一种Al-V-Ti-B晶粒细化剂及其制备和应用方法技术

本发明专利技术公开了一种Al

【技术实现步骤摘要】
一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂及其制备和应用方法


[0001]本专利技术属于晶粒细化
，更具体地，涉及一种Al
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V
‑
Ti
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B晶粒细化剂及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]理想的铸锭组织是铸锭整个截面上具有均匀、细小的等轴晶，这是因为等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工，提升最终制得的产品性能。要得到这种组织，通常需要对熔体进行细化处理，而凡是能促进形核、抑制晶粒长大的处理，都能细化晶粒。目前，晶粒细化技术已经成为提高金属材料组织和性能的重要手段，其主要包括动态晶粒细化和变质处理。
[0003]其中，动态晶粒细化就是对熔融金属进行振动和搅动，一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目。当前已采取的方法有机械搅拌、电磁搅拌、音频振动及超声波振动等。通过搅动和震动液穴中的熔体，增加了熔体与冷凝壳的热交换，液穴中的熔体温度降低，过冷带增大，破碎了结晶前沿的骨架，出现了大量可作为结晶核的枝晶碎块，从而使晶粒细化。但是，这种细化方法通常需要购置较为复杂和昂贵的设备，操作安装精度要求高，实际使用时会产生较高的能耗且细化效果有限，使用效果并不理想。
[0004]变质处理是向金属液中添加少量活性物质，促进液体金属内部生核或改变晶体成长过程的一种方法，生产中常用的变质剂有形核变质剂和吸附变质剂。其中，吸附变质剂的特点是熔点低，能显著降低合金的液相线温度，原子半径大，在合金中固溶量小，在晶体生长时富集在相界面上，阻碍晶体长大，又能形成较大的成分过冷，使晶体分枝形成细的缩颈而易于熔断，促进晶体的游离和晶核的增加。但是其缺点是由于存在于枝晶和晶界间，常引起热脆。形核变质剂的作用机理是向熔体中加入一些能够产生非自发晶核的物质，使其在凝固过程中通过异质形核而达到细化晶粒的目的。形核变质剂的加入方式一般是以化合物或中间合金的形式加入。
[0005]如今，铝合金因其密度小、比强度高、高强韧性以及铸造性能优异等特点，已广泛应用于汽车、航空航天等领域，且铝合金中的铝硅合金在某些领域内的使用效果十分突出。因此，如何提高铝合金尤其是铝硅合金的力学性能也变得越来越重要。现有技术中，晶粒细化是提高铝合金的力学性能的重要手段之一。其中，通过加入形核变质剂是细化铝合金的主要手段之一。
[0006]对于形核变质剂的选择，铝合金一般选含Ti、Zr、B、C等元素的化合物作晶粒细化剂即形核变质剂。但是对于硅含量较高(＞4wt.％)的铝硅合金，如牌号为A356的铝硅合金，现有的商用铝合金细化剂，如Al
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Ti
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B中间合金，其细化效果并不理想。研究表明添加Al
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Ti
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B中间合金后除了会出现沉降问题外，更重要的一点是其中起细化作用的TiB2颗粒会被铝硅合金中原有的Si原子毒化而失去其原有的细化效果。而Al
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B、Al
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Nb
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B、Al
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Ti
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Nb
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B等中间合金虽然受Al
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Si铸造合金中Si元素的影响较小，但仍有较大局限。Al
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B中间合金加入
到铝合金中后，B元素很容易被Ti、Zr等杂质元素原子吸附沉降；Al
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Nb
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B中间合金由于其中的最主要的细化颗粒NbB2颗粒与Al相比密度差异明显，会在短时间内(<30分钟)沉降到保温炉底部成为炉渣；Al
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Ti
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Nb
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B中间合金对Nb含量要求很高，导致成本过高。因此，实际工业生产中迫切需要一种更经济更高效的铝硅合金细化剂。
[0007]中国专利申请号为：CN201910574449.1，公开日为：2019年8月23日的专利文献，公开了一种铸造铝硅合金用Al
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V
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B细化剂、其制备方法及应用，Al
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V
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B细化剂的化学元素组成和质量百分比为铝80.0
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95.8％，钒2.1
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10.0％，硼2.1
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10.0％；其物相组成由基体为铝固溶体α
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Al和颗粒尺寸为2
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100微米的质点颗粒构成，质点颗粒物相为同时包含VAl3相、VB2相和AlB2相。在铸造铝硅合金应用中，使铸造铝硅合金中α
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Al的晶粒尺寸细化至220微米以下。其制备方法为氟盐法，包括以下步骤：先进行原料的称量；再进行Al
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V
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B合金熔炼。
[0008]中国专利申请号为：CN201811226151.3，公开日为：2019年1月11日的专利文献，公开了一种晶粒细化剂，分子式为Al
x
V
y
B
z
R
100
‑
x
‑
y
‑
z
，其中R为对被细化合金无害的元素；各个元素百分含量分别为：x为20～99.8wt.％，y为0.1～40wt.％，z为0.1～40wt.％。同时，该专利技术还公开了上述细化剂的制备方法和具体应用。
[0009]上述两个方案均为用于铝硅合金的颗粒细化剂，但是，在实际使用时发现，针对硅含量较高的铝硅合金，虽然两件方案中的晶粒细化剂的细化作用不会受到硅元素的影响，但是对工业生产中铝硅合金的整体细化效果却并不理想，尤其是针对于一些特殊需求领域的铝硅合金的铸造进行使用时，细化效果往往不够稳定或是达不到预期值，导致最终铸造成的铝硅合金的力学性能达不到使用要求，进而导致铝硅合金具体应用时出现问题。出现上述问题的主要原因是工业生产中往往要求细化剂添加量在合金熔体中的质量占比≤0.5％。之所以对添加量进行限制，一方面是出于对成本的考虑，一方面防止过多的细化剂添加污染金属熔体。当然，为了获得较好的细晶效果，人们往往在合金熔体中加入较多的细化剂。比如，CN201910574449.1中细化剂添加量占合金熔体质量的2％。虽然最终获得较好的细晶效果，但是在工业生产中却很难被接受。因此，如果制备出添加量小于1％，甚至0.5％，同时还具有良好细晶效果的细化剂成为当前急需解决的问题，具有重要的应用价值。此外，在实际工业生产中通常要求细化剂能够在金属熔体中保温4个小时而不发生沉降退化现象。这就要求细化剂中有效形核颗粒细小且弥散分布。因此，如何制备出达到上述要求的细化剂颗粒对该细化及的商业应用至关重要。

