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CN111349822B - 一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材及制备方法 - Google Patents

一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝‑钛‑硼‑锶‑稀土合金线材及制备方法，各成分重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶＝90‑110：20‑30：10‑15：3‑8：3‑8。该合金线材能够取代需要细化和变质分别处理的合金，在制备过程中使用均质与挤压处理，通过热处理和外力多次作用使产品晶粒更加细小，分布均匀，比传统产品更加高效。

Description

一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材及制备方法，属于铝合金技术领域。
背景技术
铝合金组织的细化和变质处理是获得优良铝合金性能的必要手段。为细化α晶粒，人们开发了Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等不同元素和不同元素含量的细化剂(如AlTi10、AlTi5B1、AlTi5B0.2、AlTi5C0.2等)，以适应不同的铝合金产品细化处理。同时，为了改变铝合金中第二相的形貌和尺寸，又必须对铝合金进行变质处理，如亚共晶Al-Si合金采用锶变质处理。为此人们开发了不同成分的AlSr合金变质剂(如AlSr5、AlSr10等)对铝硅合金中的铝硅共晶相进行变质处理。
传统的变质细化处理中，当变质剂加入进熔体后，因变质作用有一定的孕育期，Sr元素在熔体中处于游离态时才能够发挥其变质作用，当细化剂含量相对于变质剂含量过高时，Sr与细化剂中的B反应生成了Sr4B，降低了Sr的变质效果，使得共晶Si相不能够形成均匀的短棒状形态造成力学性能的下降。因此若细化剂过多，细化剂除提供形核点外，还会与Sr结合，造成变质效果不足。而且细化剂和变质剂的投入量和投入时间都很难控制从而大大削弱了材料的功能，为了达到效果不得不添加更多的量，从而加大了生产成本。
现有的细化和变质技术和产品虽然能够在一定程度上解决大部分不同铝合金细化和变质处理的需要，但对于特殊要求的变形铝合金，特别是对于连续铸造的变形铝合金产品(如4000系Al-Si合金产品)变质和细化处理，一般采用炉内AlSr10变质加在线AlTi5B1细化处理相结合的处理方法。但是AlSr10炉内变质处理和AlTi5B1在线细化处理都产生了明显的不足，因为AlSr10合金的炉内处理会产生大量Sr损失，并且Sr损失随着静置时间的延长而不断氧化烧损，特别是当铝液搅动或者翻滚时更加严重。随着时间的延长，铸坯中的锶含量逐渐降低，导致部分铸坯变质不足，而且锶氧化烧损的同时还伴随铝液严重吸气。而AlTi5B1的在线细化流槽加入过程中，AlTi5B1的典型缺点是Ti、B元素下沉，沉积在流槽、过滤箱体和流盘底部等地方，Ti、B的严重集聚导致合金表面缺陷，轧制和挤压产品都会出现线性条纹缺陷等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材及制备方法，该合金线材能够取代需要细化和变质处理的合金，同时克服现有变质材料的缺点。本发明在制备过程中使用了均质与挤压处理，通过热处理和外力的多次作用使得产品的晶粒更加细小，分布更加均匀，从而使产品的使用效果比传统产品更加高效。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材，成分重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶为90-110：20-30：10-15：3-8：3-8。
所述成分重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶为100：25：12：5：5。
所述镧铈混合稀土的重量百分比组成为：镧35％、铈65％。
一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭放入熔炼炉熔化，随后放流至电磁感应炉中，加热至700～800℃，得到铝液，备用；
(2)将氟钛酸钾和氟硼酸钾充分混合后，边搅拌边加入铝液中，加完后继续搅拌10min，充分发生铝热反应，形成铝钛硼合金液；
(3)用铁勺将完全反应后的合金液表面的漂浮物氟铝酸钾舀出，并在合金液表面撒上2kg氧化铝粉末/吨铝液，中和处理未被舀干净的液态氟铝酸钾，并扒出表面形成的固体渣料；
(4)按1.5kg精炼剂/吨铝液的比例，将精炼剂撒在合金液表面，并不断搅拌合金液15min，使精炼剂与合金液充分接触，吸附合金液中杂物，然后将合金液表面的浮渣扒出；
(5)升温合金液至800～900℃，将镧铈混合稀土加入合金液中并搅拌至稀土完全溶解在合金液中，形成铝钛硼稀土合金液；
(6)升温铝钛硼稀土合金液至900～1000℃，将金属锶用涂有石墨保护涂料的钟罩压入合金液中，反应3～5min后，引入强力石墨转子进行机械搅拌15～20min；
(7)将铝钛硼锶稀土合金液自然降温至800～850℃，用工具浇铸成Φ80mm×600mm的铝合金棒材；
(8)将合金棒材放入均质铝中加热至450～470℃，保温1h后在单向卧式挤压机上进行一次挤压，挤压成Φ12mm的单根线材；
(9)将挤压线材使用连续挤压机进行二次连续加压并融合，挤压后的合金线直径Φ9.5mm，收卷，得到连续的铝钛硼锶稀土合金盘圆卷线。
所述步骤(4)精炼剂为氯化钠、氯化钾和氟化钙的混合物，其中氯化钠、氯化钾、氟化钙的重量比为4:4:2。
所述步骤(5)镧铈混合稀土为在电阻炉中加热至200～300℃，使其表面水分完全烤干的稀土。
所述步骤(6)搅拌过程中合金液温度保持在900～950℃，转子转速为300～500转/分。
本发明有益效果：
