一种提升铝合金力学性能的复合细化变质方法

摘要

本发明为一种提升铝合金力学性能的复合细化变质方法。该方法包括以下步骤：将A356.2合金熔化，精炼3～5min；再依次将Al‑2Sc中间合金和Al‑10Sr中间合金加入到合金液中，其中，Sc的质量百分比为0.02‑0.08%，Sr的质量百分比为0.02‑0.03%，且质量比Sc：Sr=2:1‑4:1来计算；再保温8‑12min后，通入氩气再次精炼3～5min；再静置5～10min后，得到细化变质的A356.2铝合金。本发明在A356.2铝合金中加入微量的稀土Sc元素与Sr元素，并合理设计Sc/Sr比值，使得A356.2合金中的晶粒显著减小，实现较好的细化效果。其抗拉强度和延伸率分别达到了208.39MPa、9.87%，较传统细化变质剂分别提高了4%、26.2%。

说明书

技术领域

本发明的技术方案属于铝合金材料的熔炼与加工领域，具体地说是一种提升A356.2铝合金力学性能的复合细化变质方法。

背景技术

近年来，雾霾成为了困扰人们生活的难题，而造成雾霾的元凶之一就是汽车尾气的排放，解决此问题最为有效的方法之一就是轻量化。铝合金具有质轻、安全性好、舒适度高、造型容易和节省油耗等优势，已成为了当今汽车轻量化最理想的首选材料。A356.2铝合金由于具有良好的铸造性能和综合力学性能，问世不久就被应用于汽车工业。然而，由于A356.2铝合金铸态组织中存在粗大的柱状晶和树枝晶，且未经变质处理的共晶硅呈针状或板条状分布于晶界，这些组织会在很大程度上限制铝合金的性能，因此在铸造过程中，有必要对A356.2铝合金进行细化、变质处理。

目前，人们在铝合金工业中通常采用的细化剂有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金，其中Al-5Ti-B是应用最为广泛的晶粒细化剂，而对共晶硅形态的变质一般采用Al-Sr中间合金。Al-5Ti-B合金的细化效果主要取决于基体中的TiB₂、Al₃Ti相的形状、尺寸等。但TiB₂化合物在随后的成型过程中易发生偏聚、结块、产生缺陷。此外，在细化含有锆、铬、钒、锰等元素的合金时，细化剂中的TiB₂相颗粒会与合金中的上述元素发生反应从而削弱TiB₂对合金的细化作用，即发生所谓的“中毒”现象。Al-Sr合金在变质亚共晶铝硅合金时具有变质效果较好、变质有效时间长等优点，然而由于Sr的化学性质非常活泼，在添加的过程中非常容易烧损，且极易使铝液吸氢而产生针孔等缺陷，使组织的致密性降低，影响合金的力学性能。

随着铝合金细化剂、变质剂应用的日益成熟，对铝合金细化剂、变质剂的要求也越来越高，绿色、高效的细化剂、变质剂正在成为新型细化剂、变质剂的发展趋势。国内不少企业、研究单位开展了关于稀土Sc元素的工作，如“一种含钪铸造耐热铝合金及其制备方法”(CN101186987A)；“钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金及其制备方法”(CN101838760A)；“稀土Sc微合金化的Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法”(CN103993209A)；“一种铝合金材料及其制备方法”(CN105734367A)；“一种含Sc的高Mg铝合金扁铸锭的制造方法”(CN105950923A)。这些专利技术都公开了在铝合金中加入的稀土Sc可以和铝反应生成Al₃Sc，其晶体结构和点阵常数都与Al基体非常相似，符合作为非均质形核核心的条件，有利于非均质形核，达到细化晶粒的目的。此外，已有研究表明，稀土元素具有非常高的化学活性，与H、O及许多非金属杂质元素具有很强的化学亲和力。稀土与铝液中的氢容易发生反应生成稳定的稀土氢化物，这些难熔稀土氢化物可随浮渣捞出，从而起到固氢、除气的作用，降低铸件的针孔率，提高铸件的力学性能。但由于稀土的价格昂贵，在实际应用上受到了很大的限制，因此，通过微量稀土元素与其他细化变质剂的复合添加成为了近年来研究的重点。

发明内容

本发明的目的为针对当前A356.2合金细化变质存在的不足，提供一种铝合金细化变质的方法。该方法通过Al-2Sc、Al-10Sr两种中间合金的加入，利用Sr对A356.2合金的变质作用，Sc对A356.2合金的细化作用，通过定量调整Sc：Sr的比例来实现对合金的细化变质的定量控制，从而实现对合金的力学性能的调控，满足交通轨道等领域的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种提升铝合金力学性能的复合细化变质方法，包括以下步骤：

