專利名稱：一種4032合金的變質劑及其使用方法
技術領域：
本發明屬于冶金領域，特別是一種4032鋁合金的變質劑及其使用方法。
背景技術：
鋁硅合金具有高強度、高耐磨和低膨脹系數，以及良好的鑄造性能，在機械工業、 汽車工業、航空與軍事工業中有著廣闊的應用前景。4032合金主要組成元素為Al、Si、Cu、 Mg、Ni，平均含硅量為12.2%，靠近鋁硅相圖的共晶點，是一種近共晶鋁硅合金。4032合金 既有鑄造鋁合金的特性，又有變形鋁合金的特點，常用于加工鍛件與鍛坯，作為耐磨材料供 制作活塞及在高溫工作的其他零件。未經變質處理的4032合金，初晶硅粗大且呈現不規則 的塊狀，導致延伸率和抗拉強度較低。因此，在生產4032合金時必須進行相應處理，細化硅 相和改變其形狀。細化硅相的方法很多，工業生產中最穩定和可行的方法是加入變質元素， 如稀土、P、Sr、Na等，并配以其他工藝輔助措施，如塑性變形和熱處理，而改變初晶硅的形 狀，使其球化的研究還比較少。目前，工業上一般采用Sr來變質4032合金，因為Sr對共晶 硅變質效果較好，且變質有效期長，但是，其變質工藝不易掌握、吸收率低、潛伏期長、鑄件 容易出現針孔。共晶型鋁硅合金的變質劑主要為Na鹽、鍶、磷、稀土及其氧化物。Na鹽主要由不同 配比的NaF、NaCl、KC1、Na3AlF6復合而成，鍶主要以Al-Sr中間合金的形式加入，而磷也經歷 了赤磷、Cu-P中間合金、Al-Cu-P中間合金、Al-P中間合金的發展歷程。Na鹽對坩堝損害較 大，且其中的氟離子會污染環境，鍶變質吸氣嚴重，稀土變質效果有限且價格昂貴，這幾類 變質劑因為上述原因而被大部分廠家舍棄，綜合考慮只有Al-P綠色環保且有效期長，變質 效果較好。但Al-P也只能將初晶硅細化并變得多邊形化，球化作用不明顯。含鈦、硼的中 間合金常做為晶粒細化劑，在熔煉最后階段加入流槽，很少將其作為變質劑配合Al-P中間 合金對初晶硅變質，中國專利CN101058855A報道了一種過共晶型鋁硅合金纖維組織細化 工藝方法，先加入含Ti晶粒細化劑，后加入磷類變質劑(粉末)細化了初晶硅，CN1861820A 報道了一種由Cu-P和Α1-5 -Β中間合金制備的薄絲帶狀變質劑及其應用方法，《特種鑄造 及有色合金》2006年第26卷5期報道了山東大學劉相法等人用0. 8% Al-P和0. 1-0. 2% Α1-5Τ -Β在780°C變質ZL109合金，對初晶硅取得了較好的變質效果，而具體工藝未做詳細 介紹，且在添加Α1-5 -Β時保持780°C不變，并沒有因為添加不同變質劑而調整爐體溫度， 以上報道都細化了初晶硅，但球化效果不明顯。目前，對4032合金變質處理研究的較少，未 經后續變形和熱處理，只在熔煉階段通過添加含P及其他變質劑就使初晶硅細化至18 μ m 以下并50%以上球化，這樣的變質劑及其變質工藝，目前還沒有報道。

發明內容
本發明的目的在于克服4032合金變質技術的缺陷，提出一種4032合金較為理想的變質劑及使用方法，其球化效果明顯；在熱加工及熱處理工序之前就能夠較好的改善合 金的組織性能，同時為共晶型鋁硅合金的變質處理提供新思路。
本發明的主要內容為在4032合金的基礎上，在一定的溫度下先加入微量的 Al-3.5% P中間合金，變質一段時間后加入微量Al-5Ti-B中間合金，澆注成錠。本發明 所提供的變質劑成份(重量百分比，wt % )范圍為0. 028-0. 056% P，0.01-0. 07% Ti，
0.002-0. 014% B，余量為 Al。上述4032合金的變質劑使用方法是通過如下步驟實現的(1)配料將99. 9%的純鋁和其他中間合金切成小塊狀，清除表面雜質并烘干，按 合金化學組成的比例配好原材料備用；(2)合金熔煉熔煉溫度設定為755_765°C，在電阻爐中熔化純鋁和Al-Si、Al_Cu、 Al-Ni中間合金，充分攪拌；(3)加Mg 待合金全部熔化后在覆蓋劑(45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6)保護 下用鐘罩壓入法加入燒損較大的金屬Mg，(4)初精煉采用C2Cl6+Na2SiF6除氣精煉，除去熔體中的氣體及雜質，靜置10分 鐘，扒去表面浮渣；(5)加磷變質在750-850°C加入上述合金配料重量的0.6-1. 