一种混合稀土诱导孕化Al-Si-Cu合金半固态浆料的制备方法

摘要

一种混合稀土诱导孕化Al-Si-Cu合金半固态浆料的制备方法，包括以下步骤：（1）将Al-Si-Cu合金锭放入石墨坩埚中过热熔化、精炼、除渣；（2）在熔体中加入用铝箔纸包覆的Al-5Pr-5Ce中间合金，加入量占熔体的重量百分比3wt.%~9wt.%，接着将炉升温至760~770℃，保温15~20min；（3）将预热过的超声变幅杆探头置于熔体中，间歇超声，每次间隔1~2s，每次释放2.0~2.5s，功率1.0~2.0kw，频率20kHz，总超声3~5min；（4）将炉降温至585~610℃，保温8~10min，同样条件再次间歇超声总超声60~100s，超声完后立即水淬。本发明得到的半固态组织晶粒更为细小、圆整、分布也较为均匀，完全满足半固态流变成形的需要，操作简便，安全可靠，无三废污染。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及半固态浆料的制备方法。

背景技术

半固态成形技术是一种生产效率高的近净成型技术，被誉为是21世纪新一代金属成形工艺。与传统的液态铸造相比，半固态铸造铸件的机加工量少，加工温度低，凝固收缩率小，组织和性能也得到了明显的提高。研究表明，稀土具有独特的电子层结构及物理化学性质，拥有超强的自旋耦合特性，在铝合金中加入少量的稀土即能起到诱导孕化效果，合金的显微组织及力学性能均能得到一定程度的改善，而且对熔体还有净化和除气的作用。此外，在相同条件下，相对单一稀土而言，混合稀土的诱导孕化效果更好。然而，在实际情况下制备混合稀土诱导孕化铝合金时会发生一些稀土的偏聚，导致孕化不均匀，最终会使得混合稀土在铝熔体中的局部过浓，容易发生包晶反应，产生夹杂物。

半固态浆料的制备是半固态成形的关键，其制备方法主要有机械搅拌法、等温热处理法、电磁搅拌法、近液相线法、超声振动法等。其中的机械搅拌法存在如下缺点：金属熔液容易被搅拌器污染腐蚀，而且时间长了易卷入气体、夹杂物，存在搅拌死区，影响半固态坯料的质量。其中的等温热处理法存在如下缺点：加热温度、保温时间等工艺参数较难控制。电磁搅拌法存在如下缺点：设备投入较大，装置电磁间隙大，漏磁严重，很大一部分能量不能用于金属熔体的搅拌，大大增加了生产成本。近液相线法存在如下缺点：制备周期较长、很难精确控制熔体的浇注温度。超声振动法与其它方法相比缺点较少，其作用于熔体时会产生声空化和声流效应，声空化效应产生的高温高压冲击波在破碎晶粒、促进形核和破坏边界层等方面具有十分重要的作用，而声流效应在熔体中引起的声流能以较大的速度进行运动，声流的流线总体上属于环流特征，其在熔体中产生的搅拌力能有效促使溶质场的均匀化。最重要的一个优点是，超声振动法可在较短时间内获得理想的非枝晶半固态组织，真正实现高效率、低能耗。此外，有研究表明，超声振动法中的间歇超声除具有上述功能外，还能避免超声对熔体的附加热影响及有效防止已经分散的细小晶粒间的重熔、团聚。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合稀土诱导孕化铝合金半固态浆料的制备方法。

本发明所述的制备方法，包括以下步骤。

（1）将Al-Si-Cu合金锭放入石墨坩埚中过热至740~750℃使铝块完全熔化，精炼、除渣；

（2）在步骤（1）的熔体中加入用铝箔纸包覆的Al-5Pr-5Ce(即Pr和Ce的质量分数各占5wt.%)中间合金，中间合金的加入量占熔体的重量百分比为3wt.%~9wt.%，接着将炉升温至760~770℃，保温15~20min。

（3）将预热过的超声变幅杆探头置于熔体中，对熔体施加间歇超声，每次超声间隔时间为1~2s，每次超声释放时间为2.0~2.5s，超声功率为1.0~2.0kw，超声频率为20kHz，总超声时间为3~5min。

（4）上述超声完后将炉降温至585~610℃，静置保温8~10min，接着再次对熔体施加间歇超声，每次超声间隔时间为1~2s，每次超声释放时间为2.0~2.5s，超声功率为1.0~2.0kw，超声频率为20kHz，总超声时间为60~100s，超声完后立即水淬获取半固态组织。

本发明中Pr和Ce都属于轻稀土，活性较强，Pr的密度是6.59g/cm³，原子半径是0.183nm，而Ce的密度是6.68g/cm³，原子半径是0.182nm，可见Pr和Ce的原子半径及密度十分接近，在制备中间合金时两者的固溶度较大，相容性较好，更易结合，制备出的稀土中间合金的均匀性更好，其产生的孕化叠加效果也更好。此外，当溶质和溶剂的原子半径相对差大于15%时，合金体系中只能形成低固溶度的固溶体，经计算可得，Pr与Al两者之间的原子半径相对差约为27.97%，Ce与Al两者之间的原子半径相对差约为27.27%，所以Pr和Ce进入初生相α-Al晶格内的概率较低，即混合稀土Pr/Ce在合金熔体中的溶解度较小，故在熔体凝固过程中，Pr/Ce很容易在固液界面前沿富集，从而阻碍溶质原子的扩散，最终促使组织中α-A1晶粒形貌由原来的粗大枝晶状向蔷薇状及细小近球状转化，而α-A1相的细小圆整及形核过程对铝合金良好半固态的制备起到了至关重要的作用。并且稀土Pr和Ce与铝合金熔体中的Al、Si、Fe、Cu元素合成的稀土金属间化合物能够有效阻碍原子向固相粒子的聚集和结合，抑制了固相粒子的长大，从而使半固态非枝晶组织变得更加细小。因此，混合稀土Pr/Ce诱导孕化铝合金半固态浆料的制备是一个很好的选择。

