一种用于铝硅合金的晶粒细化剂及细化铝硅合金熔体的方法

技术领域

本发明属于铝合金熔铸技术领域，特别是涉及一种用于铝硅合金的晶粒细化剂的制备方法和使用方法。

背景技术

铸造铝硅合金是制造发动机活塞的理想材料，该合金具有耐磨性好、热膨胀系数低、高温强度和抗蠕变性能较高等优点。近年来，随着发动机向高转速、低能耗、低噪音方向发展，对发动机活塞的性能提出了更高的要求。活塞材料的组织细化是使合金获得良好的铸造性能、机械性能和使用性能的重要基础。Al-Ti-B和Al-Ti-C是铝合金中重要的晶粒细化剂。与Al-Ti-B相比，Al-Ti-C细化效果优异、抗衰退能力强、TiC粒子聚集倾向小、对Zr或Cr中毒有免疫力。Al-Ti-C被认为是铝合金最有效的晶粒细化剂。但是，由于Al-Ti-C中间合金的制备需要特殊的工艺手段，如真空沸腾法、热爆合成法等，使得其生产难度大、成本高，限制了它的推广和使用。目前，工业生产中广泛使用的晶粒细化剂仍是Al-Ti-B中间合金。为了有效细化铝硅活塞合金的组织、进一步提高其性能，发明一种低成本、高效的晶粒细化方法具有迫切的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂的制备方法和使用方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

（1）以工业纯铝、钛屑为原料，置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金；其中，钛屑的重量为原料量的4~8 wt %；熔炼温度为1000～1300℃，精炼时间15~20分钟；

（2）保持Al-Ti二元合金液温度在1000～1300℃，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体；其中，石墨颗粒的加入量为所述Al-Ti二元合金的0.2~1 wt%；

（3）静置5~10min；

（4）将合金熔体浇注成型即得Al-Ti-C晶粒细化剂。

进一步，本发明还提供一种细化铝硅合金熔体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在坩埚中熔炼铝硅合金，所述铝硅合金中含硅重量为8~13 wt %，余量为工业纯铝；熔炼温度为720~760℃，精炼时间15~20分钟； 

（2）以不低于20℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至900~950℃，然后加入上述Al-Ti-C晶粒细化剂；其中，Al-Ti-C晶粒细化剂的加入量为铝硅合金总量的0.2~0.8 wt%；并均匀搅拌熔体，接着保温20~40min;

（3）将步骤（2）所得的合金液降温至720~760℃，降温冷却时间控制在5~30min；

（4）浇铸成铸锭，获得细晶铝硅合金锭。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出首先按常规生产工艺熔炼Al-Ti二元合金，保持合金液温度在1000～1300℃时加入石墨颗粒，由于此时合金熔体具有较好的流动性，通过搅拌使得石墨颗粒易于在熔体中均匀分散。同时，部分石墨颗粒可与合金熔体中的Ti反应生成TiC，以TiC质点的形式存在于Al-Ti-C中间合金。

进一步，本发明提出在使用Al-Ti-C中间合金时，将铝硅合金液过热至900~950℃保温一定的时间。在这样的工艺条件和熔体中Si元素的共同作用下，将使C在熔体中的活度大大增加，从而促进C与Ti的进一步反应、使TiC的数量增多。随后将合金液快冷至720~760℃，TiC将被保留下来，稳定存在于熔体中。TiC是Al熔体凝固过程中有效的形核核心，大量细小、分散、均匀分布的TiC粒子可以有效细化晶粒。因而通过这样的处理工艺，可以获得细晶铝硅合金锭。

2、本发明将中间合金的合成和使用有机结合在一起，注重使用中的细化效果，而不单纯追求在合成中间合金时就获得大量的TiC。基于TiC反应的本质热力学特点，在Al-Ti-C三元系中，元素Ti与C很难直接化合生成TiC，因此不得不采取特殊的制备工艺，例如前面提到的真空沸腾法、热爆合成法等，使得其生产难度和成本增大。本发明基于Al-Ti-C-Si四元系中Si对C活度的影响，通过使用过程中对铝硅合金液的过热处理，进一步促进C与Ti化合生成TiC的反应，将TiC的有效合成和熔体细化处理工艺有机结合在一起，因而大大降低了生产难度，减少了生产成本。

