航空航天等工业领域。铝合金的性能与其微观组织密切相关，改善铸造铝合金综合性能的有效方法是对其进行晶粒细化和共晶硅变质，从而获得均匀良好的微观组织。目前，对铝合金进行晶粒细化最经济有效的方法是向铝熔体中加入细化剂，但是由于其成分复杂，造成目前常见的晶粒细化剂(例如，二元Al-Ti、Al-B等中间合金，三元Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金，以及以KBF₄、K₂ZrF₆等为主要成分的复合盐)在熔体细化处理过程中，容易出现晶粒细化元素钛、硼、锆与合金中的硅、锶等元素发生反应，形成多元化合物，显著降低细化元素有效含量，从而发生细化衰退现象；而对共晶硅进行变质的方法是向铝熔体中加入含Na或Sr的变质剂，但是含Na变质剂易衰退，且变质剂和细化剂分开添加会造成生产效率降低，资源浪费等不良影响。因此，开发既能细化铸造铝合金晶粒又能起良好变质效果的中间合金十分必要。

稀土元素化学性质活泼，易与其他元素形成稳定的化合物，广泛应用于高性能铸造铝合金的开发中。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种改善铸造铝合金微观组织，既能有效细化铸造铝合金晶粒，也能对共晶硅产生良好变质效果，成本较低，可应用于铝铸件的批量生产的铸造铝硅合金用铝镧硼锶中间合金。

技术方案：本发明的铸造铝硅合金用铝镧硼锶中间合金，按以下方法制备得到：

步骤1：以Al-10La中间合金，Al-3B中间合金，Al-10Sr中间合金为原料，按照三种原料的质量比为(0.7～0.9)∶(0.8～1.2)：1备料；

步骤2：将Al-3B中间合金，Al-10La中间合金及Al-0Sr中间合金预热至250℃-300℃；

步骤3：在坩埚电阻炉将预热后的Al-3B中间合金在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝硼混合熔体；

步骤4：将所述铝硼混合熔体升温至880℃～920℃，加入预热后的Al-10La中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；

步骤5：将所述步骤4中得到的熔体降温至780℃-820℃，加入预热后的Al-10Sr中间合金，并保温20-30分钟；

步骤6：在780℃-820℃将所述步骤5中处理后的熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得铝镧硼锶中间合金。

进一步的，本发明的铝镧硼锶中间合金中，各成分的质量百分数：镧为1.5％-2.5％，硼为0.5％-1.5％，锶为1.5％-2.5％，其他杂质为0.3％-0.5％，余量为铝。

本发明的制备上述铝镧硼锶中间合金的方法，包括步骤如下：

步骤1：以Al-10La中间合金，Al-3B中间合金，Al-10Sr中间合金为原料，按照三种原料的质量比为(0.7～0.9)：(0.8～1.2)：1备料；

步骤2：将Al-3B中间合金，Al-10La中间合金及Al-0Sr中间合金预热至250℃-300℃；

步骤3：在坩埚电阻炉将预热后的Al-3B中间合金在740℃-760℃熔化，保温20-40分钟，获得铝硼混合熔体；

步骤4：将所述铝硼混合熔体升温至880℃～920℃，加入预热后的Al-10La中间合金，并保温20-30分钟，获得均匀熔体；

步骤5：将所述步骤4中得到的熔体降温至780℃-820℃，加入预热后的Al-10Sr中间合金，并保温20-30分钟；

步骤6：在780℃-820℃将所述步骤5中处理后的熔体浇入预热至250℃-300℃的金属型模具中，待冷却后获得铝镧硼锶中间合金。

进一步的，本发明方法中，步骤3中Al-3B中间合金的熔化温度为740℃-760℃，并保温20-30分钟，是为了使得B元素在高温熔体中能充分溶解。

进一步的，本发明方法中，步骤4中，在加入Al-10La中间合金之前，先将步骤3中获得铝硼混合熔体升温至880℃～920℃，使得加入后的Al-10La中间合金在高温下快速熔化，并通过保温20-30分钟，使得溶解出的La元素能与B元素充分反应，形成镧硼化合物。

