專利名稱：：改善型鋁鑄造合金用晶粒細化鋁鈦硼母合金的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)鋁鈦硼母合金片料(tablet)的方法，該母合金片料用于促進在鋁鑄造合金中形成均勻分布的較小等軸晶粒。在鋁鑄件、鑄錠、板坯、帶材中，粒度是一項重要的工業(yè)考慮因素，并且通常有利的是提供高度的晶粒細化。因而，近年來向熔融鋁添加母合金以在固化后實現(xiàn)細小等軸晶粒(其原本易于粗化和柱狀化)成為慣例。細小等軸晶粒結(jié)構(gòu)賦予鑄件以高韌性、高屈服強度、優(yōu)異的成型性，良好的表面光潔度和改善的機加工性。另外，可靠的晶粒細化實踐避免了因出現(xiàn)較大柱狀晶粒而可能導(dǎo)致的熱撕裂和多孔性，使得鑄造速度能夠顯著提高，并且通過細化第二相的分布來改善鑄造結(jié)構(gòu)的均勻性。因而，晶粒細化合金在鑄錠、板坯和帶材的鑄造中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種鋁鑄造在世界范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)實踐。
背景技術(shù)：
：已經(jīng)公知，向鋁合金添加鈦會通過經(jīng)包晶反應(yīng)形成的初生Al3Ti相使α-鋁成核，而引起所得鑄件晶粒細化。已經(jīng)表明，添加硼會因亞包晶濃度下的鈦而顯著地改善鋁的晶粒細化。A.Cibula,J.Inst.Met.，76(1949-1950)321-360。因此，Al-Ti-B母合金作為潛在的鋁合金用晶粒細化劑而出現(xiàn)。如今存在多種該類型的商用晶粒細化劑。美國專利第3,857,705號、第4，298，408號、第4，612，073號和第4，873，OM號中公開了這些合金的實例。美國專利第6，228，185號、第5，415，708號、第5，484，493號、第3，961，995號、第3，785，807號、第5，104，616號，GB-A-2，257，985號、GB-A-2，259，308和GB-A-2，259，309和多篇文章中公開了用于生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑合金的多種方法。D.G.McCartney，Int.Mater.Rev.,34(1989)247；B.S.Murty等，J.Mater.Process.Tecnol.，89-90(1999)152-158；B.S.Murty等，Int.Mater.Rev.，47(2002)3-29；Μ.S.Lee和B.S.Terry,MaterSciTechnol.，7(1991)608—612；Μ.J.Jackson和I.D.Graham,J.Mater.SciLett.，13(1994)754—756；Μ.S.Lee,B.S.Terry和P.Grieveson,Metall.Trans.B.，24B(1993)955-961；Q.Zhuxian等，Aluminium，64(1988)1254-1257；I.G.Davies等，MetallTrans.,1(1970)275-280；I.Maxwell和A.Hellawell,ActaMetall，23(1975)895-899;K.A.Q.0'Reilly等，Scr.Metall.Mater.，28(1993)173-177；Τ.S.Krishnan等，J.Alloy.Compd.，269(1998)138-140；Μ.G.Chu,Mater.Sci.Eng.，A179-180(1994)669-675；C.S.Sivaramakrishnan和R.Kumar，LightMetalAge,10(1987)30-34；C.D.Mayes和D.G.McCartney,Mater.Sci.Tech.,9(1993)97-103；Μ.Μ.Guzowski等，Metall.Trans.，18A(1987)603-619。本發(fā)明描述了一種合成Al-Ti-B合金的方法，該合金具有不溶性AW2和可溶性Al3Ti顆粒以使鋁鑄造合金的晶粒細化效率最大化。該方法依賴于鋁和K2TiF6之間的固相反應(yīng)來在已預(yù)先形成AW2顆粒的混合物中產(chǎn)生Al3Ti顆粒。當(dāng)向熔融鋁添加KBF4和K2TiF6鹽時，將不可避免地優(yōu)先形成更穩(wěn)定的兩種潛在的硼化物，TiB2。