一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbBRE晶粒细化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铸造铝合金用的细化剂，更特别地说，是指一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂。
【背景技术】
[0002]铸造AlSi合金由于良好的力学性能和优良的铸造性能在工业中得到广泛应用。对合金进行晶粒细化，可获得致密的合金组织，同时也能减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而可以提高合金的综合性能。最常用且有效的细化方法即向合金中添加晶粒细化剂。目前人们一般采用Al-T1、A1-T1-C或者Al-T1-B中间合金作为铝合金的晶粒细化剂，其中Al-T1-B细化剂已得到较广泛的应用，近来，由于RE具有优异的物理化学性能，人们也开始将RE作为合金的细化或者变质剂，研究其对铝合金性能的影响。
[0003]但是上述已有的细化剂对冷却速度敏感，在不同的冷速速度下具有不同的细化效果，这使得其在应用于铸造具有不同壁厚、形状复杂的零部件时，在薄壁(具有相对较高的冷却速度)及厚壁(具有相对较低的冷却速度)处细化效果有差异，不利于合金部件综合性會K白勺?是1? O
[0004]随着工业的发展，目前铸造的零部件尺寸越来越来大，外形越来越复杂，因此为了提高铸造合金的综合性能，迫切需要开发具有低冷速敏感性高形核能力的细化剂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是开发一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力的晶粒细化剂及其制备方法，以解决目前常用细化剂在工业实际应用中细化效果对冷却速度敏感性大的瓶颈问题。本发明还公开了制备该种细化剂的方法。
[0006]本发明是一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbBRE晶粒细化剂，该AlNbBRE晶粒细化剂的成分为Al-xNb-yB-zRE，其中，0.01<x < 6wt% ,0.01<y < 3wt% ,0.0Kz < Iwt%，余量为Al。
[0007]所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂中稀土元素RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合。
[0008]所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂中包含的杂质化学元素有:Fe < 0.2wt% ； Cu < 0.1wt % ； Mn < 0.1wt % ； Zn < 0.1wt % ；Ga < 0.05wt% ； S < 0.05wt%。
[0009]本发明的制备一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力AlNbBRE晶粒细化剂的方法，其特征在于包括有下列步骤:
[0010]步骤一，配料；
[0011]将原材料按Al-xNb-yB-zRE目标成分配比准确计算和称量；其中，0.01<x <6wt% ,0.0l<y < 3wt% ,0.0l<z < Iwt%，余量为Al。
[0012]步骤二，熔炼辅助材料准备
[0013]采用除尘器将石墨坩祸、模具、钟罩内壁、撇渣勺清理干净，在200?300°C条件下预热2?3h，并在模具、钟罩、撇渣勺表面均匀刷涂保护性涂料，以避免其与铝液接触时将铁等杂质带入铝液，
[0014]100重量份的保护性涂料中有22%重量份的白垩粉、4%重量份的水玻璃和余量的水。
[0015]步骤三，熔化