1、本发明所述的合金线材是一种变质细化合金材料，它同时拥有变质和细化的功能，传统变质细化工艺处理是分别添加变质剂和细化剂，使用本发明合金只需要一次性添加而且是在线添加，减少了传统工艺中炉前添加产生的烧损，可以达到更好的变质细化效果，不仅能减少添加过程中给铝合金熔体带来的污染，还可以为减少生产成本。
2、传统锶变质工艺不易掌握，由于在高温添加过程中锶的氧化或者蒸发导致锶吸收率低、潜伏期长(约为0.5-1小时)且变质时效为1.5-2小时、铸件容易出现针孔，甚至得不到变质充分的铸件，使得下游用户在生产过程只能小批量的生产，而且在线变质工艺时间浪费多，生产效率低。但本发明产品融合了稀土及钛元素后，晶粒扩散速度明显增强，几乎无变质潜伏期，且变质时效可延长到3小时以上，使下游用户得以大批量的连续生产，生产效率至少提高一倍，且不用担心变质失效。
3、本发明在合金线材中添加了稀土元素，使变质细化材料中的TiAl3尺寸减小、TiB2分布更均匀弥散，大大提高了产品的细化效果，延长了细化时间。在使用过程中该合金线材中的Ti2Al20RE颗粒在铝液中能迅速溶解释放出稀土元素，增大铝液粘度和形核颗粒TiB2的表面活性，促进快速形核并阻碍TiB2的凝聚和沉淀，从而达到更好的细化效果。
4、本发明所述的合金线材采用合理的元素配比，通过物料添加顺序、温度等工艺条件的设定，使用均质与挤压处理，通过热处理和外力的多次作用使得合金线材的晶粒更加细小，分布更加均匀，克服了传统工艺弊端，从而使产品的使用效果比传统产品更加高效；而且本发明的合金线材变质效果时间长，变质好，用量小，无烟尘等出现，利于环保。
5、在铝硅合金中加入本发明产品后，共晶硅的形态发生了改变，由粗大晶粒演变成了杆状或球状，并且在热处理后，硅相的形态更加圆滑，改善了合金的强度，同时初晶相也发生了形态改变，晶粒更加细化，合金的强度和塑性也有增强。
附图说明
图1为本发明产品和AlTi5B1产品金相对比；
其中(a)为本发明产品的金相图，(b)为AlTi5B1产品的金相图；
图2为加入本发明产品前后的A356铝合金液金相组织图；
其中(a)为加入前A356铝合金液的金相组织图，(b)为加入本发明产品后的金相组织图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式进一步详细说明。
实施例1一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法
一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材，其成分的重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶＝100：25：12：5：5；镧铈混合稀土中按重量百分比的组成：镧35％、铈65％。
该铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5000kg铝锭放入熔炼炉熔化，随后放流2000kg铝液至电磁感应炉中加热至750℃，备用；
(2)将500kg氟钛酸钾和240kg氟硼酸钾充分混合后，边搅拌边加入铝液中，加完后继续机械搅拌10min，充分发生铝热反应，形成铝钛硼合金液；
(3)用铁勺将完全反应后的合金液表面的漂浮物氟铝酸钾舀出，并在合金液表面撒上4kg氧化铝粉末，中和处理未被舀干净的液态氟铝酸钾，并扒出表面形成的固体渣料；
(4)将3kg精炼剂撒在合金液表面，并不断搅拌合金液15min，使精炼剂与合金液充分接触，吸附合金液中的其它夹杂物，然后将合金液表面的浮渣扒出；其中精炼剂为氯化钠、氯化钾和氟化钙，氯化钠、氯化钾、氟化钙的重量比为4:4:2；
(5)升温合金液至850℃，将100kg镧铈混合稀土加入合金液中并搅拌至稀土完全溶解在合金液中，形成铝钛硼稀土合金液；其中稀土事先在电阻炉中加热至200～300℃，使其表面水分完全烤干；
(6)升温铝钛硼稀土合金液至950℃，将100kg金属锶用涂有石墨保护涂料的钟罩压入合金液中，反应3～5min后，引入强力石墨转子进行机械搅拌15～20min，温度保持在900～950℃，转子转速为300～500转/分钟；
(7)将铝钛硼锶稀土合金液自然降温至800～850℃，用工具浇铸成Φ80mm×600mm的铝合金棒材；
(8)将合金棒材放入均质铝中加热至450～470℃，保温一小时后在单向卧式挤压机上进行一次挤压，挤压成Φ12mm的单根线材；
(9)将挤压线材使用conform挤压机进行二次连续加压并融合，挤压后的合金线直径Φ9.5mm，收卷，得到连续的铝钛硼锶稀土合金盘圆卷线产品。
实施例2本发明产品的性能分析和应用试验
1.金相分析
对本发明产品和现有AlTi5B1铝合金产品的金相图片进行对比，如图1所示。
结果表明本发明在合金线材中添加了稀土元素，使变质细化材料中的TiAl3尺寸减小、TiB2分布更均匀弥散，大大提高了产品的细化效果，延长了细化时间。在使用过程中该合金线材中的Ti2Al20RE颗粒在铝液中能迅速溶解释放出稀土元素，增大铝液粘度和形核颗粒TiB2的表面活性，促进快速形核并阻碍TiB2的凝聚和沉淀，从而达到更好的细化效果。
通过研究本发明产品对A356铝合金液金相组织的影响。
按铸造铝合金锭国家/行业标准要求熔制好A356铝合金液后，在放流铸造流槽内按2kg/吨铝液比例添加本发明产品，再经除气、铝熔体过滤后铸成样品。结果表明，A356铝合金液精炼前金相组织α-Al基体晶粒粗大，加入本发明产品后，共晶硅的形态发生了改变，晶粒演变成了杆状或球状；并且在热处理后，硅相的形态更加圆滑，改善了合金的强度，同时初晶相也发生了形态的改变，晶粒更加细化，合金的强度和塑性也有了增强。(见图2)
2.主要性能参数
对本发明所得合金线材的性能强度与现有AlTi5B1产品对比，如表1所示。结果显示，本发明产品的最大拉应力、抗拉强度、屈服强度等性能参数均比AlTi5B1产品有优势。
表1本发明产品与AlTi5B1产品的性能比较
最大拉应力/N 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/％
本发明产品 12032 156.3 150.2 25.5
AlTi5B1产品 9749 146.6 76.9 19.3

