本發明屬于金屬材料領域，涉及一種可用于改善鑄造鋁硅合金微觀組織的鋁鑭硼鍶中間合金及其制備方法。

背景技術：

鑄造鋁合金廣泛應用于汽車、機械、航空航天等工業領域。鋁合金的性能與其微觀組織密切相關，改善鑄造鋁合金綜合性能的有效方法是對其進行晶粒細化和共晶硅變質，從而獲得均勻良好的微觀組織。目前，對鋁合金進行晶粒細化最經濟有效的方法是向鋁熔體中加入細化劑，但是由于其成分復雜，造成目前常見的晶粒細化劑(例如，二元Al-Ti、Al-B等中間合金，三元Al-Ti-B、Al-Ti-C等中間合金，以及以KBF₄、K₂ZrF₆等為主要成分的復合鹽)在熔體細化處理過程中，容易出現晶粒細化元素鈦、硼、鋯與合金中的硅、鍶等元素發生反應，形成多元化合物，顯著降低細化元素有效含量，從而發生細化衰退現象；而對共晶硅進行變質的方法是向鋁熔體中加入含Na或Sr的變質劑，但是含Na變質劑易衰退，且變質劑和細化劑分開添加會造成生產效率降低，資源浪費等不良影響。因此，開發既能細化鑄造鋁合金晶粒又能起良好變質效果的中間合金十分必要。

稀土元素化學性質活潑，易與其他元素形成穩定的化合物，廣泛應用于高性能鑄造鋁合金的開發中。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供一種改善鑄造鋁合金微觀組織，既能有效細化鑄造鋁合金晶粒，也能對共晶硅產生良好變質效果，成本較低，可應用于鋁鑄件的批量生產的鑄造鋁硅合金用鋁鑭硼鍶中間合金。

技術方案：本發明的鑄造鋁硅合金用鋁鑭硼鍶中間合金，按以下方法制備得到：

步驟1：以Al-10La中間合金，Al-3B中間合金，Al-10Sr中間合金為原料，按照三種原料的質量比為(0.7～0.9)∶(0.8～1.2)：1備料；

步驟2：將Al-3B中間合金，Al-10La中間合金及Al-0Sr中間合金預熱至250℃-300℃；

步驟3：在坩堝電阻爐將預熱后的Al-3B中間合金在740℃-760℃熔化，保溫20-40分鐘，獲得鋁硼混合熔體；

步驟4：將所述鋁硼混合熔體升溫至880℃～920℃，加入預熱后的Al-10La中間合金，并保溫20-30分鐘，獲得均勻熔體；

步驟5：將所述步驟4中得到的熔體降溫至780℃-820℃，加入預熱后的Al-10Sr中間合金，并保溫20-30分鐘；

步驟6：在780℃-820℃將所述步驟5中處理后的熔體澆入預熱至250℃-300℃的金屬型模具中，待冷卻后獲得鋁鑭硼鍶中間合金。

進一步的，本發明的鋁鑭硼鍶中間合金中，各成分的質量百分數：鑭為1.5％-2.5％，硼為0.5％-1.5％，鍶為1.5％-2.5％，其他雜質為0.3％-0.5％，余量為鋁。

本發明的制備上述鋁鑭硼鍶中間合金的方法，包括步驟如下：

步驟1：以Al-10La中間合金，Al-3B中間合金，Al-10Sr中間合金為原料，按照三種原料的質量比為(0.7～0.9)：(0.8～1.2)：1備料；

步驟2：將Al-3B中間合金，Al-10La中間合金及Al-0Sr中間合金預熱至250℃-300℃；

步驟3：在坩堝電阻爐將預熱后的Al-3B中間合金在740℃-760℃熔化，保溫20-40分鐘，獲得鋁硼混合熔體；

步驟4：將所述鋁硼混合熔體升溫至880℃～920℃，加入預熱后的Al-10La中間合金，并保溫20-30分鐘，獲得均勻熔體；

步驟5：將所述步驟4中得到的熔體降溫至780℃-820℃，加入預熱后的Al-10Sr中間合金，并保溫20-30分鐘；

步驟6：在780℃-820℃將所述步驟5中處理后的熔體澆入預熱至250℃-300℃的金屬型模具中，待冷卻后獲得鋁鑭硼鍶中間合金。

進一步的，本發明方法中，步驟3中Al-3B中間合金的熔化溫度為740℃-760℃，并保溫20-30分鐘，是為了使得B元素在高溫熔體中能充分溶解。

進一步的，本發明方法中，步驟4中，在加入Al-10La中間合金之前，先將步驟3中獲得鋁硼混合熔體升溫至880℃～920℃，使得加入后的Al-10La中間合金在高溫下快速熔化，并通過保溫20-30分鐘，使得溶解出的La元素能與B元素充分反應，形成鑭硼化合物。

