一种铝合金复合细化‑变质剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于铸造铝合金成份设计与制造领域，具体为一种A356.2铝合金的制备方法及其使用的复合细化-变质剂。

背景技术：
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近年来随着我国雾霾污染的日益加重，人们对清洁空气和蓝天白云的渴望也日益加深。汽车保有量和尾气排放量的快速增加被认为是造成雾霾污染的一个主要原因。研究表明降低汽车的自重即可以降低其能源消耗又可以有效地降低其尾气排放量。因此，如何实现汽车的轻量化成为了科研人员研究的重点。目前实现汽车轻量化的途径主要有两条：一是汽车整体及零部件结构的设计与优化，二是采用轻质结构材料。其中结构设计与优化必须以保证整体结构强度为前提，这就要求更简洁的结构设计，并且需要有相应的轻质结构材料为前提。在已有的轻质结构材料中，A356.2铝合金以其优异的综合性能被广泛应用在汽车轮毂上，大幅度降低了轮毂的重量。由于铸态A356.2铝合金中的共晶硅呈现尖角状，会极大的恶化合金的力学性能。因此，为了提高其力学性能，现有的生产工艺多采用Al-Ti-B和Al-Sr中间合金分别对其进行细化和变质，使用效果较好。经过多年的研究和应用，Al-Ti-B和Al-Sr对A356.2铝合金力学性能的进一步提高难度较大，且由于存在着B与Sr元素的“毒化”现象，直接影响到了铝合金结构件特别是铝合金轮毂性能上的进一步优化，也限制了铝合金轮毂节能减排效果的进一步提高。

针对以上情况，科研人员不断进行新型细化剂和变质剂的开发，以求进一步提高A356.2铝合金的力学性能。CN104894405A公开了一种利用Al-La二元非晶合金细化A356铝合金中粗大的组织的方法，该方法可有效细化a-Al，但对合金中共晶硅的变质效果较差，且要先制备Al-La非晶合金，工艺复杂成本较高，不利于工业化推广和应用；CN103589916A公开了一种适用于于A356.2铝合金的细化剂及其制备方法，该细化剂可有效细化合金，但其中包含Sc元素导致其成本较高；CN103173663A公开了一种适用于A356.2铝合金的复合细化-变质剂，该复合细化-变质剂可以一次实现对合金的细化和变质，但其中也存在着B与Sr元素的“毒化”现象，限制了其对合金力学性能的进一步提高。综上可见，目前仍缺乏能够大幅度提高A356.2铝合金力学性能且工艺简单成本低廉的复合细化-变质剂。

本发明为了解决以上问题，开发了一种适用于A356.2铝合金的新的复合细化-变质剂，能够同时对合金产生良好且稳定的变质与细化作用并能够大幅度提高其力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前A356.2铝合金性能的不足，提供一种铝合金复合细化-变质剂。该细化剂的组成为Al-Sr-La，是以Al-Sr、Al-La中间合金为原料，大大降低了复合细化-变质剂的制备成本。同时，该变质剂利用Al-Sr对A356.2铝合金具有变质作用，Al-La具有细化作用，可以通过控制复合细化-变质剂中的两种中间合金质量比，从而获得变质与细化配合程度不同的A356.2铝合金。

本发明的技术方案为：

一种Al-Sr-La复合细化-变质剂，该细化-变质剂的质量百分组成为Sr 1～9％，La 2～12％，其余为Al。

所述的Al-Sr-La复合细化-变质剂的制备方法，包括以下步骤：

首先，进行预处理，按照细化-变质剂的组成配比，将Al-Sr、Al-La中间合金锭以及纯Al锭切割后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，清洗后进行烘干、称量；

其次，在坩埚电阻炉中进行熔炼：将纯铝块置于石墨坩埚中，并置于730-750℃下的电阻炉中；待纯Al完全熔化后去除其表面氧化皮，之后加入称量好的Al-Sr中间合金；保温20-40min后，加入Al-La中间合金；待中间合金完全熔化后，用石墨搅拌棒机械搅拌5-10min使合金混合均匀；将炉温降至710-730℃，静置10-15min，去除表面浮渣后，向金属液中通入高纯氩气2-3min进行精炼；静置3-5min后，去除表面浮渣，并将金属液浇入模具中，获得所需要的Al-Sr-La复合细化-变质剂；

