铝及铝合金的铁碳硼复合细化剂

摘要

本发明涉及一类新型铁碳硼复合细化剂的组成、制备及其应用于铝及铝合金的微晶化及强韧化工艺。本发明提出一种制备及其应用于铝及铝合金的微晶化及强韧化工艺的铁碳硼复合细化剂的组成，其特征在于：该类细化剂主要成分包括铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、硼(B)、碳(C)以及附加组元，其特点是将原位自生合成的第二相质点作为非自发形核核心产生的微晶化，并与其第二相强化作用相结合，使铝及铝合金达到微晶化和强韧化。低成本高效益，适应于大规模化工业生产。

说明书

本发明涉及一类新型铁碳硼复合细化剂的组成、制备及其应用于铝及铝合金的微晶化及强韧化工艺。

实现微晶化并进而达到强韧化，是铝及铝合金以及其它金属材料中存在的重要而又普遍的研究课题。目前对晶粒细化的研究主要包括两个途径，即物理方法和化学方法。具体形式有如快速凝固、机械搅拌和添加形核剂(晶粒细化剂)等，其中最有效实用而经济的方法是加形核剂。对于工业纯铝及铝合金，目前使用的细化剂是AlTiB，AlSr，AlTiC，AlRe等中间合金，其中Al5Ti1B是目前世界公认的最好的晶粒细化剂之一，但细化效果并不理想，据德国KBM公司统计，加入量为2公斤/吨，晶粒可细化到274-295微米，而且在使用中还存在作用时间短，易失效以及其在合金中形成的粗大的TiB2粒子在热轧时会损坏轧辊，影响铝箔的表面质量等问题，并且不能细化含Zr的铝合金。而八十年代开发出的AlTiC细化剂虽然能细化多种合金，包括含Zr和Cr的高强度铝合金，但性能还不够稳定，而且对一般铝合金的晶粒细化效果也还不及AlTiB。总之，这些中间合金的细化作用还不能使铝合金的性能特别是强韧化方面得到大幅度改善。

对于微晶化的研究，还有另外一些方法，诸如粉末冶金和快速凝固，但是这些方法在实际应用中都有很大的局限性，粉末冶金依赖于大批量粉末制备的经济性和生产效率，而快速凝固只能制备粉末、细丝和薄板，而且要求的极高的冷却速度在实际生产中也是极难达到的。

本发明针对现有方法的不足，研制出一类新型复合细化剂，即以液固相变理论和原位自生合成技术为基础，旨在通过液固相变原位自生合成微细的第二相弥散质点，致使铝及铝合金高度微晶化和强韧化，从而达到高强度高塑性高韧性的目的。其特点是将原位自生合成的第二相质点的作为非自发形核核心产生的微晶化，与其第二相强化作用相结合，使铝及铝合金达到微晶化和强韧化。低成本高效益，适应于大规模化工业生产。

本发明提出一种制备及其应用于铝及铝合金的微晶化及强韧化工艺的铁碳硼复合细化剂的组成，其特征在于：

该类细化剂主要成分包括铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、硼(B)、碳(C)以及附加组元，各成份的含量为：

成分       含量(wt.％)

铝(Al)     83.00-99.987

钛(Ti)     0.010-6.000

铁(Fe)     0.001-5.000

    硼(B)         0.001-3.500

    碳(C)         0.001-2.500

    附加组元      0.000-3.000

所说的附加组元是针对某类成分的铝合金，强化某些合金相的微晶化效果，从而进一步改善和提高合金的强韧性。

上述方法中的细化剂，应用于不同的铝及合金铝时，其主要成分范围可略有不同，还可增加不同的组元成分，例如：应用于工业纯铝时，其主要成分范围：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        92.750-99.987

    钛(Ti)        0.010-4.500

    铁(Fe)        0.001-0.050

    硼(B)         0.001-1.500

    碳(C)         0.001-1.000

应用于亚共晶和共晶型铝硅合金时，其主要成分范围可为：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        83.000-99.985

    钛(Ti)        0.010-6.000

    铁(Fe)        0.001-4.000

    硼(B)         0.001-3.000

    碳(C)         0.001-2.000

    锶(Sr)        0.001-1.000

    混合稀土(RE)  0.000-1.200

应用于过共晶型铝硅合金时，其主要成分范围可为：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        78.500-99.984