即使在順次添加鹵化物鹽以首先形成AW2時，由于TW2比AW2更加穩(wěn)定，技術(shù)人員會意識到一旦將K2TiF6添加到熔體中，根據(jù)3K2TiF6+3Al&+Al3Ti&+3KAlF4+K3AlF6，AlB2將立即轉(zhuǎn)換為TiB2。本發(fā)明的方法不僅避免了AW2向TW2轉(zhuǎn)變，而且提供了意外的微觀結(jié)構(gòu)特征。由K2TiF6和鋁之間的固相反應(yīng)產(chǎn)生的Al3Ti顆粒比用現(xiàn)有技術(shù)制得的Al-Ti/Al-Ti-B母合金中獲得的那些顆粒更小，從而得到優(yōu)異的晶粒細化性能。本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金的方法，該母合金含有10%的鈦，0.2%3%的硼以及余量主要為鋁，其中，所得合金含有直徑小于20微米的Al3Ti顆粒和精細分散的AW2顆粒。本發(fā)明的方法還依賴于鹵化物鹽與鋁的反應(yīng)來生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金，該方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，因為其是一種粉末冶金方法并且在固相中進行。本發(fā)明得到了確保快速晶粒細化響應(yīng)的較小Al3Ti顆粒和A1B2(而不是TB2顆粒)。與用現(xiàn)有技術(shù)制得的那些合金相比，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的Al-Ti-B晶粒細化劑合金提供了連貫且較佳的總體晶粒細化性能。本發(fā)明要求保護一種生產(chǎn)Al-Ti-B母合金的可靠方法，該母合金可確保用于鋁鑄造合金的足夠的晶粒細化性能，該方法包括以下步驟充分混合Al-B合金粉末和K2TiF6鹽，從而獲得經(jīng)摻混的混合物；在流動的氬氣下將由此獲得的已混合的粉末混合物加熱至略低于鋁的熔點，即650°C，并在該溫度下保持足夠長，即1/2小時。利用所述合金的孕育已經(jīng)生成了沿著于孕育后保持約15分鐘的試樣的整個截面的細小等軸晶粒結(jié)構(gòu)。此外，枝狀鑄態(tài)組織將被改善成主要為等軸a-Al玫瑰花狀物(rosette)的更均勻的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題商業(yè)上可獲得的基于Al-Ti-B體系的母合金具有超過形成Ti2B化合物所需量的鈦或硼。大部分商用晶粒細化劑屬于前述類別。除了不溶性TiB2，具有比形成TW2所需更多Ti的Al-Ti-B合金的顯微結(jié)構(gòu)通常包含分散在鋁基體中的可溶性Al3Ti顆粒。前者在Al3Ti顆粒容易地溶解在熔體中并提供溶質(zhì)Ti時起到異相成核位點的作用，其在固化過程中于固相和液相之間的分配(portioning)使生長過程減緩。已知Ti過量的合金足以用于鍛造鋁合金。然而，其在鑄造合金的情形中具有公知的缺陷，在鑄態(tài)組織上具有不良效應(yīng)并在鑄造部件中具有較差的性質(zhì)。S.A.Kori等，Mat.ki.Eng.A2830000)94。硅與Ti形成硅化物，由此嚴重削弱TW2顆粒的效力。高含量的硅是造成鑄造合金對因Al-Ti-B母合金而晶粒細化的響應(yīng)不佳的原因。G.K.Sigworth,Μ.M.Guzowski,AFS.Trans.93(1985)907J.A.Spittle,S.Sadli,Mater.Sci.Tech.11(1995)533；T.Sritharan,H.Li,J.Mater.ProcessTech.63(1997)585；P.S.Mohanty,J.E.Gruzleski,ActaMater.44(1996)3749；P.S.Mohanty,F.H.Samuel,G.E.Gruzleski=Metall.Trans.B.26(1995)103。另一方面，AlB2顆粒利用了可提高其成核潛力的高水平的Si。Al-硼化物的優(yōu)異性能(在Si不存在時無效)歸因于鑄造合金中溶解的Si。G.K.Sigworth,Μ.Μ.Guzowski,AFS.Trans.93(1985)907。現(xiàn)有技術(shù)提供了具有Al3Ti和TB2顆粒的Al-Ti-B合金(如在Ti過量合金的情形中)，或僅具有(Al，Ti)&顆粒的Al-Ti-B合金(如在B過量合金的情形中)。