所述的Al-Sr优选为Al-10Sr合金；Al-La优选为Al-20La合金。

所述的Al-Sr-La复合细化-变质剂的应用方法，包括以下步骤：

首先进行预处理，切取A356.2铝合金及Al-Sr-La复合细化-变质剂后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，清洗后再进行烘干，称量；

其次，在坩埚电阻炉中进行熔炼：将A356.2铝合金置于清理干净的石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于730-750℃电阻炉内；待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气2-3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；静置3-5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入占A356.2铝合金质量分数为0.1％-5％的Al-Sr-La复合细化-变质剂；保温3-5min后，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；静置3-5min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中，最后得到改性后的A356.2铝合金；

需要注意的是从开始放入金属块到完成整个浇注过程，要持续向电阻炉中通入高纯氩气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

与现有技术相比，本发明的显著进步如下：

(1)本发明中的细化-变质剂可以对A356.2铝合金同时进行变质、细化，并且通过细化-变质剂的预制备，使其元素分布更加均匀，也可发挥有效元素最大的作用；

(2)本发明的Al-Sr-La复合细化-变质剂以Al-Sr、Al-La中间合金为原料，使原料更为简化，制备工艺简单、便于操作，有利于在工业上大面积推广使用；

(3)可以在实现良好的变质、细化作用的同时，避免目前工业常用Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂的“毒化”现象；

(4)可以通过改变复合细化-变质剂中Al-Sr、Al-La中间合金的质量比来获得不同Sr：La比例的Al-Sr-La复合细化-变质剂，实现对合金细化和变质的精确控制，在获得不同程度细化的同时对共晶硅进行不同程度的变质，进而调控合金的强度与延伸率。

附图说明

图1分别为实施例二中Al-6Sr-7La与对比例中Al-Ti-B、Al-Sr加入A356.2铝合金后，铸态下的100倍金相图，其中，图1a为实施例二中A356.2在加入Al-6Sr-7La细化-变质剂处理后的金相图，图1b为对比例中A356.2在加入Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂处理后的金相图；

图2分别为实施例二中Al-6Sr-7La与对比例中Al-Ti-B、Al-Sr加入A356.2铝合金后，铸态下的500倍金相图，其中，图2a为实施例二中A356.2在加入Al-6Sr-7La细化-变质剂处理后的金相图，图1b为对比例中A356.2在加入Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂处理后的金相图。

具体实施方式

实施例一

1、熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 1％，La 12％，其余为Al进行配比并备料；切取Al-10Sr、Al-20La中间合金锭以及纯铝锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后进行烘干、称量；

2)将电阻炉升温至740℃，待温度稳定后，将纯铝块置于已清理干净的石墨坩埚中，并置于电阻炉中。待纯Al块完全熔化后去除其表面浮渣，之后加入步骤1称量好的Al-10Sr中间合金；

3)保温20min后，加入步骤1称量好的Al-20La中间合金；

4)待中间合金完全熔化后，用石墨搅拌棒机械搅拌5min使合金混合均匀；

5)将炉温降至720℃，静置10min,去除表面浮渣后，向金属液中通入高纯氩气3min进行精炼；

6)静置3min后，去除表面浮渣，并将金属液浇入铸铁模具中，获得Al-1Sr-12La复合细化-变质剂。

需要注意的是从开始加入Al-Sr中间合金到完成整个浇注过程，要持续往电阻炉中通入高纯氩气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

2、细化-变质工艺：

1)切取A356.2铝合金及Al-Sr-La复合细化-变质剂后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗，之后再进行烘干，称量。称取质量分数为0.5％的Al-Sr-La合金块，其余为A356.2铝合金；

2)将电阻炉升温至730℃，待温度稳定后将A356.2铝合金置于清理干净的石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于电阻炉内；

3)待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；

4)静置5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入称量好的Al-Sr-La复合细化-变质剂；

5)保温3min后，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；

6)静置3min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中；

7)待铸锭冷却后切取一块1cmx1cmx1cm的金属块，制取金相试样后，用体积分数为0.05％的HF腐蚀。

实施例二

1、熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 6％，La 7％，其余为Al进行配比并备料；切取Al-10Sr、Al-20La中间合金锭以及纯铝锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后再进行烘干，称量；

2)同实施例一；

3)同实施例一；

4)同实施例一；

5)同实施例一；

6)同实施例一；

此实施例最终获得Al-6Sr-7La复合细化-变质剂，需要注意的是从开始加入纯铝块到完成整个浇注过程，要持续往电阻炉中通入高纯氩气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