Claims (5)

1.一种铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，其特征在于，各原料成分重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶为90-110：20-30：10-15：3-8：3-8；所述镧铈混合稀土的重量百分比组成为：镧35%、铈65%；
所述制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭放入熔炼炉熔化，随后放流至电磁感应炉中，加热至700 ~ 800℃，得到铝液，备用；
（2）将氟钛酸钾和氟硼酸钾充分混合后，边搅拌边加入铝液中，加完后继续搅拌10min，充分发生铝热反应，形成铝钛硼合金液；
（3）用铁勺将完全反应后的合金液表面的漂浮物氟铝酸钾舀出，并在合金液表面撒上2kg氧化铝粉末/吨铝液，中和处理未被舀干净的液态氟铝酸钾，并扒出表面形成的固体渣料；
（4）按1.5kg精炼剂/吨铝液的比例，将精炼剂撒在合金液表面，并不断搅拌合金液15min，使精炼剂与合金液充分接触，吸附合金液中杂物，然后将合金液表面的浮渣扒出；
（5）升温合金液至800 ~ 900℃，将镧铈混合稀土加入合金液中并搅拌至稀土完全溶解在合金液中，形成铝钛硼稀土合金液；
（6）升温铝钛硼稀土合金液至900 ~ 1000℃，将金属锶用涂有石墨保护涂料的钟罩压入合金液中，反应3 ~ 5 min后，引入强力石墨转子进行机械搅拌15 ~ 20 min；
（7）将铝钛硼锶稀土合金液自然降温至800 ~ 850℃，用工具浇铸成Φ80 mm×600 mm的铝合金棒材；
（8）将合金棒材放入均质铝中加热至450 ~ 470℃，保温1h后在单向卧式挤压机上进行一次挤压，挤压成Φ12mm的单根线材；
（9）将挤压线材使用连续挤压机进行二次连续加压并融合，挤压后的合金线直径Φ9.5mm，收卷，得到连续的铝钛硼锶稀土合金盘圆卷线。
2.如权利要求1所述的铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，其特征在于，所述各原料成分重量比为：金属铝：氟钛酸钾：氟硼酸钾：镧铈混合稀土：金属锶为100：25：12：5：5。
3.如权利要求1所述的铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）精炼剂为氯化钠、氯化钾和氟化钙的混合物，其中氯化钠、氯化钾、氟化钙的重量比为4:4:2。
4.如权利要求1所述的铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）镧铈混合稀土为在电阻炉中加热至200 ~ 300°C，使其表面水分完全烤干的稀土。
5.如权利要求1所述的铝-钛-硼-锶-稀土合金线材的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）搅拌过程中合金液温度保持在900 ~ 950℃，转子转速为300 ~ 500转/分。
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