[0016]将坩祸安装在电阻炉中，放入已称量好的铝块，开始加热，待铝块熔化后，加入覆盖剂，以防止铝锭氧化，继续热至800?900°C，用钟罩将已称量好的B原料及Nb原料压入铝液中，继续加热15?30min后，加入Al-RE原料，继续加热15?30min。恪化期间每隔1min搅拌一次，每次搅拌后都要加入覆盖剂，以防止铝熔体氧化；
[0017]100重量份的覆盖剂中有50%重量份的NaCl和50%重量份的KC1。
[0018]步骤四，精炼；
[0019]待所有原料熔化后，加入精炼剂至到铝熔体底部，充分搅拌5?20min后，静置10?20min后，得到精炼后的溶液以备浇注；
[0020]100重量份的精炼剂中有50%重量份的C2Cl6和50%重量份的Na2SiF6t3
[0021]步骤五，浇注；
[0022]将精炼后的溶液扒渣后，浇注入已备好的模具中，从而得到Al-xNb-yB-zRE细化剂。
[0023]本发明的优点:
[0024]①本发明制备的晶粒细化剂具有较高的形核能力，采用其对铸造铝合金进行细化处理，细化效果比目前传统使用的细化剂更优异。
[0025]②本发明制备的晶粒细化剂对冷却速度敏感性低，采用其应用于铸造具有不同壁厚、形状复杂的零部件时，在薄壁即具有相对较高的冷却速度及厚壁即具有相对较低的冷却速度处细化效果变化程度小。
[0026]③采用本发明制备的晶粒细化剂对铸造铝合金进行细化处理后，合金的机械性能得到显著提高，尤其是铸件具有较低冷速部位的性能提高程度大，显著降低了具有不同冷却速度各部位之间性能的差异，有利于合金部件综合性能的提高。
[0027]④采用本发明的方法制备的Al-Nb-B-RE晶粒细化剂，能精确地控制细化剂的成分，所得细化剂中杂质化学成分低，有利于后续的使用效果。
[0028]⑤采用本发明的方法制备Al-Nb-B-RE晶粒细化剂，所用B、RE等原材料可以采用多种不同的形式，熔炼工艺过程简单，易操作控制，
[0029]⑥采用本发明制备的低冷速敏感高形核能力晶粒细化剂亦能提高铸造铝合金中共晶硅的变质效果。
【附图说明】
[0030]图1是采用实施例1方法制得的Al-2Nb-B-0.4La-0.6Ce晶粒细化剂对ZLlOl铝合金进行细化后的宏观照片。
[0031]图2是采用市售的Al-5T1-B晶粒细化剂对ZLlOl铝合金进行细化后的宏观照片。
[0032]图3是试样3与试样4的细化效果随冷却速度的变化曲线。
[0033]图4是采用市售的Al-5Ti_B细化剂正常生产车轮轮辐抗拉强度图。
[0034]图5是采用实施例3方法制得的Al-3Nb-0.6B-0.6La_0.4Ce细化剂所得车轮轮辐抗拉强度图。
[0035]图6是采用市售的Al-5Ti_B细化剂正常生产车轮内轮缘的抗拉强度图。
[0036]图7是采用实施例3方法制得的Al-3Nb-0.6B-0.6La_0.4Ce细化剂制得车轮内轮缘的抗拉强度图。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0038]一种铸造铝合金用低冷速敏感高形核能力晶粒细化剂，其成分为Al-xNb-yB-zRE，其中，0.01<χ< 6wt% ,0.01 <y < 3wt% ,0.01 <z < Iwt %，余量为 Al。
[0039]所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂中稀土元素RE为La、Ce、Nd、Er、Gd、Y、Yb、Sc中的一种或者两种以上的混合。
[0040]所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂中包含的杂质化学元素有:Fe < 0.2wt% ；Cu < 0.1wt% ；Mn < 0.1wt% ；Zn < 0.1wt% ;Ga < 0.05wt% ;S < 0.05wt%。
[0041 ]所述的低冷速敏感高形核能力Al-Nb-B-RE晶粒细化剂制备过程中，A1是以Al块的形式，Nb以Al-Nb中间合金的形式，B以氟硼酸钾(KBF4)或者Al-B中间合金的形式，RE以RE块或者Al-RE中间合金的形式，通过坩祸电阻炉熔炼方法制备而得到的。