进一步的，本发明方法中，步骤5中，在加入Al-10Sr中间合金之前，先将步骤4中获得铝硼混合熔体降温至780℃-820℃，再加入Al-10Sr中间合金，防止Sr元素的过量烧损，并保温20-30分钟，使得Sr元素在熔体中充分溶解，与铝反应，形成铝锶二元相。

本发明方法中，先添加Al-10La中间合金，使其与Al-3B中间合金在高温下反应生成镧硼化合物，再在较低温度添加Al-10Sr中间合金，使得锶基本不与硼或镧硼化合物反应，从而保证制得的铝镧硼锶中间合金中主要包含镧硼化合物和铝锶二元相，其中镧硼化合物起细化作用，铝锶二元相起变质作用。

本发明利用稀土硼化物的热稳定性及作为初生铝相的形核核心，避免与变质元素锶的反应，可以同时实现复杂成分铸造铝合金中初生铝以及共晶硅形态的改善，即同时解决细化和变质问题。本发明利用轻稀土元素镧，常见细化元素硼以及常见变质元素锶合成含镧硼锶元素的新型铝镧硼锶中间合金，所开发的新型中间合金既能有效细化铸造铝合金晶粒，也能对共晶硅产生良好变质效果，成本较低，可应用于铝铸件的批量生产。

本发明中间合金不仅能应用于二元铝硅合金的组织改善，更适用于复杂成分的铸造铝合金的组织优化，使其凝固组织中的初生铝枝晶由原来的发达树枝晶转变为细小的等轴晶，并且不发生细化衰退及变质退化等有害现象，同时可以有效地对共晶硅进行变质，使得共晶硅由层片状转变为短棒状乃至颗粒状，从而提高铸造铝合金的综合力学性能，并且能改善其铸造性能。本发明原料丰富，成本较低，制备设备简单

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)常见的多元铝合金细化剂中，主要以钛元素为细化元素，例如Al-Ti-B、Al-Ti-C或者Al-Ti-RE等中间合金。这些中间合金在对铸造铝合金进行细化处理时，由于钛和硅之间的反应形成钛硅化合物，所以细化效力很低。另有报道以硼元素作为主要细化元素的Al-B二元中间合金可以有效细化高硅含量的铸造铝合金，但硼元素会与变质元素锶发生反应形成锶硼化合物，使得铸造铝合金的细化与变质效果同时降低。本发明合成的新型铸造铝合金中间合金利用镧、硼、锶之间的交互作用，形成高稳定的镧硼化合物作为初生铝相的异质形核核心，同时镧硼化合物的生成避免了锶与硼之间的反应，保证了中间合金形成的铝锶二元相能够对铸造铝合金形成充分变质。因此，本发明合成的铝镧硼锶中间合金可用于复杂成分的铸造铝合金的微观组织改善，使其凝固组织中的初生铝枝晶由原来的发达树枝晶转变为细小的等轴晶，并且不发生细化衰退及变质退化等有害现象；同时可以有效地对共晶硅进行变质，使得共晶硅由层片状转变为短棒状乃至颗粒状，从而提高铸造铝合金的综合力学性能，并且能改善其铸造性能。

(2)常见的铝熔体反应法制备铝中间合金通常采用中频炉，在保护气氛下，在铝熔体中直接添加纯金属或非金属元素，这些元素在高温熔体中容易发生过量烧损，制备效率低，成本高。本发明采用市场上常用的Al-10La、A1-3B及Al-10Sr中间合金为原材料，一方面有效降低了制备成本，另一方面采用中间合金能有效降低元素烧损，制备效率有效提高。同时，本发明仅需要使用干燥箱和普通电阻炉就可制备中间合金，无需气氛保护及大功率电炉，制备设备简单。

附图说明

图1未添加细化剂的Al-10Si合金金相组织照片，放大100倍。

图2未添加细化剂的Al-10Si合金金相组织照片，放大500倍。

图3添加实施例1中间合金的Al-10Si合金金相组织照片，放大100倍。

图4添加实施例1中间合金的Al-10Si合金金相组织照片，放大500倍。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：本实施例中Al-La-B-Sr中间合金的制备方法如下：

