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CN113667850A - 一种废杂铝合金制备zl111的方法 - Google Patents

一种废杂铝合金制备zl111的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废杂铝合金制备ZL111的方法，包括(1)将待处理的废杂铝合金称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在730℃‑760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；(2)待步骤(1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al‑20Mn、Al‑30RE进行精炼变质，将杂质Fe与Cu转化为细小弥散的增强相，保温20min后扒渣、过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；加入纯铜块、Al‑30Si、Al‑10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min；(3)将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到铸锭。本发明可使再生铝合金中难以除去的杂质转化为增强相，同时稀土元素镧、铈、钇有效细化合金组织，对硅相进行变质，使得合金具有高的纯净度。

Description

一种废杂铝合金制备ZL111的方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种废杂铝合金制备ZL111的方法。
背景技术
车用铝制品使用中常与Fe和Cu基部件配合或利用Fe基连接件进行组装，在废杂铝回收拆分过程中无法有效去除。因此，再生铝合金最为显著的成分特点是其Fe和Cu含量较高，而Fe和Cu又是导致铝合金热裂缺陷的主要有害元素，同时熔体中往往存在夹杂多、合金相粗大、气体含量高等实际问题，使得再生铝合金的保级利用技术难度大，回收后的再生铝合金其力学性能远远低于一次铝合金制品。因此在制造过程中，这类再生铝合金的热裂倾向很大，生产成品率较低，制造成本高。传统废铝再生聚集于降低铝熔体中杂质元素含量或者改善非铝夹杂元素在铝合金中的存在形式，通常处理后仍然存在较多难去除杂质，故大多只能降级使用。
公开号为CN103740947A的中国发明专利公开了一种废铝再生中去除铁和硅杂质的方法，通过加入硼砂、氯化锰、氯化钙、氧化钙等原料，之后进行静置，达到除铁的作用。但是铝合金中Fe含量并非越低越好，由于富铁相具有高硬度和良好的热稳定性等特点，富铁相的存在能提高铝合金的耐磨和耐热性能，同时，一定的Fe含量有利于改善铝合金铸件的粘模性。
文献【Ma Z，Samuel E，Mohamed A，et al.Parameters controlling themicrostructure of Al-11Si-2.5Cu-Mg alloys[J].Materials&Design，2010，31(2)：902-912.】对比了添加Mn、Cr、Sr对Al-Si合金中富铁相形貌和尺寸的影响，发现随着Mn、Fe含量上升容易产生星状富铁相，且容易成为应力集中区域。公开号为CN108893662B的中国发明专利公开了一种高耐磨再生铝合金及其制备方法，其通过高Mn及少量B、RE等变质Fe形成富铁相提高合金耐磨，其中富铁相最高达31.2％，但是铸铝中铁含量过高容易产生脆性，降低使用寿命。
总体而言，大多数现有技术只通过添加1～2种混合稀土及其他合金元素变质，较少关注多种稀土对铝合金熔体的复合改善作用，且较少考虑投入生产的成本问题。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种废杂铝合金制备ZL111的方法，该方法能够优化制备的铝合金组织，将合金中多余的Fe、Cu转变为内生析出相，并且还可对铝合金中的硅相进行变质，细化组织。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种废杂铝合金制备ZL111的方法，包括以下步骤：
(1)原材料熔炼：将待处理的废杂铝合金称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在730℃-760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；
(2)精炼及合金成分调整：待步骤(1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，将杂质Fe与Cu转化为细小弥散的增强相，保温20min后扒渣、过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；
(3)铸造成型：将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到铸锭。
步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si8.0～10.0wt.％，Mg 0.4～0.6wt.％，La 0.1～0.5wt.％，Ce 0.1～0.5wt.％，Y 0.1～0.5wt.％，Ti 0.1～0.35wt.％，Mn 0～0.35wt.％，Fe 0～0.8wt.％，Cu 1.3～2.5wt.％，其他杂质＜0.1wt.％，余量为Al，且Y、La和Ce作为稀土元素，总量不超过1wt.％。
优选地，步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分为：Si 8.0～10.0wt.％，Mg 0.4～0.6wt.％，La 0.1～0.3wt.％，Ce 0.1～0.3wt.％，Y 0.1～0.3wt.％，Ti 0.1～0.35wt.％，Mn 0～0.35wt.％，Fe 0～0.6wt.％，Cu 1.3～1.8wt.％，其他杂质＜0.05wt.％，余量为Al。
进一步地，本发明步骤(3)中所述的浇注温度区间是：650～700℃。