2、细化-变质工艺：同实施例一。

图1a与图2a分别为将本实施例制得的Al-6Sr-7La细化-变质剂以0.5％的含量加入到A356.2铝合金后，铸态A356.2铝合金的100倍与500倍金相组织照片。通过图1a与图1b的对比可以看出，与目前工厂最常用的Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质相比，用Al-6Sr-7La进行细化变质的A356.2铝合金二次枝晶间距更加小，即α-Al的细化效果更加好；通过图2a与图2b的对比可以看出，与目前工厂最常用的Al-Ti-B、Al-Sr细化-变质剂相比，用Al-6Sr-7La进行细化变质的A356.2铝合金的纤维状共晶硅尺寸更短，往球型过渡的趋势更加明显。

实施例三

1、熔炼工艺：

1)依据目标合金中各组分元素的质量百分比：Sr 9％，La 2％，其余为Al进行配比并备料；切取Al-10Sr、Al-20La中间合金锭后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后再进行烘干，称量；

2)将电阻炉升温至740℃，待温度稳定后，将步骤1称量好的Al-10Sr中间合金置于已清理干净的石墨坩埚中，并置于电阻炉中；

3)同实施例一；

4)同实施例一；

5)同实施例一；

6)同实施例一；

此实施例最终获得Al-9Sr-2La复合细化-变质剂，需要注意的是从开始加入纯铝块到完成整个浇注过程，要持续往电阻炉中通入高纯氩气作为保护气体以防止材料氧化烧损。

2、细化-变质工艺：同实施例一。

对比例

1)切取A356.2铝合金及Al-Ti-B、Al-Sr中间合金后进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，然后用丙酮在超声波震荡器中清洗，之后再进行烘干，称量。称取质量分数分别为0.2％的Al-Ti-B、Al-Sr合金块，其余为A356.2铝合金；

2)将电阻炉升温至730℃，待温度稳定后将步骤1称量好的A356.2铝合金置于清理干净的石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于电阻炉内；

3)待A356.2铝合金完全熔化后，去除表面浮渣，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌金属液；

4)静置5min后，再次去除表面的浮渣，之后加入称量好的Al-Ti-B、Al-10Sr中间合金；

5)保温3min后，向金属液中通入高纯氩气3min，并且在通入氩气的过程中用通气管不断搅拌；

6)静置3min之后除去表面浮渣并将金属液浇入铸铁模具中。

图1b与图2b分别为将本对比例中Al-Ti-B、Al-Sr中间合金分别以0.2％的含量加入到A356.2铝合金后，铸态A356.2铝合金的100倍与500倍金相组织照片。从图中可以看出二次枝晶间距较小，即α-Al的细化效果较好；A356.2铝合金中的共晶硅也由传统的尖角状变质为较长的纤维状组织。

表1表示Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质与用Al-6Sr-7La细化变质的A356.2铝合金的二次枝晶间距值。

表1

表1直观表现出分别经Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质与Al-6Sr-7La细化变质的铸态A356.2铝合金的二次枝晶间距值，从表1中二次枝晶间距值的变化可以看出与目前工业中常用的Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质相比，Al-6Sr-7La的细化效果略优。考虑到Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质中B与Sr元素的“毒化”现象，因此Al-Sr-La细化-变质剂的发展前景更好。

通过各实施例结果之间的对比可以看出，从实施例一到实施例三，Sr在Al-Sr-La细化-变质剂中所占的比例逐渐增大，即Sr与La至今的比例逐渐增加。经过细化变质的A356.2铝合金的二次枝晶间距依次增大，而共晶硅的形态逐渐由尖角状过渡到细长的纤维状，最终形成细小的颗粒状。即细化效果逐渐减弱，变质效果逐渐增强。也即A356.2铝合金的强度依次降低，韧性依次增加。换句话说，提高Sr：La的比例可提高合金的变质效果；降低Sr：La的比例可提高合金的细化效果，可以通过定量调整Sr：La的比例可以实现对合金的变质和细化效果的定量控制，从而实现对合金的力学性能的调控。在实际应用过程中，可根据所处环境决定所需材料强度与韧性的高低，从而选择合适配比的Al-Sr-La细化-变质剂。

通过上述结合实验附图对本发明进行了描述，但以上具体实施案例仅仅是部分实验，并不是用来限制本发明的实施范围。本领域的相关技术人员依据本发明或在不脱离本发明宗旨的情况下，所进行的等效变形和相关修饰，都在本发明的保护范围之内。

本发明未尽事宜为公知技术。