6% Al-3.5% P變質 齊U，攪拌均勻，保溫15-lOOmin ；(6)再精煉除去熔體中的氣體及雜質，靜置5分鐘，扒去表面浮渣，精煉同時將溫 度調至750-770°C，為加鈦硼變質劑做準備；(7)加鈦硼變質加入上述合金配料重量0. 3-1. 6% Α1-5 -Β，保溫5-12min ；(8)鑄錠在730_750°C澆注，鑄錠。上述使用方法，其優選方案有以下3種1、上述加磷變質過程中加入4032合金配料重量的0. 9-1. 3 % A1-3. 5 % P在 775-790°C下保溫70-90min，精煉和加鈦硼變質過程中在760°C加入4032合金配料重量的
1.0-1. 4% Α1-5Τ -Β 保溫 8-10min。2、上述加磷變質過程中加入4032合金重量的0. 7-0. 9%Α1-3. 5% P在790_820°C 保溫70-90min，精煉和加鈦硼變質過程中在760°C加入4032合金配料重量的1. 2-1.5% Al-5Ti-B 保溫 8-10min。3、上述加磷變質過程中加入4032合金重量的0. 9-1. 3% A1-3. 5% P在775_790°C 保溫20-30min，精煉和加鈦硼變質過程在760°C加入4032合金配料重量的0. 3-0. 5 % Al-5Ti-B 保溫 8-10min。有益效果本發明變質劑及其使用方法實現了無需其他后續工藝就對4032合金組織性能的 改善的作用。P添加到鋁熔體中會形成AlP質點，其熔點比初晶硅形成溫度高，且與硅晶 體結構相似，晶格常數相近，可作為異質核心，使晶核數增加從而一定程度上細化初晶硅 Α1-5 -Β合金加入經P變質的鋁熔體后會形成一種TiB2S子，該粒子可以吸附AlP質點，限 制了 AlP質點在硅相外的分布，提高了 P對初晶硅的變質效率，在已有基礎上進一步細化、 球化了初晶硅。但是，TiB2粒子有時聚集成較大的團，而某些時候TiB2粒子分布又比較分 散和均勻。TiB2粒子的大小由Α1-5 -Β和Al-P的配比及Al-P變質溫度以及保溫時間共 同作用決定。當TiB2S子比較大時，雖然可以提高Al-P中間合金的利用率，但同時也使初 晶硅的結晶核心變得更大，這兩種作用相互抵消，因而微觀組織中初晶硅并無明顯變化。當TiB2粒子分布比較分散和均勻時，除了可以提高Al-P利用率外，還可以使AlP質點分布更 加均勻分散，從而使其發揮作用。因此合理的變質劑配比和變質溫度及保溫時間會大大提 高AlP和TiB2的協調作用，即細化晶粒又細化球化初晶硅，因而組織性能都得到提高。該 變質劑的成分配比、使用時的變質溫度以及保溫時間的綜合設定是關系變質效果的關鍵， 任何一個條件的變化都可能導致效果的極大差異。發明人根據4032合金自身的特點，摸索 出適合4032合金變質的變質劑和使用方法。本發明在熱加工及熱處理工序之前，就可使合 金初晶硅的尺寸達到18um以下，最佳變質方案可使初晶硅尺寸達到IOum以下，鑄態組織延 伸率可達到2-6%，抗拉強度可達240-320MPa，再通過后續的擠壓或鍛造及熱處理可使合 金組織性能大大提高。另外，本發明對初晶硅的球化效果好，能夠使50%以上初晶硅球化， 其余初晶硅也都變質為多邊形狀，無大塊或板條狀初晶硅。本發明所述4032合金變質劑直接采用了工業中常用的Al-P和晶粒細化劑 Α1-5Τ -Β兩種中間合金，變質劑易于獲得，無需特殊工藝制備合成，節省了成本，工藝簡單， 使用方法容易，不需要增加專用的輔助設備，使用過程便于工業操作。本發明所述4032合金變質劑采用中間合金形式加入，而非粉末形式，避免了大量 粉塵和P2O5氣體的擴散，且Al-P合金本身就是一種綠色變質劑，故綠色環保，對環境影響 小。本發明所述4032合金變質劑不含Sr等吸氣嚴重的元素，且不破壞鋁液表面致密 的氧化膜，不會打破氧化膜與外界氣體和內部[H]三者的平衡，鑄錠針孔率較低，其范圍在 0. 001-0. 272%之間。


圖1是按實施例1方法變質的4032合金金像組織照片；圖2是按實施例2方法變質的4032合金金像組織照片；圖3是按實施例3方法變質的4032合金金像組織照片；圖4是按對比實施例1方法變質的4032合金金像組織照片。