極具有吸引力的是，生產(chǎn)具有Al3Ti和AW2而非TW2顆粒的Al-Ti-B合金來使鋁鑄造合金晶粒細化。盡管在市場上存在大量專門開發(fā)用于鑄造合金的B過量三元Al-Ti-B合金和二元Al-B合金，但是這些合金主要含有(Al，Ti)B2或AW2而非Al3Ti顆粒，因而不會享有由溶質(zhì)Ti提供的生長約束。技術(shù)方案本發(fā)明描述了一種合成Al-Ti-B合金的方法，該合金具有不溶性AW2和可溶性Al3Ti顆粒以使鋁鑄造合金的晶粒細化效率最大化。該方法依賴于鋁和K2TiF6之間的固相反應(yīng)來在已預(yù)先形成AW2顆粒的混合物中產(chǎn)生Al3Ti顆粒。當(dāng)向熔融鋁添加KBF4和K2TiF6鹽時，將優(yōu)先形成更穩(wěn)定的兩種潛在硼化物，TiB20即使在順次添加鹵化物鹽以首先形成AlB2時，由于TW2比AW2更加穩(wěn)定，技術(shù)人員會意識到一旦將K2TiF6添加到熔體中，根據(jù)3K2TiF6+3AlB2+Al3Ti&+3KAlF4+K3AlF6，A1&將立即轉(zhuǎn)換為TiB2。本發(fā)明的方法不僅避免了AW2向TW2轉(zhuǎn)變，而且提供了意外的微觀結(jié)構(gòu)特征。由K2TiF6和鋁之間的固相反應(yīng)產(chǎn)生的Al3Ti顆粒比用現(xiàn)有技術(shù)制得的Al-Ti/Al-Ti-B母合金中獲得的那些顆粒更小，從而得到優(yōu)異的晶粒細化性能。本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金的方法，該母合金含有10%的鈦，0.2%3%的硼以及余量主要為鋁，其中，所得合金含有直徑小于20微米的Al3Ti顆粒和精細分散的AW2顆粒。本發(fā)明的方法還依賴于鹵化物鹽與鋁的反應(yīng)來生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金，該方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，因為其是一種粉末冶金方法并且在固相中進行。本發(fā)明得到了確保快速晶粒細化響應(yīng)的較小Al3Ti顆粒和A1B2(而不是TB2顆粒)。與用現(xiàn)有技術(shù)制得的那些合金相比，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的Al-Ti-B晶粒細化劑合金提供了連貫且較佳的總體晶粒細化性能。本發(fā)明要求保護一種生產(chǎn)Al-Ti-B母合金的可靠方法，該母合金可確保用于鋁鑄造合金的足夠的晶粒細化性能，該方法包括以下步驟充分混合Al-B合金粉末和K2TiF6鹽，從而獲得經(jīng)摻混的混合物；在流動的氬氣下將由此獲得的已混合的粉末混合物加熱至略低于鋁的熔點，即650°C，并在該溫度下保持足夠長，即1/2小時。利用所述合金的孕育已經(jīng)生成了沿著于孕育后保持約15分鐘的試樣的整個截面的細小等軸晶粒結(jié)構(gòu)。此外，枝狀鑄態(tài)組織將被改善成主要為等軸a-Al玫瑰花狀物的更均勻的結(jié)構(gòu)。有益效果1、本發(fā)明的方法還依賴于鹵化物鹽與鋁的反應(yīng)來生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金，該方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，因為其是一種粉末冶金方法并且在固相中進行。本發(fā)明的方法不僅避免了AW2向TW2轉(zhuǎn)變，而且提供了意外的微觀結(jié)構(gòu)特征。由K2TiFf^P鋁之間的固相反應(yīng)產(chǎn)生的Al3Ti顆粒比用現(xiàn)有技術(shù)制得的Al-Ti-B母合金中獲得的那些顆粒更小。所得合金含有直徑小于20微米的可溶性Al3Ti顆粒并由此確保了較快的晶粒細化響應(yīng)。另外，利用本發(fā)明在Al-Ti-B晶粒細化母合金中生成的不溶性顆粒屬于AW2類別，而不是TiB2。已知前者在具有較高硅水平的鋁鑄造合金中更為有效。與用現(xiàn)有技術(shù)制得的那些合金相比，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的Al-Ti-B晶粒細化劑合金提供了連貫且較佳的總體晶粒細化性能。