進一步的，本發明方法中，步驟5中，在加入Al-10Sr中間合金之前，先將步驟4中獲得鋁硼混合熔體降溫至780℃-820℃，再加入Al-10Sr中間合金，防止Sr元素的過量燒損，并保溫20-30分鐘，使得Sr元素在熔體中充分溶解，與鋁反應，形成鋁鍶二元相。

本發明方法中，先添加Al-10La中間合金，使其與Al-3B中間合金在高溫下反應生成鑭硼化合物，再在較低溫度添加Al-10Sr中間合金，使得鍶基本不與硼或鑭硼化合物反應，從而保證制得的鋁鑭硼鍶中間合金中主要包含鑭硼化合物和鋁鍶二元相，其中鑭硼化合物起細化作用，鋁鍶二元相起變質作用。

本發明利用稀土硼化物的熱穩定性及作為初生鋁相的形核核心，避免與變質元素鍶的反應，可以同時實現復雜成分鑄造鋁合金中初生鋁以及共晶硅形態的改善，即同時解決細化和變質問題。本發明利用輕稀土元素鑭，常見細化元素硼以及常見變質元素鍶合成含鑭硼鍶元素的新型鋁鑭硼鍶中間合金，所開發的新型中間合金既能有效細化鑄造鋁合金晶粒，也能對共晶硅產生良好變質效果，成本較低，可應用于鋁鑄件的批量生產。

本發明中間合金不僅能應用于二元鋁硅合金的組織改善，更適用于復雜成分的鑄造鋁合金的組織優化，使其凝固組織中的初生鋁枝晶由原來的發達樹枝晶轉變為細小的等軸晶，并且不發生細化衰退及變質退化等有害現象，同時可以有效地對共晶硅進行變質，使得共晶硅由層片狀轉變為短棒狀乃至顆粒狀，從而提高鑄造鋁合金的綜合力學性能，并且能改善其鑄造性能。本發明原料豐富，成本較低，制備設備簡單

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：

(1)常見的多元鋁合金細化劑中，主要以鈦元素為細化元素，例如Al-Ti-B、Al-Ti-C或者Al-Ti-RE等中間合金。這些中間合金在對鑄造鋁合金進行細化處理時，由于鈦和硅之間的反應形成鈦硅化合物，所以細化效力很低。另有報道以硼元素作為主要細化元素的Al-B二元中間合金可以有效細化高硅含量的鑄造鋁合金，但硼元素會與變質元素鍶發生反應形成鍶硼化合物，使得鑄造鋁合金的細化與變質效果同時降低。本發明合成的新型鑄造鋁合金中間合金利用鑭、硼、鍶之間的交互作用，形成高穩定的鑭硼化合物作為初生鋁相的異質形核核心，同時鑭硼化合物的生成避免了鍶與硼之間的反應，保證了中間合金形成的鋁鍶二元相能夠對鑄造鋁合金形成充分變質。因此，本發明合成的鋁鑭硼鍶中間合金可用于復雜成分的鑄造鋁合金的微觀組織改善，使其凝固組織中的初生鋁枝晶由原來的發達樹枝晶轉變為細小的等軸晶，并且不發生細化衰退及變質退化等有害現象；同時可以有效地對共晶硅進行變質，使得共晶硅由層片狀轉變為短棒狀乃至顆粒狀，從而提高鑄造鋁合金的綜合力學性能，并且能改善其鑄造性能。

(2)常見的鋁熔體反應法制備鋁中間合金通常采用中頻爐，在保護氣氛下，在鋁熔體中直接添加純金屬或非金屬元素，這些元素在高溫熔體中容易發生過量燒損，制備效率低，成本高。本發明采用市場上常用的Al-10La、A1-3B及Al-10Sr中間合金為原材料，一方面有效降低了制備成本，另一方面采用中間合金能有效降低元素燒損，制備效率有效提高。同時，本發明僅需要使用干燥箱和普通電阻爐就可制備中間合金，無需氣氛保護及大功率電爐，制備設備簡單。

附圖說明

圖1未添加細化劑的Al-10Si合金金相組織照片，放大100倍。

圖2未添加細化劑的Al-10Si合金金相組織照片，放大500倍。

圖3添加實施例1中間合金的Al-10Si合金金相組織照片，放大100倍。

圖4添加實施例1中間合金的Al-10Si合金金相組織照片，放大500倍。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步的說明。