具體實施例方式下面將參照附圖，通過實施例對本發明進一步說明，而不會限制本發明。實施例1 按1000克配料稱重，在5KW坩堝電阻爐中放入高純石墨坩堝升溫預熱至760°C，加入 271. 77 克工業純鋁(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同時均勻灑滿由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6組成的熔劑覆蓋，約半小時 后金屬熔化，用鐘罩壓下用鋁箔包好的10. 5g純Mg入熔池底部至完全熔化，取出鐘罩，充分 攪拌，靜置5min，將用鋁箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用鐘罩壓入熔池底部 除氣精煉，靜置lOmin，扒去表面浮渣。將爐溫調至780°C，用鐘罩壓下用鋁箔包好的12克 A1-3. 5% P，攪拌均勻，保溫80-90min。再次除氣精煉，同時將爐溫調至760°C，靜置5min， 扒渣后加入10克Α1-5 -Β，保溫IOmin后在730_740°C澆注成錠。圖1所示為實施例1得 到的鑄錠的金像組織，表1為其綜合評價表。表1 4032合金變質綜合評價表(實施例1)抗拉強度伸長率初晶硅乎均初晶硅球針T讀 Sb(MPa) 5 (%)尺寸(μπι〕化軍(30 (X) 實施例2 按1000克配料稱重，在5KW坩堝電阻爐中放入高純石墨坩堝升溫預熱至760°C， 加入 271. 77 克工業純鋁(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同時均勻灑滿由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6組成的熔劑覆蓋，約半小時 后金屬熔化，用鐘罩壓下用鋁箔包好的10. 5g純Mg入熔池底部至完全熔化，取出鐘罩，充分 攪拌，靜置5min，將用鋁箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用鐘罩壓入熔池底 部除氣精煉，靜置lOmin，扒去表面浮渣。將爐溫調至800°C，用鐘罩壓下用鋁箔包好的8克 A1-3. 5% P，攪拌均勻，保溫80-90min。再次除氣精煉，同時將爐溫調至760°C，靜置5min， 扒渣后加入14克Α1-5 -Β，保溫IOmin后在730_740°C澆注成錠。圖2所示為實施例2得 到的鑄錠的金像組織，表2為其綜合評價表。表2 4032合金變質綜合評價表(實施例2)
抗拉強度伸長率初晶硅平均初晶硅球mM 丄_艦貓_6 b (MFa) S (%)尺寸(μπ)化率(％〕 (%) 實施例3 按1000克配料稱重，在5KW坩堝電阻爐中放入高純石墨坩堝升溫預熱至760°C， 加入 271. 77 克工業純鋁(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同時均勻灑滿由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6組成的熔劑覆蓋，約半小時 后金屬熔化，用鐘罩壓下用鋁箔包好的10. 5g純Mg入熔池底部至完全熔化，取出鐘罩，充分 攪拌，靜置5min，將用鋁箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用鐘罩壓入熔池底部 除氣精煉，靜置lOmin，扒去表面浮渣。將爐溫調至780°C，用鐘罩壓下用鋁箔包好的12克 A1-3. 5% P，攪拌均勻，保溫20-30min。再次除氣精煉，同時將爐溫調至760°C，靜置5min， 扒渣后加入4克Α1-5 -Β，保溫IOmin后在730_740°C澆注成錠。圖3所示為實施例3得 到的鑄錠的金像組織，表3為其綜合評價表。表3 4032合金變質綜合評價表(實施例3)
抗拉強度伸長率初晶硅平均初晶硅球mm ^6b (HPa) (%)尺寸(μια)化率《) W) 對比實施例1