[0042]本发明提出了一种制备低冷速敏感高形核能力晶粒细化剂的方法，其包括有如下步骤:
[0043]步骤一，配料；
[0044]将原材料按Al-xNb-yB-zRE目标成分配比准确计算和称量；其中，0.01<x <6wt% ,0.01 <y < 3wt% ,0.01 <z < Iwt%，余量为Al。
[0045]Al元素是以Al块的形式配料；
[0046]Nb元素以Al-Nb中间合金块的形式配料；
[0047]B元素以氟硼酸钾(KBF4)粉末或者Al-B中间合金块的形式配料；
[0048]RE稀土元素以RE块或者Al-RE中间合金块的形式配料。
[0049]块体的尺寸(长宽)为IcmX Icm?5cmX 5Cm0
[0050]步骤二，熔炼辅助材料准备
[0051 ]采用除尘器将石墨坩祸、模具、钟罩内壁、撇渣勺清理干净，在200?300°C条件下预热2?3h，并在模具、钟罩、撇渣勺表面均匀刷涂保护性涂料，以避免其与铝液接触时将铁等杂质带入铝液，
[0052]在本发明中，100重量份的保护性涂料中有22%重量份的白垩粉、4 %重量份的水玻璃和余量的水。
[0053]步骤三，熔化
[0054]将坩祸安装在电阻炉中，放入已称量好的铝块，开始加热，待铝块熔化后，加入覆盖剂，以防止铝锭氧化，继续热至800?900°C，用钟罩将已称量好的B原料及Nb原料压入铝液中，继续加热15?30min后，加入Al-RE原料，继续加热15?30min。恪化期间每隔1min搅拌一次，每次搅拌后都要加入覆盖剂，以防止铝熔体氧化；
[0055]在本发明中，100重量份的覆盖剂中有50%重量份的NaCl和50%重量份的KC1。
[0056]步骤四，精炼；
[0057]待所有原料熔化后，加入精炼剂至到铝熔体底部，充分搅拌5?20min后，静置10?20min后，得到精炼后的溶液以备浇注；
[0058]在本发明中，100重量份的精炼剂中有50%重量份的(:2(:16和50%重量份的Na2SiF6。
[0059]步骤五，浇注；
[0060]将精炼后的溶液扒渣后，浇注入已备好的模具中，从而得到Al-xNb-yB-zRE细化剂。
[0061]采用本发明方法制备Al-xNb-yB-zRE晶粒细化剂，熔炼工艺过程简单，易操作控制，能精确地控制细化剂的成分，所得细化剂中杂质化学成分低，有利于后续的使用效果。将制备的Al-xNb-yB-zRE晶粒细化剂对铸造AlSi合金进行晶粒细化，细化效果优异，且有助于共晶Si的变质效果;对形状复杂、薄厚不同的铸件各部位(冷却速度不同)细化效果的冷速敏感性较低，细化后合金的机械性能得到显著提高，尤其是铸件具有较低冷速部位(厚壁部位)的性能提高程度大，显著降低了具有不同冷却速度各部位之间性能的差异，有利于合金部件综合性能的提尚。
[0062]实施例1
[0063]Al-2Nb-B-0.4La_0.6Ce晶粒细化剂及其制备方法。
[0064]步骤一，配料；
[0065]制100重量份的Al-2Nb-B-0.4La_0.6Ce目标成分，所需的原料为20重量份的Al-1 ONb、I重量份的纯度为99.5%的氟硼酸钾(KBF4)粉末、0.4重量份的纯度为99.0%的金属镧(La)、0.6重量份的纯度为99.0%的金属铈(Ce)、以及余量的尺寸为5cmX 5cm的Al块。
[0066]步骤二，熔炼辅助材料准备
[0067]采用除尘器将石墨坩祸、模具、钟罩内壁、撇渣勺清理干净，在220°C条件下预热3h，并在模具、钟罩、撇渣勺表面均匀刷涂保护性涂料，以避免其与铝液接触时将铁等杂质带入招液，
[0068]在本发明中，100重量份的保护性涂料中有22%重量份的白垩粉、4 %重量份的水玻璃和余量的水。
[0069]步骤三，熔化
[0070]将坩祸安装在电阻炉中，放入已称量好的铝块(尺寸5cmX5cm)，开始加热，待铝块熔化后，加入覆盖剂，以防止铝锭氧化，继续热至830°C，用钟罩将已称量好的氟硼酸钾粉末(用铝箔包裹)及Al-1ONb原料压入铝液中，继续加热20min后，加入RE原料，继续加热15min。熔化期间每隔1min搅拌一次，每次搅拌后都要加入覆盖剂，以防止铝熔体氧