[发明专利]晶粒细化,铸造铝合金

说明书

技术领域

本发明描述了一种有效的用于铸造铝合金的细化晶粒的方法。使用这种新的方法获得的晶粒细化效果远远超过现有技术可能达到的效果。

本文所描述的方法是基于对铸造铝合金中Ti含量的控制以及在熔化后硼的添加。硼的添加可以通过添加Al-B基中间合金或添加诸如KBF4盐的含硼化合物来实施。硼在添加之后很快溶解在熔融合金中，并且一旦开始凝固后，硼形成对于铝的异质成核而言有效的基材。为使本方法有效，熔体的钛含量必须低于100ppm。如果钛含量高于此量，那么硼的加入将变得没有效果。

当满足所述条件时，凝固后的晶粒尺寸非常小。与现有技术不同，添加高达200ppm的硼可以容易地实现晶粒细化。使用所述新的方法进行晶粒细化，铸造铝合金的平均晶粒直径始终小于200微米。与现有技术获得的晶粒细化程度相比，该晶粒细化程度至少提高了2倍。

相比于现有技术，本发明的方法还提供了其它优点。由于成核剂不是不可溶的，而是可溶的硼化物，并且在凝固过程开始后马上形成，因此对于本发明所述方法，没有出现现有技术中常见的晶粒细化效力降低。另一方面，在现有技术中，成核剂是不可溶的硼化物并且发生漂浮或沉降，这分别取决于其密度值是否低于或高于铝熔体。现有技术的主要缺点是晶粒细化能力的损失，即减弱，本发明很好地解决了所述问题。

本发明的另一个优点是所提供的晶粒细化是在重熔操作过程中仍然有效。然而，为了在重熔操作中再次实现晶粒细化，需要避免熔融合金中Ti的富集。

本发明所提供的方法成功地对Al-Si、Al-Cu和Al-Mg基铸造合金进行晶粒细化，这些铸造合金的钛含量被控制在100ppm以下，并且为了维持它们的熔点在639℃以下，对它们的组成进行了调整。

本发明所要解决的技术问题

晶粒细化是铝铸造厂中最关键的技术之一。具有细小晶粒的铸造结构赋予铸件优秀的韧性和强度性能，同时改善加工性和表面质量。晶粒细化不仅提高铸件质量，而且还可以提高铸造工艺的效率。

铸造铝合金的晶粒细化使用的中间合金是由三元Al-Ti-B合金体系制备的。Al-5Ti-1B中间合金最为常用，由于Ti过量(Ti：B＞2.2)，除可溶的Al3Ti颗粒外，该中间合金还包含不可溶的TiB2颗粒。该中间合金已成为用于铝工业的标准晶粒细化剂，且以棒状形式加入到铝熔体中。如果熔体不含过渡元素(Zr、Cr等)(它们的硼化物比铝的硼化物更加稳定)，所述晶粒细化剂可提供特别细小的晶粒。尽管它对于连续和半连续铸造生产的锻造合金来说效果突出，但对于铸造铝合金成型铸造来说，它的效果离期望还很远。其糟糕效果与存在于铸造合金中高含量的Si的中毒有关(Si中毒)。Si与Ti反应形成Ti-Si化合物，从而降低Al₃Ti和TiB2颗粒的数量和效果。

目前，铝铸造厂使用的所用商业晶粒细化中间合金均是由Al-Ti-B合金体系制备。然而，在细化铸造铝合金的晶粒结构方面，Al-B合金比Al-Ti-B中间合金的效果要好得多(与含Ti化合物颗粒相比，在含Si的合金中，AlB2颗粒效果更好)。尽管如此，在生产高导电率铝时，Al-B合金被用来沉淀过渡元素，而不是用于细化铸造铝合金的晶粒。尽管在实验室研究中，Al-B合金的优越性已被证实，但在工业生产中Al-B合金的生产性能是不一致的。同时，锻造铝合金晶粒的尺寸远低于200微米，而铸造合金的晶粒要大得多。然而，可以在铸造合金中获得比现有技术得到的小得多的晶粒。目前，市面上可用的晶粒细化剂中间合金被开发用于锻造合金的连续铸造，但它们都无法满足铝铸件生产商的期望。

总之，在细化Al-Si铸造合金的晶粒结构时，需要能够提供更好效果的优秀的晶粒细化剂。

本发明描述了一种能够提供比现有技术所能获得晶粒结构更小的新的方法。

背景技术

对于高品质铸件来说，等轴细晶结构是必不可少的，而可靠的晶粒细化方法也是有效及成功的铸造过程所必须的。已知添加Ti可以细化铝合金的晶粒，这是由于Al-Ti二元体系中的包晶反应提供了使铝成核的Al₃Ti颗粒[1-2]。然而，为了使该机制有效，熔体中的Ti含量必须满足包晶组成，也就是说，Ti含量非常高(高达0.15重量％)[1-4]。1940-1950年的研究已经表明，当硼与Ti一起加入熔体时，晶粒细化效果明显改善，在Ti含量低得多的情况下，能够达到相同水平的晶粒细化程度[5]。因此，目前商业晶粒细化剂总是从Al-Ti-B合金体系中产生。