實施例一：本實施例中Al-La-B-Sr中間合金的制備方法如下：

步驟1：以Al-10La中間合金，Al-3B中間合金和Al-10Sr中間合金為原料，該三種原料的質量比為0.7∶0.8∶1.0；

步驟2：將一定配比的Al-3B中間合金，Al-10La中間合金及Al-0Sr中間合金在高溫烘箱中預熱至250℃。

步驟3：在坩堝電阻爐將步驟2中預熱后的Al-3B中間合金在740熔化，保溫20分鐘，獲得鋁硼混合熔體。

步驟4：將步驟3中的鋁硼混合熔體升溫至880℃，加入預熱后的Al-10La中間合金，并保溫20分鐘，獲得均勻熔體。

步驟5：將步驟4中的熔體降溫至780℃，加入預熱后的Al-10Sr中間合金，并保溫20分鐘。

步驟6：在780℃將步驟5中熔體澆入預熱至250℃的金屬型模具中，待冷卻后獲得鋁鑭硼鍶中間合金。

采用本實施例制備的Al-La-B-Sr中間合金改善Al-10Si合金組織的方法如下：將ZL102和工業純鋁按一定配比放入5KW電阻爐坩堝中，加熱至原料完全熔化，熔體溫度為720～740℃，采用徐州思源三合一精煉劑除氣精煉后靜置30分鐘，然后在710～730℃加入質量百分數為1％的Al-La-B-Sr中間合金，得混合體，720℃保溫30分鐘后澆注至金屬型模具中。

如圖1所示，未添加中間合金時，Al-10Si合金微觀組織中初生鋁以發達樹枝晶為主；如圖2所示，添加中間合金后，Al-10Si合金微觀組織中初生鋁由發達樹枝晶轉變為細小均勻的等軸狀枝晶。如圖3所示，未添加中間合金時，Al-10Si合金微觀組織中共晶硅以粗大層片狀為主；如圖4所示，添加中間合金后，Al-10Si合金微觀組織中，共晶硅由粗大層片狀轉變為細小短棒狀。

實施例二：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為0.9∶0.8∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例三：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為1.0∶0.8∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例四：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為0.7∶1.0∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例四：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為0.9∶1.0∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例五：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為1.0∶1.0∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例六：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為0.7∶1.2∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例七：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為0.9∶1.2∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例八：本實施例與實施例一不同的是步驟1中三種原料質量比為1.0∶1.2∶1.0。其他與實施例一相同。

實施例九：本實施例與實施例一不同的是步驟2中預熱溫度為300℃，其他與實施例一相同。

實施例十：本實施例與實施例一不同的是步驟2中預熱溫度為280℃，其他與實施例一相同。

實施例十一：本實施例與實施例一不同的是步驟3中Al-3B合金的熔化溫度為760℃，保溫時間為40分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十二：本實施例與實施例一不同的是步驟3中Al-3B合金的熔化溫度為750℃，保溫時間為30分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十三：本實施例與實施例一不同的是步驟4中保溫溫度為920℃，保溫時間為30分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十三：本實施例與實施例一不同的是步驟4中保溫溫度為900℃，保溫時間為25分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十四：本實施例與實施例一不同的是步驟5中熔體降溫至820℃，保溫時間為30分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十五：本實施例與實施例一不同的是步驟5中熔體降溫至800℃，保溫時間為25分鐘，其他與實施例一相同。

實施例十六：本實施例與實施例一不同的是步驟6中澆鑄溫度為820℃，金屬型模具溫度為300℃，其他與實施例一相同。

實施例十六：本實施例與實施例一不同的是步驟6中澆鑄溫度為800℃，金屬型模具溫度為280℃，其他與實施例一相同。

參考圖1為上述實施例一中Al-10Si合金添加鋁鑭硼鍶中間合金之前放大100倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出存在大量明顯取向性的粗大樹枝狀的初生鋁。

參考圖2為上述實施例一中Al-10Si合金添加鋁鑭硼鍶中間合金之后放大100倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出不存在明顯取向性的粗大樹枝狀初生鋁，初生鋁均以等軸狀存在。

參考圖3為上述實施例一中Al-10Si合金添加鋁鑭硼鍶中間合金之前放大500倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出共晶硅形態為粗大層片狀。

參考圖4為上述實施例一中Al-10Si合金添加鋁鑭硼鍶中間合金之后放大500倍的金相組織照片。照片中較亮部分為初生鋁，較暗部分為共晶硅，照片看出共晶硅形態為細小纖維狀或短棒狀。

上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。