稀土优化压铸铝合金的方法及改性合金与流程

本发明涉及金属领域，具体而言，涉及一种稀土优化压铸铝合金的方法及改性合金。

背景技术：

铝合金具有密度小、流动性好、铸件强度高、热膨胀系数小及耐腐蚀性能高等优点，被广泛地应用于发动机缸体、缸盖、连杆等零部件中。而再生铝主要用来生产压铸件与铸件，并为制造汽车和摩托车提供初级铝锭，很难应用在对强度、韧性、耐腐蚀等性能要求较高的领域。这主要是因为再生铝的原料来自废旧铝合金，由于我国废铝回收不规范，技术落后，导致再生铝成分十分复杂，明显降低了铝合金材料的韧性、力学等性能，从而限制再生铝的应用。

技术实现要素：

本发明的第一方面，提供了一种稀土优化压铸铝合金的方法，可改善和提高合金的机械和力学性能，从而提高合计的使用领域。

本发明的第二方面，提供了一种改性合金，其可采用废旧铝材料制作而成，可提高废铝的利用率。再生合金还具有易于在多种场合使用的机械和力学特性。

本发明是这样实现的：

一种稀土优化压铸铝合金的方法。包括以稀土钇或稀土钆为改性剂，将铝合金与改性剂熔炼。

在较佳的一个示例中，熔炼合金与改性剂时，合金、改性剂均物被留置于石墨制作而成的容器内。

在较佳的一个示例中，熔炼合金和改性剂的方法包括：将合金熔化为熔液，再将改性剂置于熔液中进行熔炼。

在较佳的一个示例中，在将改性剂置于熔液中进行熔炼的步骤中，还利用石墨棒进行搅拌。

在较佳的一个示例中，熔炼合金和改性剂是在非氧化气氛中进行的。

优选地，非氧化气氛为氩气气氛，且氩气的压力为0.75mpa。

在较佳的一个示例中，铝合金的型号包括adc12、adc6。当然，其它压铸系列铝合金也可适用。

在较佳的一个示例中，按质量份数计，adc12铝合金的化学组成为如下：12.0％的si、1.51％的cu、0.81％的fe、0.96％的zn、0.23％的镁、0.22％的锰、0.19～2.0％的gr、0.19％的ni、余量的al。

在较佳的一个示例中，铝合金为adc12，熔炼铝合金和改性剂的方法包括：

将铝合金放入石墨坩埚中预热处理，再继续加热至铝合金熔化为液态铝合金，同时将稀土钇置于液态铝合金中，在搅拌的情况下进行保温、冷却。

一种改性合金，其根据前述稀土优化压铸铝合金的方法制备而成。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例提供的稀土优化压铸铝合金的方法，利用稀土钇为改性剂，其在于合金进行熔炼时，钇可以与合金中的特定的元素结合，从而使前述的特定元素被消耗，进而使得微观结构得到改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了再生合金adc12的金相显微组织；

图2示出了再生合金adc12添加1.2wt％的稀土钇后得到的改性合金的xrd图谱；

图3示出了再生合金adc12的eds图谱；

图4示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钇后，杂质铁相的显微组织；

图5示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钇后的eds图谱；

图6示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钇后的力学性能；

图7示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钆后，杂质铝相的显微组织；

图8示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钆后，杂质硅相的显微组织；

图9示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钆后，杂质铁相的显微组织；

图10示出了再生合金adc12中添加不同含量的稀土钆后，杂质铜相的显微组织。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下针对本发明实施例的稀土优化压铸铝合金的方法及再生合金进行具体说明：

本发明提供了一种稀土优化压铸铝合金的方法。改性方法包括以稀土钇或稀土钆为改性剂，将合金与改性剂熔炼。

本发明所述的改性可以是向金属(如合金)液体中加入一些物质，使其分散在金属中，并通过熔炼的方式，以改善、提高材料性能。

本发明实施例中，稀土钇可以是钇的金属单质或者合金、稀土钆可以是钆的金属单质或者合金，具体可根据需要进行选择，并发明不对其做具体的限定。

发明人已知的是：稀土钇、稀土钆的引入可以去除合合金中的杂质，同时改善合金的微观组织以及力学性能。例如，通过引入稀土钇、稀土钆可以细化初生α-al晶粒和变质共晶硅。此外，稀土钇、稀土钆还可促进铝合金的拉伸性能的提升，提高al-zr合金的电导率、抗再结晶性能，增强al-mg-si系合金的热稳定性。