第一步：配料：将A356.2合金、Al-2Sc中间合金和Al-10Sr中间合金分别洗涤、烘干，备用，其中，配料比按照细化变质后合金中，Sc的质量百分比为0.04-0.08％，Sr的质量百分比为0.02-0.03％，且质量比Sc：Sr＝2:1-4:1来计算；

第二步：熔化：将A356.2合金加入到预热温度为270-290℃的石墨坩埚中，然后再升温到730-750℃，恒温下使A356.2合金完全熔化；

第三步：待A356.2合金完全熔化后，除去浮渣，将氩气通入合金液中至坩埚底部进行精炼3～5min；

第四步：再静置5～10min后，依次将Al-2Sc中间合金和Al-10Sr中间合金加入到合金液中；

第五步：保温8-12min后，通入氩气再次精炼3～5min；

第六步：再静置5～10min后，去除表面浮渣，将合金液浇铸于铸铁模具中，空冷，最后得到细化变质的A356.2铝合金。

所述的氩气的浓度均为体积百分比99.99％

所述的配料比中Sc的质量百分比优选为0.055％-0.065％。

与已有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在A356.2铝合金中加入微量的稀土Sc元素与Sr元素，并合理设计Sc/Sr比值，使得A356.2合金中的晶粒显著减小，实现较好的细化效果。

2、本发明在A356.2铝合金中加入微量的稀土Sc元素和Sr后，共晶硅呈球状颗粒，可见Sc不影响Sr对共晶硅的变质效果，可以显著提高合金的综合机械性能。当用含0.06％Sc的Al-2Sc和0.02％Sr的Al-10Sr细化变质A356.2合金后，其抗拉强度和延伸率分别达到了208.39MPa、9.87％，较传统细化变质剂分别提高了4％、26.2％。

3、本发明的细化变质过程简单快捷，易操作，在生产过程中对设备要求不高，便于实现工业化生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1分别为实施例二中Al-2Sc、Al-10Sr与对比例中Al-Ti-B、Al-Sr加入A356.2合金后铸态下的金相图；

其中，图1a为实施例二中A356.2在加入0.06％Al-2Sc、0.02％Al-10Sr细化变质处理后的100倍金相图，图1b为对比例中A356.2在加入0.02％Al-Ti-B、0.02％Al-10Sr细化变质处理后的100倍金相图，图1c为实施例二中A356.2在加入0.06％Al-2Sc、0.02％Al-10Sr细化变质处理后的500倍金相图，图1d为对比例中A356.2在加入0.02％Al-Ti-B、0.02％Al-10Sr细化变质处理后的500倍金相图；

图2为各实施例中A356.2合金的力学性能。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，本发明以下实例仅是对技术方案的证明和佐证，并不限定保护范围仅限于此。

本发明是以Al-2Sc中间合金作为细化剂,以Al-10Sr中间合金作为变质剂,细化变质对象为A356.2铝合金。三种合金的具体成分见下表：

实施例一

备料：首先将A356.2合金锭锯切成100g左右的小块，用去离子水冲洗干净后，再用无水乙醇清洗后烘干，再分别将Al-2Sc和Al-10Sr中间合金放入盛有无水乙醇的烧杯中置于超声清洗仪中超声震荡清洗后烘干，备用；(以下实施例同，不再述)

将782.14gA356.2合金铸锭加入到预热温度为280℃的石墨坩埚中，然后再升温到730℃，待合金在电阻炉中完全熔化后，撇去表面浮渣，将高纯氩气(体积百分比浓度为99.99％)通入合金液中至坩埚底部约1/4处进行精炼3min；静置5min后，去除表面浮渣，将16.52gAl-2Sc和1.62gAl-10Sr中间合金(Sc占A356.2合金的质量分数为0.04％，Sr占A356.2合金的质量分数为0.02％)用纯铝箔包覆并加入到合金液中；保温10min后，通入高纯氩气再次精炼3min；静置5min后，去除表面浮渣，将合金液缓慢浇铸于铸铁模具中，空冷，然后清理铸件，得到细化变质的铝合金。