本发明在制备铝合金的半固态浆料过程中添加混合稀土Pr/Ce诱导孕化能够制备出较好的半固态组织，而在制备Pr/Ce诱导孕化铝合金的过程中施加适宜参数的高能间歇超声能够使混合稀土弥散地分布在熔体中，消除稀土的偏聚，避免有害夹杂物的产生，最终使得熔体内各个部分都孕化均匀，最终使得组织中的α-A1晶粒得到进一步的改善。随后当熔体温度降至半固态区间时，对熔体再次施加适宜参数的高能间歇超声能够进一步改善凝固环境，在较短时间内促使晶粒的增殖和细化，最终能够制备出更为理想的半固态组织。因此，将二次间歇超声技术与混合稀土Pr/Ce诱导孕化相结合来制备铝合金的半固态浆料这一新方法的研究具有重要的意义和广阔的拓展前景。

本发明所述的铝合金是一种Al-Si-Cu合金，其中Si的质量百分比为10.5wt.%~11.5wt.%，Cu的质量百分比为3.0wt.%~3.5wt.%，余量为Al。

本发明得到的混合稀土诱导孕化铝合金的半固态组织晶粒更为细小、圆整、分布也较为均匀，完全满足半固态流变成形的需要，而且操作简便，安全可靠，无三废污染。

附图说明

图1为本发明实施例2条件下制备的Pr/Ce诱导孕化Al-Si-Cu合金半固态的光学显微组织。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

(1)将Al-Si-Cu合金锭放入石墨坩埚中过热至740℃使铝块完全熔化，接着精炼、除渣。

(2)在步骤（1）的熔体中加入用铝箔纸包覆的Al-5Pr-5Ce(即Pr和Ce的质量分数各占5wt.%)中间合金，中间合金的加入量占熔体的重量百分比为3wt.%，接着随炉升温至760℃再保温15min。

(3)将预热过的超声变幅杆探头置于熔体中，对熔体施加间歇超声，每次超声间隔时间为1s，每次超声释放时间为2.0s，超声功率为1.0kw，超声频率为20kHz，超声时间为3min。

(4)上述超声完后再随炉降温至610℃时静置保温8min，接着再次对熔体施加间歇超声，超声时间变为60s，其它超声参数与步骤（3）相同，超声完后立即水淬获取半固态组织。

实施例2。

(1)将Al-Si-Cu合金锭放入石墨坩埚中过热至745℃使铝块完全熔化，接着精炼、除渣。

(2)在步骤（1）的熔体中加入用铝箔纸包覆的Al-5Pr-5Ce(即Pr和Ce的质量分数各占5wt.%)中间合金，中间合金的加入量占熔体的重量百分比为6wt.%，接着随炉升温至765℃再保温18min。

(3)将预热过的超声变幅杆探头置于熔体中，对熔体施加间歇超声，每次超声间隔时间为2s，每次超声释放时间为2.0s，超声功率为1.5kw，超声频率为20kHz，超声时间为4min。

(4)上述超声完后再随炉降温至595℃时静置保温9min，接着再次对熔体施加间歇超声，超声时间变为80s，其它超声参数与步骤（3）相同，超声完后立即水淬获取半固态组织，见附图1。

实施例3。

(1)将Al-Si-Cu合金锭放入石墨坩埚中过热至750℃使铝块完全熔化，接着精炼、除渣。

(2)在步骤（1）的熔体中加入用铝箔纸包覆的Al-5Pr-5Ce(即Pr和Ce的质量分数各占5wt.%)中间合金，中间合金的加入量占熔体的重量百分比为9wt.%，接着随炉升温至770℃再保温20min。

(3)将预热过的超声变幅杆探头置于熔体中，对熔体施加间歇超声，每次超声间隔时间为2s，每次超声释放时间为2.5s，超声功率为2.0kw，超声频率为20kHz，超声时间为5min。

(4)上述超声完后再随炉降温至585℃时静置保温10min，接着再次对熔体施加间歇超声，超声时间变为100s，其它超声参数与步骤（3）相同，超声完后立即水淬获取半固态组织。

从图1可以看出，采用本发明得到的Pr/Ce诱导孕化Al-Si-Cu合金的半固态组织晶粒更为细小、圆整、分布也较为均匀，完全满足半固态流变成形的需要，而且实践证明，在一定的条件下，与利用单一超声或混合稀土诱导孕化来制备铝合金半固态浆料的方法相比，该方法获得的半固态组织更为理想。此外，该操作也较简便，易于实施，安全可靠，无三废污染。