按1000克配料稱重，在5KW坩堝電阻爐中放入高純石墨坩堝升溫預熱至760°C， 加入 271. 77 克工業純鋁(99. 97% )和 613. 2 克 A1-20. 5% Si, 22. 68 克 Al-40% Cu, 90 克 Al-10% Ni，同時均勻灑滿由45% NaCl+30% KCl+25% Na3AlF6組成的熔劑覆蓋，約半小時 后金屬熔化，用鐘罩壓下用鋁箔包好的10. 5g純Mg入熔池底部至完全熔化，取出鐘罩，充分 攪拌，靜置5min，將用鋁箔包好的8克C2Cl6和2克Na2SiF6的混合粉末用鐘罩壓入熔池底 部除氣精煉，靜置lOmin，扒去表面浮渣。將爐溫調至760°C，用鐘罩壓下用鋁箔包好的4克 A1-3. 5% P，攪拌均勻，保溫80-90min。再次除氣精煉，同時將爐溫調至760°C，靜置5min， 扒渣后加入1克Α1-5 -Β，保溫IOmin后在730°C澆注成錠。本對比實施例為在本發明所 述應用方法范圍之外的實驗，圖4為對比實施例4得到的鑄錠的金像組織，表4為其綜合評 價表，可以看出，初晶硅粗大，菱角分明，力學性能也不佳。表4 4032合金變質綜合評價表(對比實施例4)
抗碰度伸長率初晶硅平均初晶硅球針孔率 丄6 b Cfipa] δ (%)尺寸 Um)化率〔S) {%)
權利要求
一種4032合金的變質劑，其特征在于，采用Al-P和Al-5Ti-B中間合金組成，各元素重量百分比組成為P0.028-0.056％，Ti0.01-0.07％，B0.002-0.014％，余量為鋁。
2.權利要求1所述的4032合金的變質劑的使用方法，其特征在于，包括以下步驟(1)按照4032合金的組成成分配料、熔煉；初精煉；(2)在750-850°C加入步驟(1)中4032合金配料重量的0.6-1. 6% A1-3. 5% P變質劑， 攪拌均勻，保溫15-100min ；(3)再精煉，精煉的同時將溫度調至750-770°C，加入步驟(1)中4032合金配料重量的 0. 3-1. 6% Al-5Ti-B，保溫 5_12min ；(4)在730-750°C澆注，鑄錠。
3.根據權利要求2所述的使用方法，其特征在于，步驟(2)中在775-790°C下加入步驟 (1)中4032合金配料重量的0.9-1.3%六1-3.5% 變質劑保溫70-901^11，步驟(3)中在 760°C加入步驟(1)中4032合金配料重量的1. 0-1. 4% Al_5Ti_B保溫8-10min。
4.根據權利要求2所述的使用方法，其特征在于，步驟(2)中在790-820°C下加入步驟 (1)中4032合金配料重量的0. 7-0.9%Al-3. 5%P變質劑保溫70-90min，步驟(3)中在 760°C加入步驟(1)中4032合金配料重量的1. 2-1. 5% Al_5Ti_B保溫8-10min。
5.根據權利要求2所述的使用方法，其特征在于，步驟(2)中在775-790°C下加入步驟 (1)中4032合金配料重量的0.9-1.3%六1-3.5% 變質劑保溫20-301-11，步驟(3)中在 760°C加入步驟(1)中4032合金配料重量的0. 3-0. 5% Al_5Ti_B保溫8_10min。
全文摘要
本發明涉及一種4032合金的變質劑及其使用方法，該變質劑采用Al-P和Al-5Ti-B中間合金組成，各元素重量百分比組成為P0.028-0.056％，Ti0.01-0.07％，B0.002-0.014％，余量為鋁。其使用方法的關鍵為4032合金初精煉后在750-850℃加入4032合金配料重量的0.6-1.6％A1-3.5％P變質劑，攪拌均勻，保溫15-100min；再精煉；在750-770℃，加入4032合金重量的0.3-1.6％Al-5Ti-B，保溫5-12min。采用本發明的變質劑及其使用方法，可使4032合金在熱加工及熱處理之前，初晶硅細化到18μm，球化率超過50％，力學性能大大提高。本發明實現了對4032合金的有效變質，同時為共晶型鋁硅合金的變質技術拓展了新思路。
文檔編號C22C1/02GK101838759SQ20101030109
公開日2010年9月22日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者李紅英, 王曉峰, 胡琳娜, 趙延闊 申請人:中南大學