本發明涉及一種金屬材料領域的晶粒細化劑及其制備方法，具體是一種鋁及其合金用Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑及其制備方法。

背景技術：

在傳統對凝固組織的改性方法中，細化凝固組織晶粒，即細晶強化，可以同時提升材料的強度和塑韌性、有效抑制疏松、減小熱裂傾向，是提升合金綜合力學性能最有效的方法之一。對于鋁合金，早在上世紀30年代，就發現添加到鋁熔體中的Ti元素可以細化鋁合金凝固組織的晶粒尺寸，之后數十年，含Ti的鋁合金細化劑逐漸被研發、改善并應用于工業生產。

目前，在鋁合金加工領域中，工藝最為簡單方便、效果最為優異的晶粒細化方法是向熔體中添加Al－Ti－B系晶粒細化劑，從而引入硼化物異質形核質點，促進異質形核并細化凝固組織。由于Al－Ti－B晶粒細化劑中的形核質點TiB₂與凝固形核相α-Al間的晶格錯配度為6％，TiB₂形核質點的有效率僅有1％左右，其對鋁合金鑄態晶粒尺寸的細化存在技術瓶頸；以Al－5Ti－1B晶粒細化劑為例，通常向工業純鋁熔體中添加0.2％的Al－5Ti－1B晶粒細化劑，可將工業純鋁鑄態晶粒尺寸減小到200μm左右，但隨著晶粒細化劑添加量持續增加，晶粒尺寸不能持續降低，晶粒尺寸達到120μm左右時出現極限。

為了突破現有細化劑對鋁合金鑄態晶粒尺寸的細化極限，需要研發更為高效的鋁及其合金用晶粒細化劑。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有Al－Ti－B晶粒細化劑的上述問題，提供一種鋁及其合金用Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑及其制備方法，突破現有Al－Ti－B晶粒細化劑對鋁合金的細化極限。

本發明是通過以下技術方案實現的：

根據本發明第一方面，提供一種鋁及其合金用Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑，晶粒細化劑包括如下各重量含量的組分：1.00－6.00％Nb，1.00－3.00％Cr，0.50－1.00％B，余量為Al。

優選地，所述Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑中，Nb重量百分含量可以是4.00－6.00％，在該條件下可以更好的提高本發明晶粒細化劑的細化性能。

優選地，所述Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑中，Cr重量百分含量可以2.00－3.00％，在該條件下可以更好的提高本發明晶粒細化劑的細化性能。

根據本發明第二方面，提供一種上述鋁及其合金用Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑的制備方法，步驟如下：

(1)按照生成重量百分比為：1.00－6.00％Nb，1.00－3.00％Cr，0.50－1.00％B，其余Al的量，分別稱取純鈮、純鉻、氟硼酸鉀及工業純鋁，并將純鈮、純鉻和氟硼酸鉀粉體均勻混合；

優選地，所述純鈮顆粒粒徑為0.5-1.0厘米。

優選地，所述純鈮顆粒粒徑為0.5-1.0厘米。

(2)升溫熔化所稱取的工業純鋁；

優選地，所述升溫熔化所稱取的工業純鋁，是指：升溫至900－1200℃先將所稱取的工業純鋁在電阻爐中熔化。

(3)利用石墨鐘罩將(1)中配制好的純鈮、純鉻和氟硼酸鉀混合粉體壓入鋁熔體中；

(4)在加入純鈮、純鉻和氟硼酸鉀混合粉體的鋁熔體上部引入持續超聲波處理；

優選地，所述超聲波頻率為20±1kHz、功率為500-5000W。

優選地，所述持續超聲波處理時間為1-20分鐘。

(5)使熔體自然冷卻，得到Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑；

優選地，所述使熔體自然冷卻，在冷卻至700－720℃時，澆鑄成錠狀Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明的創新之處為基于Al－Nb－Cr－B四元體系中的各組元間的交互反應，通過Cr替代NbB₂中的部分Nb原子，從而調控晶粒細化劑中硼化物與凝固形核相α-Al間的晶格錯配度；同時在細化劑制備過程中施加高能超聲振動，增加高熔點純鈮、純鉻在鋁熔體中的熔解、縮短細化劑制備時間、改善硼化物粒子分布狀態，從而得到一種鋁及其合金用高效Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑，突破現有Al－Ti－B系晶粒細化劑對鋁合金的細化極限。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖，本發明其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1未經細化的工業純鋁金相宏觀晶粒組織；

圖2添加0.20％重量百分比Al－5Ti－1B細化后的工業純鋁金相宏觀晶粒組織；

圖3添加實施例4所制備0.20％重量百分比Al－Nb－Cr－B細化后的工業純鋁金相宏觀晶粒組織。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

實施例

以下實施例1-7按照如下步驟進行實施：

(1)按照生成重量百分比為：1.00－6.00％Nb，1.00－3.00％Cr，0.50－1.00％B，其余Al的量，分別稱取純鈮、純鉻、氟硼酸鉀及工業純鋁，并將純鈮、純鉻和氟硼酸鉀粉體均勻混合；

(2)升溫至900－1200℃將所稱取的工業純鋁在電阻爐中熔化；

(3)利用石墨鐘罩將配制好的純鈮、純鉻和氟硼酸鉀混合粉體壓入鋁熔體中；

(4)在加入純鈮、純鉻和氟硼酸鉀混合粉體的鋁熔體上部引入20±1kHz、功率為500-5000W的超聲波，持續處理1-20分鐘；

(5)使熔體自然冷卻，冷卻至700－720℃時，澆鑄成錠狀Al－Nb－Cr－B晶粒細化劑。

細化：500克工業純鋁，加熱熔化至720℃，按照0.2克/100克鋁的量加入所制備的Al－Nb－Cr－B四元晶粒細化劑，保溫5分鐘，澆入雷諾標準高爾夫T型模，測量距試樣底面51mm處的晶粒尺寸。

具體實施例1-7的參數以及實施效果見下表：

本發明基于Al－Nb－Cr－B四元體系中的各組元間的交互反應，通過Cr替代NbB₂中的部分Nb原子，從而調控晶粒細化劑中硼化物與凝固形核相α-Al間的晶格錯配度，突破現有Al－Ti－B系晶粒細化劑對鋁合金的細化極限，比如上述實施例4中細化后工業純鋁晶粒尺寸可以達到100μm。

如圖1所示，為未經細化的工業純鋁金相宏觀晶粒組織；

如圖2所示，為添加0.20％重量百分比Al－5Ti－1B細化后的工業純鋁金相宏觀晶粒組織，其中，柱狀晶得以明顯細化，細化后的晶粒尺寸約150μm。

圖3添加實施例4所制備0.20％重量百分比Al－Nb－Cr－B細化后的工業純鋁金相宏觀晶粒組織，其中，相比于圖2，晶粒細化效果更優，細化后的晶粒尺寸為100μm左右，突破了Al－Ti－B系晶粒細化劑對鋁合金的細化極限。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。