（3）本发明提供的用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂及其细晶铝硅合金锭，可以在常规熔炼条件下完成，不需额外增添设备（因而不增加额外投资），而且工艺简单，细化效果好。

附图说明

图1（a）是未添加Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片；

图1（b）是添加0.5 wt%Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片。

具体实施方式

　　下面结合具体实施例对本发明方法作进一步祥细说明。

实施例1：

1、一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，以工业纯铝、钛屑及石墨颗粒为原料制备而成，其中，钛屑的重量百分比为5%，石墨颗粒的重量百分比为0.3%，余量为工业纯铝。

首先，将工业纯铝、钛屑置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金。熔炼温度为1150℃，精炼15分钟；然后，保持合金液温度在1150℃左右，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体，静置5min后，将熔液浇注成合金饼锭。

2、一种细化铝硅合金熔体的方法，首先在坩埚中熔炼铝硅合金（含硅重量百分比为10.5%，余量为工业纯铝），熔炼温度为720℃，精炼20分钟；然后以20℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至900℃，加入铝硅合金重量0.5 wt%　的上述Al-Ti-C晶粒细化剂，并均匀搅拌，接着保温0.5h；然后，将合金液降温至730℃，降温冷却时间为0.5h，随即浇铸成铸锭。

在铝硅合金铸锭中心取样，进行金相显微组织观察和晶粒度测定，结果表明，添加Al-Ti-C中间合金的铝硅合金组织得到明显细化，一次枝晶间距由未添加Al-Ti-C中间合金时的220μm降低至95μm，同时二次枝晶数量增多、尺寸细化。

实施例2：

1、一种用于铝硅合金的Al-Ti-C晶粒细化剂，以工业纯铝、钛屑及石墨颗粒为原料制备而成，其中，钛屑的重量百分比为8%，石墨颗粒的重量百分比为0.8%，余量为工业纯铝。

首先，将工业纯铝、钛屑置于坩埚炉内熔化，熔炼Al-Ti二元合金。熔炼温度为1300℃，精炼20分钟；然后，保持合金液温度在1300℃左右，加入石墨颗粒，并均匀搅拌熔体，静置10min后，将熔液浇注成合金饼锭。

2、一种细化铝硅合金熔体的方法，首先在坩埚中熔炼铝硅合金（含硅重量百分比为13%，余量为工业纯铝），熔炼温度为750℃，精炼15分钟；然后以40℃/min的加热速度将铝硅合金液快速加热至930℃，加入铝硅合金重量0.3 wt%的上述Al-Ti-C晶粒细化剂，并均匀搅拌，接着保温20min；然后，将合金液降温至750℃，降温冷却时间为15min，随即浇铸成铸锭。

在铝硅合金铸锭中心取样，进行金相显微组织观察和晶粒度测定，结果表明，添加Al-Ti-C中间合金的铝硅合金组织得到明显细化，一次枝晶间距由未添加Al-Ti-C中间合金时的215μm降低至82μm，同时二次枝晶数量增多、尺寸细化。

经过本发明提供的晶粒细化剂和细化方法处理，可以有效细化铝硅合金。附图1（a）是未添加Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片；图1（b）是添加0.5 wt%Al-Ti-C的铝硅合金的铸态金相显微组织照片。附图1比较了添加和未添加本发明所述的Al-Ti-C晶粒细化剂的铝硅合金的典型铸态金相显微组织，照片显示添加晶粒细化剂的铝硅合金组织得到明显细化。

本发明是将Al-Ti-C中间合金的合成和使用有机结合在一起，采用简单的元素直接合成法、进一步通过使用过程中对铝硅合金液的过热处理，促进C与Ti化合生成TiC的反应，从而实现在有效合成TiC的同时、有效细化铝硅合金熔体的目的。该方法可以在常规熔炼条件下完成，不需额外增添设备和投资，而且工艺简单，细化效果好。与现有Al-Ti-C中间合金的制备技术相比，该方法注重于使用中的细化效果，将TiC的有效合成和熔体细化处理工艺有机结合在一起，大大降低了生产难度，减少了生产成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。