从铸件相同位置切取10×10×10mm³的试样，选取相同位置的一面进行典型的金相观察处理，采用Keller试剂(2.5mLHNO₃+1.5mLHCl+1mLHF+95mLH₂O)对试样进行表面腐蚀，腐蚀时间控制在30s；然后用酒精清洗试样表面并且吹干(用于观察其微观组织)。在铸锭上取拉伸试样，用砂轮机和锉刀打磨试样的飞边，打磨平整后，为避免试样在加工过程中造成的直径不同对结果产生影响，用游标卡尺旋转测量直径三次，记录平行段两端和中间处的直径，得到试样的实际横截面积。利用UTM5105X万能电子试验机进行拉伸性能测试(参考标准为GB/T228.1-2010),采用位移控制方式，拉伸速度为0.5mm/min。

实施例二

将774.27gA356.2合金铸锭在电阻炉中熔化，加入24.86gAl-2Sc和1.64gAl-10Sr中间合金(Sc占A356.2合金的质量分数为0.06％，Sr占A356.2合金的质量分数为0.02％)作为细化变质剂，其他参数及操作步骤同实施例一。

图1a与图1c分别为本实施例制得的A356.2铝合金在铸态100倍与500倍金相组织照片。通过图1a与图1b的对比可以看出，与目前工厂最常用的Al-Ti-B、Al-Sr细化变质相比，用Al-Sc、Al-Sr进行细化变质的A356.2铝合金二次枝晶间距为20.09μm，较传统细化变质的A356.2合金二次枝晶间距(27.1μm)降低了25.86％，即其细化效果更加好；通过图1c与图1d的对比可以看出，共晶硅都呈球状颗粒，可见Sc不影响Sr对共晶硅的变质效果。

实施例三

将766.24gA356.2合金铸锭在电阻炉中熔化，加入32.86gAl-2Sc和1.63gAl-10Sr中间合金(Sc占A356.2合金的质量分数为0.08％，Sr占A356.2合金的质量分数为0.02％)作为细化变质剂，其他参数及操作步骤同实施例一。

对比例

将797.26gA356.2合金铸锭在电阻炉中熔化，保持温度在730℃，待合金完全熔化后，撇去表面浮渣，将高纯氩气通入合金液中至坩埚底部约1/4处进行精炼3min；静置5min后，去除表面浮渣，将1.61gAl-10Sr和1.64gAl-Ti-B中间合金用纯铝箔包覆并加入到合金液中；保温10min后，通入高纯氩气再次精炼3min；静置5in后，去除表面浮渣，将合金液缓慢浇铸于铸铁模具中，空冷，然后清理铸件。

图1b与图1d分别为将本对比例中Al-Ti-B、Al-Sr中间合金分别以0.2％的含量加入到A356.2铝合金后，铸态A356.2铝合金的100倍与500倍金相组织照片。从图中可以看出二次枝晶间距较小，即α-Al的细化效果较好；A356.2铝合金中的共晶硅也由传统的尖角状变质为较长的纤维状组织。

表1表示Al-Sc、Al-Sr复合细化变质与用Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质的A356.2铝合金的二次枝晶间距值。

表1

表1直观表现出分别经Al-Sc、Al-Sr复合细化变质与Al-Ti-B、Al-Sr细化变质的铸态A356.2铝合金的二次枝晶间距值，从表1中二次枝晶间距值的变化可以看出与目前工业中常用的Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质相比，Al-Sc、Al-Sr的细化效果略优。考虑到Al-Ti-B、Al-Sr复合细化变质中TiB₂的团聚等问题，因此Al-Sc、Al-Sr复合细化变质的发展前景更好。

通过各实施例的结果即图1和图2可以看出，从实施例一到实施例三，经过Al-Sc、Al-Sr复合细化变质后，A356.2合金的二次枝晶间距较传统细化变质方法都出现了降低，而共晶硅的形态基本都呈细小的颗粒状。合金的力学性能也均得到了不同程度的提高，其中Sc：Sr为3:1时最佳。当用含0.06％Sc的Al-2Sc和0.02％Sr的Al-10Sr中间合金(Sc：Sr为3:1)细化变质A356.2合金后，其抗拉强度和延伸率分别达到了208.39MPa、9.87％，较传统细化变质剂分别提高了4％、26.2％。因此可以通过定量调整Sc：Sr的比例来实现对合金的细化变质的定量控制，从而实现对合金的力学性能的调控。在实际应用过程中，可根据所处环境决定所需材料强度与韧性的高低，从而选择合适配比的Al-Sc、Al-Sr细化变质剂。

本发明未尽事宜为公知技术。