技术实现思路

[0010]1、要解决的问题
[0011]针对现有的晶粒细化剂对特殊需求领域的铝硅合金的铸造的细化效果不理想的问题，本专利技术提供一种Al
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂的化学成分及其质量百分比为：V：0.1
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10wt.％，B：0.1
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10wt.％，Ti：0.1
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10wt.％，余量为Al、不影响细化效果的元素和无法避免的杂质元素；所述晶粒细化剂中，0.25≤(V+Ti)与B的原子比≤2。2.根据权利要求1所述的一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂中，0.3≤(V+Ti)与B的原子比<0.8。3.根据权利要求2所述的一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂，其特征在于：所述晶粒细化剂含有(V/Ti)B2颗粒，(V/Ti)B2颗粒的平均粒径小于2μm且95％以上的(V/Ti)B2颗粒的粒径小于3μm。4.一种权利要求1
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3中任意一项所述的Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂的制备方法，包括以下步骤：一、配料根据设定的Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂的组分范围配置V源、B源、Al源和Ti源；二、熔炼原料将V源、B源、Al源和Ti源置于设定温度下混合熔炼并搅拌，形成充分反应后的熔体；三、凝固变形使步骤二形成的熔体冷却，形成细化剂合金材料，然后将细化剂合金材料通过塑性变形制成所需规格的线材。5.根据权利要求4所述的一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二的具体过程为：在900～1200℃下混合熔炼V源、B源、Al源，保温0.5～2h并进行搅拌和扒渣；接着向熔体中加入Ti源，在900～1100℃下熔炼，保温0.5～2h并进行搅拌和扒渣，形成充分反应后的熔体。6.根据权利要求4所述的一种Al
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V
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Ti
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B晶粒细化剂的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云虎，周灿云，刘利兵，赵江涛，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：