    钛(Ti)        0.010-6.000

    铁(Fe)        0.001-5.000

    硼(B)         0.001-3.500

    碳(C)         0.001-2.500

    锶(Sr)        0.001-1.500

    混合稀土(RE)  0.000-1.500

    磷(P)         0.001-1.000

    硫(S)         0.001-0.500

应用于铝铜类合金时，其主要成分范围可为：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        86.500-99.986

    钛(Ti)        0.010-3.000

    铁(Fe)        0.001-5.000

    硼(B)         0.001-1.500

    碳(C)         0.001-2.000

    混合稀土(RE)  0.000-1.000

    磷(P)         0.001-1.000

应用于铝镁类合金时，其主要成分范围可为：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        90.000-99.987

    钛(Ti)        0.001-3.000

    铁(Fe)        0.001-1.000

    硼(B)         0.001-2.500

    碳(C)         0.001-2.000

    混合稀土(RE)  0.000-1.500

应用于铝锌类合金时，其主要成分范围可为：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        92.500-99.987

    钛(Ti)        0.010-2.500

    铁(Fe)        0.001-1.000    

    硼(B)         0.001-1.500

    碳(C)         0.001-2.500

    混合稀土(RE)  0.000-0.500

本发明制备上述细化剂的方法为，按予先设计要求的各成分的比例准备好铝、钛、铁、硼、和碳等原料：

在坩锅炉或感应炉内升温溶化，精炼除渣，浇铸成锭，即得到所需的各类成分和各种形状〔包括丝、棒、颗粒和锭等〕的细化剂。

该类新型复合细化剂在铝及铝合金细化工艺过程中，所说的细化剂添加量为0.1-2.0公斤/吨，处理温度为650-760℃，有效时间不小于1-2小时。

该类新型复合细化剂适用于工业纯铝及各类铝合金的微晶化和强韧化。如，对工业纯铝，晶粒尺寸可细化到100μm以下；对铝合金，晶粒尺寸可细化到150-200μm以下。同时，工业纯铝及各类铝合金的强度、塑性和韧性都得到显著提高。

本发明的实施方案，详细描述如下：

实施例1

应用于工业纯铝时，其主要成分范围：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        94.999

    钛(Ti)        3.500

    铁(Fe)        0.001

    硼(B)         0.500

    碳(C)         1.000

实施例2

应用于亚共晶和共晶型铝硅合金时的细化剂，其主要成分范围：

    成分          含量(wt.％)

    铝(Al)        90.490

    钛(Ti)        2.5000

    铁(Fe)        3.5000

    硼(B)         2.5000

    碳(C)         1.000

    锶(Sr)        0.005

    混合稀土(RE)  0.005

实施例3  

工业纯铝的微晶化和强韧化：

工业纯铝100克，熔体加热温度约760℃，细化剂加入量0.2-1.0克/100克铝，细化剂的组分与配比为钛(Ti)3.500，铁(Fe)0.001，硼(B)0.500等，加入细化剂后铝熔体保温15分钟至2小时，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米圆柱锭，距底面15毫米处的晶粒尺寸约100微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能为

            (μm)        σb(MPa)    σ0.2(MPa)    l(％)未添加细化剂    2000-3000    30-40        20-25        45-50添加细化剂      ～100        70-75        50-60        80-85

实施例4

铸铝107的微晶化和强韧化：

铸铝107 100克，熔体加热温度约760℃，细化剂加入量0.2-1.0克/100克铝，细化剂组分与配比为：加入细化剂后铝熔体保温约30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米圆柱锭，距底面15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能(T6处理)为

            晶粒尺寸(μm)  σb(MPa)   σ0.2(MPa)    l(％)未添加细化剂    4000-5000       320-340    210-230      3-4添加细化剂      ～200           400-430    230-250      9-12

实施例5

铸铝104的微晶化和强韧化：

铸铝104 100克，熔体加热温度约720℃，细化剂加入量0.2-1.0克/100克铝，加入细化剂后铝熔体保温约30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米圆柱锭，距底面15毫米处的晶粒尺寸约200微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能(T5处理)为

            晶粒尺寸(μm)    σb(MPa)    σ0.2(MPa)    l(％)未添加细化剂    4000-5000         240-250    190-200       1-2添加细化剂      ～200             330-350    270-280       5-6