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的Α1-3ΤΒ合金片料；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的所得Al-3Ti_;3B合金片料的光學(xué)顯微照片；圖3示出了在使用根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的所得Al-3Ti_;3B合金片料孕育后的晶粒細化性能測試結(jié)果；圖4示出了在使用根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的所得Al-3Ti_;3B合金片料孕育后A1-7重量％Si鑄造合金的顯微結(jié)構(gòu)。具體實施例方式充分混合AUB合金粉末和K2TiF6鹽從而獲得經(jīng)摻混的混合物。通過KBF4鹽與熔融鋁在800°C反應(yīng)來生產(chǎn)前者。將混合物中各組分的比例調(diào)節(jié)為在最終合金中獲得3重量％的Ti和3重量％的B。使用工業(yè)純的鋁來補償合成過程后作為K-Al氟化物殘留在消耗的鹽中的鋁的分數(shù)。在管式爐中將從由此獲得的已混合的粉末混合物中取出的樣品在流動的氬氣下加熱至650°C，并在該溫度保持1/2小時。X-射線衍射(XRD)和金相技術(shù)表明，該熱處理過的樣品包含分散在鋁基體中的Al3Ti、AW2顆粒。為含有Al3Ti和AlB2顆粒(圖2)而生產(chǎn)的Al_3Ti_3B團粒(pellet)(圖1)是一種用于A1-7重量％Si合金的快速作用有效的晶粒細化劑。利用本合金的孕育已經(jīng)生成了沿著于孕育后(圖3)保持約15分鐘的試樣的整個截面的細小等軸晶粒結(jié)構(gòu)。該合金的性能明顯優(yōu)于二元AlIB合金，證實了Al3Ti在亞共晶Al-Si鑄造合金的晶粒細化上具有有利影響。此外，枝狀鑄態(tài)組織將被改善成主要為等軸a-Al玫瑰花狀物的更均勻的結(jié)構(gòu)(圖4)。在何時何地于鑄造前添加晶粒細化劑，都可以有效地使用本合金。發(fā)明實施方式工業(yè)實用性序列表文本權(quán)利要求1.一種生產(chǎn)Al-Ti-B晶粒細化劑母合金的方法，所述母合金具有分散在鋁基體中的Al3Ti顆粒和AW2顆粒，所述方法包括a.充分混合Al-B合金粉末和K2TiF6鹽，從而獲得經(jīng)摻混的混合物；b.在流動的氬氣下將已混合的粉末混合物加熱至600°C650°C，更特別地加熱至6500C；c.使所述已混合的粉末混合物在所述溫度下保持1/2小時；d.將熱處理過的粉末混合物壓制為團粒。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述Al-B合金的硼含量為1重量％10重量％。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述Al-B合金粉末通過以下步驟制得a.向熔融鋁添加KBF4鹽以促進鹽反應(yīng)，從而形成分散于鋁基體中的AW2顆粒；b.通過機械單元將由此生產(chǎn)的合金粉碎成粉末形式。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所得合金中的鈦與硼的重量比優(yōu)選小于或等于1，并且鈦含量和硼含量分別為1重量％5重量％的Ti和1重量％5重量％的B，余量為鋁、鉀和氟。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所得合金含有小于20微米的Al3Ti顆粒。全文摘要本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)鋁-鈦-硼晶粒細化母合金的方法，所述母合金含有可溶性鈦鋁化物和不溶性鋁硼化物顆粒，該方法包括混合鋁-硼合金粉末和K2TiF6鹽，從而獲得經(jīng)摻混的混合物；在略低于鋁的熔點，在約650℃于惰性氣體爐中對由此獲得的已混合的粉末混合物進行足夠長的熱處理；并將加熱的粉末混合物壓制成片料形式。在使用添加水平為0.02％Ti的這種母合金孕育后，鋁-7重量％硅鑄造合金在接觸時間達到15分鐘時的鑄造粒度為小于200微米。文檔編號C22C1/04GK102333896SQ200980157702公開日2012年1月25日申請日期2009年2月27日優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日發(fā)明者Y·比羅爾申請人:圖比塔克