此外，发明人还发现，通过在铝合金中添加稀土钇、稀土钆可以对度富铁相的细化和均匀化均具有积极的作用。

需要说明的是，本发明中所述的合金可以是再生合金或者其他的合金。一些示例是为再生铝合金，在再生铝合金的一些可选的示例是adc6、adc12，但是并不以铝合金为限制。本发明中主要以铝合金为例进行说明。作为一种示例，本发明实施例adc12铝合金，即再生铝合金。按质量份数计，adc12铝合金(再生铝合金)的化学组成为如下：12.0％的si、1.51％的cu、0.81％的fe、0.96％的zn、0.23％的镁、0.22％的锰、0.19～2.0％的gr、0.19％的ni、余量的al。

再生铝合金的熔炼的一个主要目的是：把某种配比的炉料投入熔炼炉中，经过加热至熔化得到熔体，再对熔化后的熔体进行成分调整，得到合乎要求的合金液体，并在熔炼过程中采取相应的措施控制气体及氧化夹杂物的含量，使熔体中各组元或杂质元素含量符合规定成分，保证铸件得到适当组织、高质量合金液。

作为一种可选的实现方式，一种稀土优化压铸铝合金的方法的示例包括：

(1)废铝料预处理：

首先对回收的废杂铝进行初级分类，分级堆放，对于废铝制品应进行拆解，分离与铝料连接的钢铁及其他有色金属件，然后再经清洗、破碎、磁选、除有机物、筛分、烘干等工序制成废铝料。根据熔炼铝液的重量，按照再生铝合金的组成成分百分含量，选用成分较稳定、组分含量相近的某些特定回收废铝搭配，并计算出各类废料的用量。

(2)熔炼设备准备：

实验采用中频感应熔炼炉，为保证铝合金的铸锭质量，尽可能延长熔炼炉的使用寿命，事先必须对熔炼炉进行清炉和洗炉准备工作。采用石墨坩埚作为熔炼容器，使用前先检查是否有裂纹或破损情况，用毛刷清除坩埚表面熔渣和其它脏物，避免熔炼过程混入铝液中污染熔体，然后将坩埚放入熔炼炉中指定位置。熔炼后铸造采用钢模，熔炼前采用砂纸对金属模具的内表面进行打磨，将残余的金属、氧化皮等杂物清除干净，为了保证铸造好的铸件容易脱模，在钢模内表面涂一薄层氮化硼；将准备好的钢模放入炉内的托盘上，保证熔体能顺利浇入模具中。

(3)装填再生铝料：

熔炼时，装入炉料的顺序和方法不仅关系到熔炼时间、金属的烧损、热能消耗，还会影响到合金熔体的质量和炉子的使用寿命。因此，装填炉料顺序应恰当合理。装炉时，先装小块或薄块废料，铝锭和大块料装在中间，最后装稀土钇，为了防止稀土钇在放入坩埚中直接沉入底部，采用打磨过的铝箔将稀土钇进行包裹，然后放在坩埚的中部位置。

所述的坩埚优选为石墨坩埚，即稀土钇和炉料(铝合金废料)均被放置在石墨坩埚中。向炉料中装填稀土钇之前，优选使炉料熔化为液体，即形成炉料熔液，再将稀土钇通过铝箔包裹放入熔液中。

(4)真空处理：关闭炉门、进气阀，打开冷却水阀门、排气阀，启动电源开关，然后打开机械泵进行抽真空处理，当压力显示为10^-3pa以后，关闭排气阀，打开进气阀，向熔炼炉内通氩气至0.75mpa左右后，关闭进气阀，然后循环上述操作3次，真空处理是为了去除炉内氧气，从而防止熔炼过程中发生铝的烧损，降低废铝的回收率。

真空处理可以将熔炼炉内的氧化性气体(如氧气)去除，从而使熔炼炉内的氧化性气氛被抑制，取而代之以非氧化气氛(如氩气)。

(5)加热熔化：炉料装完后即可升温熔化，熔化时先打开加热开关，缓慢将温度调至300℃，即对废铝料、坩埚等装置进行预热处理20min，然后将温度调至750℃开始升温熔化。熔化是从固态转变为液态的过程，这过程的好坏，对产品质量有决定性的影响。熔化过程中应注意防止熔体过热，为此当炉料熔化之后，应适当搅动熔体。

(6)搅拌：在熔体全部融化之后，将熔体温度调至720℃过热处理1小时，并且应进行搅拌。其目的在于不仅使熔体内各处温度均匀一致，防止熔体局部过热，而且加速稀土钇的溶解，使合金成分均匀分布。此外，熔炼炉具有的电磁搅拌系统，能够实现熔体的非接触式搅拌，在搅拌过程中对熔体不造成新的污染，因此不会改变熔体的合金成分，特别有利于控制铁的含量。该工艺过程是很重要的工序，因为密度较大的元素很容易沉底，且稀土钇的加入不可能绝对均匀，如果搅拌不彻底很容易造成熔体化学成分不均匀。随着稀土钇的加入量越来越大，搅拌的频率应当加大，保证每10min搅拌一次，搅拌应当平稳进行，不应激起太大的波浪，防止铝液飞溅出来。