进一步地，本发明步骤(3)中所述的模具的预热温度为200～250℃。
进一步地，根据最终制备的再生铝合金中Cu含量要求，步骤(2)的合金成分调整时还根据需要加入纯铜。
本发明是涉及的理论基础及原理如下：
再生铝精炼过程中Fe是最为常见的杂质元素，而Cu则容易超标；
对于Fe的转化：通过对铝熔体中添加Mn及Ce，Fe易形成Al15(Fe，Mn)3Si2、(Fe、Mn)Al6、CeFe5等相，同时La能使长针状富铁相破碎，从而细化其尺寸；
对于Cu的转化：一方面Cu在铝合金中可生成Al2Cu增强相，提高合金硬度，另一方面，RE在再生铝熔体中与Cu结合，生成Al-Cu-RE相，有效降低Cu元素对于热裂的危害性，将杂质转换为α-Al相的异质形核位点；
本发明聚集于将非铝元素转变为内生析出相，即通过引入稀土等元素，将再生铝熔体中难以去除的杂质转化为细小弥散的增强相，从而提高再生铝的纯净度及性能，以实现汽车废铝的保级再生，解决现有技术中存在的问题。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明的配方可使再生铝合金中难以除去的杂质转化为增强相，同时稀土元素镧、铈、钇有效的细化合金组织，对硅相进行变质，使得合金同时具有高的纯净度。
(2)本发明的制备方法制备的再生铝合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，能够有效改善铝合金的力学性能。
(3)本发明的制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用传统成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，有利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地说明，以下实施例均在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明选择废杂铝合金作为原料，经熔炼、铸造、均匀化处理，并测试组织性能，作为对比例，需要说明的是，对比例的目的仅仅在于更好地理解本发明的技术特点和有益效果。
对比例1
本对比例以废杂铝合金制品为原材料，经简单分拣并打包后投入熔炼铝熔炼，然后经铸造成型，均匀化处理，获得再生铝合金铸锭。直接从熔体取样测试其成分，合金的组成及其质量百分比为：Si：9.5％，Fe：0.8％，Mn：0.2％，Mg：0.6％，Cu：2.5％，Ti：0.3wt.％，余量为Al。
本对比例所述的再生铝合金的制备方法，制备工艺过程及其参数如下：
1)废杂铝合金熔炼：将废杂铝合金制品进行分拣、称量、熔炼，然后进行熔体精炼处理。加入精炼剂和除渣剂进行精炼除渣，控制处理温度为720℃，处理后静置保温30min，得到再生铝合金熔体。
2)铸造成型：将铝熔体浇注进普通金属型铸造成型，模具预热温度为200～300℃。
对铸造成型的对比例1铸锭制备金相试样进行组织观察，随后进行力学性能测试，其室温拉伸力学性能为：抗拉强度180MPa；断裂伸长率1.3％。
实施例1 Al-8.2Si-0.4Mg-2Cu-0.2Mn-0.8Fe-0.2Ti-0.1La-0.1Ce-0.1Y(wt.％)再生铝合金的制备
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
1)原材料熔炼：将对比例1得到的再生铝称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；
2)精炼及合金成分调整：待步骤1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；
3)铸造成型：先将模具在200℃预热10min，随后待步骤2)中制得铝合金熔体降温至690℃，进行浇注然后将得到的棒材空冷到室温。
步骤2)所述合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si：8.2wt.％，Mg：0.4wt.％，Mn：0.2wt.％，La：0.1wt.％，Ce：0.1wt.％，Y：0.1wt.％，Ti：0.2wt.％，Fe：0.8wt.％，Cu：2.0wt.％，余量为Al。其中Fe、Cu以Al15(Fe，Mn)35i2、(Fe、Mn)Al6、CeFe5、Al2Cu、Al-Cu-RE等形式存在。
本实施例得到的高品质再生铝合金其室温拉伸力学性能为：抗拉强度191MPa；断裂伸长率1.4％。
实施例2 Al-9.8Si-0.6Mg-1.3Cu-0.35Mn-0.1Ti-0.2La-0.15Ce-0.2Y(wt.％)再生铝合金的制备
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
1)原材料熔炼，将对比例1得到的再生铝称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；
2)精炼及合金成分调整，待步骤1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；
3)铸造成型，先将模具在200℃预热10min，随后待步骤2)中制得铝合金熔体降温至690℃，进行浇注然后将得到的棒材空冷到室温。
步骤2)所述合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si：9.8wt.％，Mg：0.6wt.％，Mn：0.35wt.％，La：0.2wt.％，Ce：0.15wt.％，Y：0.2wt.％，Ti：0.1wt.％，Fe：0wt.％，Cu：1.3wt.％，余量为Al。其中Cu以Al2Cu、Al-Cu-RE等形式存在。
本实施例得到的高品质再生铝合金其室温拉伸力学性能为：抗拉强度210MPa；断裂伸长率1.9％。
实施例3 Al-9.2Si-0.45Mg-2.5Cu-0.1Mn-0.4Fe-0.35Ti-0.2La-0.3Ce-0.3Y(wt.％)再生铝合金的制备
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