步骤1：以Al-10La中间合金，Al-3B中间合金和Al-10Sr中间合金为原料，该三种原料的质量比为0.7∶0.8∶1.0；

步骤2：将一定配比的Al-3B中间合金，Al-10La中间合金及Al-0Sr中间合金在高温烘箱中预热至250℃。

步骤3：在坩埚电阻炉将步骤2中预热后的Al-3B中间合金在740熔化，保温20分钟，获得铝硼混合熔体。

步骤4：将步骤3中的铝硼混合熔体升温至880℃，加入预热后的Al-10La中间合金，并保温20分钟，获得均匀熔体。

步骤5：将步骤4中的熔体降温至780℃，加入预热后的Al-10Sr中间合金，并保温20分钟。

步骤6：在780℃将步骤5中熔体浇入预热至250℃的金属型模具中，待冷却后获得铝镧硼锶中间合金。

采用本实施例制备的Al-La-B-Sr中间合金改善Al-10Si合金组织的方法如下：将ZL102和工业纯铝按一定配比放入5KW电阻炉坩埚中，加热至原料完全熔化，熔体温度为720～740℃，采用徐州思源三合一精炼剂除气精炼后静置30分钟，然后在710～730℃加入质量百分数为1％的Al-La-B-Sr中间合金，得混合体，720℃保温30分钟后浇注至金属型模具中。

如图1所示，未添加中间合金时，Al-10Si合金微观组织中初生铝以发达树枝晶为主；如图2所示，添加中间合金后，Al-10Si合金微观组织中初生铝由发达树枝晶转变为细小均匀的等轴状枝晶。如图3所示，未添加中间合金时，Al-10Si合金微观组织中共晶硅以粗大层片状为主；如图4所示，添加中间合金后，Al-10Si合金微观组织中，共晶硅由粗大层片状转变为细小短棒状。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为0.9∶0.8∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为1.0∶0.8∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为0.7∶1.0∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为0.9∶1.0∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例五：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为1.0∶1.0∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例六：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为0.7∶1.2∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例七：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为0.9∶1.2∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例八：本实施例与实施例一不同的是步骤1中三种原料质量比为1.0∶1.2∶1.0。其他与实施例一相同。

实施例九：本实施例与实施例一不同的是步骤2中预热温度为300℃，其他与实施例一相同。

实施例十：本实施例与实施例一不同的是步骤2中预热温度为280℃，其他与实施例一相同。

实施例十一：本实施例与实施例一不同的是步骤3中Al-3B合金的熔化温度为760℃，保温时间为40分钟，其他与实施例一相同。

实施例十二：本实施例与实施例一不同的是步骤3中Al-3B合金的熔化温度为750℃，保温时间为30分钟，其他与实施例一相同。

实施例十三：本实施例与实施例一不同的是步骤4中保温温度为920℃，保温时间为30分钟，其他与实施例一相同。

实施例十三：本实施例与实施例一不同的是步骤4中保温温度为900℃，保温时间为25分钟，其他与实施例一相同。

实施例十四：本实施例与实施例一不同的是步骤5中熔体降温至820℃，保温时间为30分钟，其他与实施例一相同。

实施例十五：本实施例与实施例一不同的是步骤5中熔体降温至800℃，保温时间为25分钟，其他与实施例一相同。

实施例十六：本实施例与实施例一不同的是步骤6中浇铸温度为820℃，金属型模具温度为300℃，其他与实施例一相同。

实施例十六：本实施例与实施例一不同的是步骤6中浇铸温度为800℃，金属型模具温度为280℃，其他与实施例一相同。

参考图1为上述实施例一中Al-10Si合金添加铝镧硼锶中间合金之前放大100倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出存在大量明显取向性的粗大树枝状的初生铝。

参考图2为上述实施例一中Al-10Si合金添加铝镧硼锶中间合金之后放大100倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出不存在明显取向性的粗大树枝状初生铝，初生铝均以等轴状存在。

参考图3为上述实施例一中Al-10Si合金添加铝镧硼锶中间合金之前放大500倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出共晶硅形态为粗大层片状。

参考图4为上述实施例一中Al-10Si合金添加铝镧硼锶中间合金之后放大500倍的金相组织照片。照片中较亮部分为初生铝，较暗部分为共晶硅，照片看出共晶硅形态为细小纤维状或短棒状。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。