当采用机械设备进行搅拌时，搅拌棒优选采用石墨棒。

(7)浇注：保温完成后，应尽快浇注，避免熔体温度降低。浇注时，开始瞬间应略慢，防止金属液溢出浇口杯和严重冲击型腔，紧接着应加快浇注速度，使浇口杯充满，做到平稳而不中断液流。浇注过程中应做到不冷隔、排气顺畅及不冲坏型芯。

(8)开模：浇注完毕后，关闭电源进行随炉冷却，然后打开炉门，取出钢模进行脱模，取出铸件，观察铸件是否合格，若有缺陷，应采取措施解决，直至合格为止。

本发明还提供了再生合金，其根据前述的稀土优化压铸铝合金的方法制备而成。

以下结合实施例对本发明的稀土优化压铸铝合金的方法及再生合金作进一步的详细描述。

实施例一

一种改性合金，其主要通过将adc12铝合金(再生铝合金)进行改性而得。adc12是日本牌号，又称12号铝料，al-si-cu系合金，是一种压铸铝合金。

所述的改性合金制备方法如下：

熔炼设备—中频感应熔炼炉。

在熔炼炉内，将再生铝合金放入石墨坩埚内加热到740℃，等铝合金完全熔化后对铝熔体进行扒渣，然后继续升温到760℃后，用铝箔包好不同含量的稀土钇，稀土钇的含量(质量分数)分别为0(参照例)、0.2％、0.5％、1.2％、2.0％，并用钟罩压入熔液中，接着用石墨棒搅拌均匀，保温20min后随炉冷却，得到编号为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ的产品。

试验例1

将实施例1中制备得到的产品ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ分别浇注为铸件，并且分别截取尺寸为12×12×12mm的试样，并分别标记为ⅰ-1、ⅱ-1、ⅲ-1、ⅳ-1、ⅴ-1产品。

对产品ⅰ-1、ⅱ-1、ⅲ-1、ⅳ-1、ⅴ-1砂纸打磨，机械抛光，用0.5％hf水溶液浸蚀，并且用酒精擦洗、吹干后制得金相试样jx-1、jx-2、jx-3、jx-4、jx-5。

在axiovert40mat型光学显微镜下观察试样金相组织形貌，用带能谱仪的扫描电镜(sem)观察、分析合金显微组织和成分，采用brukerd-8型x射线衍射仪分析合金中物相组成，在wdw-100kn电子万能试验机上测量材料力学性能，拉伸速度为0.2mm/min，不同钇含量的合金分别取3个试样进行试验，最后取其平均值。

检测及结果分析：

其中，图1为adc12铝合金的金相显微组织。采用x射线衍射仪和能谱仪分析金相组织中杂质分布情况，图2为adc12合金经过稀土钇(y的含量为1.2wt％)变质以及添加稀土钇(y的含量为0wt％)后得到的再生合金的xrd分析结果，即曲线a和曲线b。图3为adc12合金(未添加稀土钇)的eds分析结果。

从图1-3中可以看出，adc12合金凝固组织中以α-al(图1中标记a)，al-si共晶组织(图1中标记b)为主；其它杂质主要是cu、zn、fe，杂质cu主要以al2cu的形式存在，杂质zn随机均匀分布在α-al基体上，而fe则主要以β-fe(al5fesi)相(图1中标记c)的形式存在于α-al基体中。

稀土钇对β-fe相的影响：

图1中标记c处呈细长状区域为针状富铁相，经x射线衍射分析可知，该相组成主要为al5fesi，在合金凝固过程中，由于铁的溶解度较小，易与其它元素在晶界处形成金属间化合物而析出。

在adc12铝合金中添加不同含量的稀土钇后，杂质铁相的变化如图4所示，与未添加稀土钇(0wt％y)相比，可以看出富铁相的尺寸明显变小，随着钇含量的增加，β-fe相逐渐变短，并且分布由聚集状逐渐分散开，当稀土钇的添加量为1.2％时，β-fe相呈短棒状，且在基体中均匀分布，当钇含量超过1.2％时，β-fe相反而变得粗大，也在一定程度上有所聚集。

此外，在β-fe相附近生成了比较明亮的新的析出物，对1.2％钇添加量的试样进行x射线衍射分析(如图2，b曲线)，经xrd分析得出形成的新的金属间化合物为al2si2y，这可能是因为钇具有较大原子序数使得al2si2y相较为明亮。对明亮处进行能谱分析，结果如图5所示，由各成分的百分含量可知该金属间化合物为al2si2y，证明了上述的结论。

发明人认为稀土钇对β-fe相的变质(改性)机理主要如下：

1)如图2、图5所示，添加的稀土钇能够与铝熔体中的al、si反应，生成新的析出相al2si2y，它消耗了铝合金中的si，从而有效地减少了β-fe(al5fesi)相的形成。