1)原材料熔炼，将对比例1得到的再生铝称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；
2)精炼及合金成分调整，待步骤1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入纯铜、Al-30Si、Al-10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；
3)铸造成型，先将模具在200℃预热10min，随后待步骤2)中制得铝合金熔体降温至690℃，进行浇注然后将得到的棒材空冷到室温。
步骤2)所述合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si：9.2wt.％，Mg：0.45wt.％，Cu：2.5wt.％，Mn：0.1wt.％，Fe：0.4wt.％，La：0.2wt.％，Ce：0.3wt.％，Y：0.3wt.％，余量为Al。其中Fe、Cu以Al15(Fe，Mn)38i2、(Fe、Mn)A16、CeFe5、Al2Cu、Al-Cu-RE等形式存在。
本实施例得到的高品质再生铝合金其室温拉伸力学性能为：抗拉强度195MPa；断裂伸长率1.6％。
上述再生铝合金的制备方法，能够使制得的铝合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，有效改善再生铝合金的组织且能使制备的再生铝合金具有高纯净度；同时，该制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用铸造成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，利于产业化应用，减低技术难度与生产成本。
铝合金拉伸测试：参照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试的铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率。采用一般铸造方式得到不同成分配方的拉伸试棒(直径6.4mm*标距50mm)，采用型号为Labsans 30kN的电子万能试验机进行拉伸性能测试，标距为50mm，加载速率为2mm/min，其测试结果如下表1：
表1
Figure BDA0003148489080000051
本发明实施例中的配方及制备方法具有以下有益效果：
1、本发明的配方可使制备的铝合金具备良好的力学性能：稀土元素镧、铈、钇有效的将难去除的杂质转化为增强相，细化了晶粒，并且使得合金同时具有较高强度(210MPa)和塑性(1.9％)；
2、本发明的配方制备原料成本低廉：该配方使用储量丰富、价格低廉的轻稀土元素对铝合金熔体进行除杂，能够大大减低生产成本；
3、本发明的制备方法简单可靠，易于推广，该制备方法采用普通铸成型工艺，能够适应不同场合的制备要求，有利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种废杂铝合金制备ZL111的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)原材料熔炼：将待处理的废杂铝合金称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在730℃-760℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；
(2)精炼及合金成分调整：待步骤(1)熔炼的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，将杂质Fe与Cu转化为细小弥散的增强相，保温20min后扒渣、过滤，其中RE为La、Ce、Y的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比加入Al-30Si、Al-10Mg中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；
(3)铸造成型：将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到铸锭；
步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si 8.0～10.0wt.％，Mg 0.4～0.6wt.％，La 0.1～0.5wt.％，Ce 0.1～0.5wt.％，Y 0.1～0.5wt.％，Ti 0.1～0.35wt.％，Mn 0～0.35wt.％，Fe 0～0.8wt.％，Cu 1.3～2.5wt.％，其他杂质＜0.1wt.％，余量为Al，且Y、La和Ce作为稀土元素，总量不超过1wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种废杂铝合金制备ZL111的方法，其特征在于：所述步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分为：Si 8.0～10.0wt.％，Mg 0.4～0.6wt.％，La 0.1～0.3wt.％，Ce 0.1～0.3wt.％，Y 0.1～0.3wt.％，Ti 0.1～0.35wt.％，Mn 0～0.35wt.％，Fe 0～0.6wt.％，Cu 1.3～1.8wt.％，其他杂质＜0.05wt.％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种废杂铝合金制备ZL111的方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述的浇注温度区间为650～700℃。
4.根据权利要求1所述的一种废杂铝合金制备ZL111的方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述模具的预热温度为200～250℃。
5.根据权利要求1所述的一种废杂铝合金制备ZL111的方法，其特征在于：所述步骤(2)合金进行成分调整时还加入纯铜。
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