2)由图4可知生成的al2si2y相吸附在β-fe相周围，β-fe相的生长方向受到了限制，从而阻止β-fe相的长大。

3)稀土钇形成的金属间化合物主要在晶界处聚集，这些细小的al2si2y相起着异质形核的作用，增加了β-fe相的形核率。但由图4可知，稀土钇加入量超过1.2％时，β-fe相反而变得粗大，主要是因为钇加入过量，生成了大量的金属间化合物，这些金属间化合物随着枝晶生长而被推向晶界处，然后聚集长大从而粗化，分散的细小al2si2y相减少，导致β-fe相形核减少，进而β-fe相变得粗大；此外，稀土相粗化后，在β-fe相表面的吸附作用减弱，降低了对β-fe相的抑制作用，β-fe相可以更加自由的生长。

稀土钇对adc12合金力学性能的影响：

图6为不同稀土钇添加量对再生adc12铝合金力学性能的影响，从图6可以看出，与未添加稀土钇相比，添加钇之后合金的力学性能显著改善，并且随着稀土钇的加入，adc12铝合金的抗拉强度和延伸率一定程度上都在增加；当钇的质量分数为1.2％时，adc12的力学性能达到最优，此时抗拉强度为139.66mpa，延伸率3.56％，分别比未用钇变质的合金提高了36.58％和51.24％。这是因为钇的加入后，形成了金属间化合物al2si2y，从而细化了β-fe相。发现钇是一种优良变质剂，能够有效细化初生α-al和共晶硅，减少了对基体的割裂作用，所以力学性能得到提高。当钇的含量增加到2.0％时，合金的力学性能开始降低，这是因为随着钇含量的增多，形成了较多数量的al2si2y相，并且这些金属间化合物逐渐长大，呈现粗大且较长的形貌，不仅引起应力集中，而且细化作用减弱，在一定程度上粗化了β-fe相，所以造成力学性能下降。α-al枝晶、共晶硅、金属间化合物的大小、形貌及含量都会影响合金的力学性能，当稀土钇的含量超过0.3％时，由于al2si2y相大量形成和α-al枝晶、共晶硅、β-fe相的粗化，导致再生al–0.7si–0.3mg–1.0fe合金力学性能降低。

总之，在再生adc12铝合金中添加稀土y，可以形成新的金属间化合物al2si2y相，其对β-fe相有明显的变质作用；当稀土钇的含量为1.2％时，β-fe相由原来的针状变为短棒状，且均匀分布在晶界处。al2si2y相能显著提高再生adc12铝合金的力学性能。当稀土钇的质量分数为1.2％时，adc12的力学性能达到最优，此时的抗拉强度和伸长率分别为139.6mpa和3.56％，比未加入稀土钇的合金提高了36.58％和51.24％。

实施例二

本实施例中采用稀土钆对再生铝合金(adc12)进行改性。方法请参见实施例一，其与实施例一的主要区别在：将实施例一种的改性剂(稀土钇)替换为稀土钆。

试验例二

本实验主要考察了添加了不同量的稀土钆对再生铝合金(adc12)的金相的影响。

其中，图7为分别添加不同的稀土钆的再生合金的金相显微组织中的al相形态。图8为分别添加不同的稀土钆的再生合金的金相显微组织中的si相形态。图9为分别添加不同的稀土钆的再生合金的金相显微组织中的fe相形态。图8为分别添加不同的稀土钆的再生合金的金相显微组织中的cu相形态。

金相显微组织反映了在添加了不同含量的稀土gd后，铝合金adc-12的金相显微组织结构。为未添加gd的原始adc12合金，其中没有明显的针状β-fe相的存在，并且共晶硅颗粒沿着粗糙的原铝相的枝晶间界面聚集分布。随着添加gd含量的不断增加，fe相逐渐聚集形成长棒状，继续增加稀土gd，粗大的针状β-fe相逐渐被细化，三元β-fe逐渐转变为类球形的α-fe相；共晶硅颗粒尺寸也在相应减小，分布更加均匀。之后继续增加gd的含量，又出现了粗大的β-fe相，共晶硅颗粒尺寸有增大的趋势。gd添加量为0.5wt％时得到了最好的金相显微组织。

很明显，与未添加gd的原始样相比，添加gd后试样的压缩性能都得到了相应的提升。其中0.5％gd的压缩性能最好，抗压强度达到了600mpa，提升了25％。随着gd含量的不断增加，共晶硅颗粒尺寸得到了一定的细化，致密均匀的分布在铝基体中；针状的β-fe相细化效果明显，且有少量的β-fe转化成α-fe相；cu也呈现出了细化的趋势。含量继续增加后，各个组织又有粗化的变现。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。