專利名稱：一種Al-Ti-B-Er細化劑及其制備方法
技術領域：
本發明屬于細化劑技術領域，特別涉及一種鋁合金稀土細化劑。
背景技術：
晶粒細化方法主要有機械法、控制過冷、添加晶粒細化劑。添加細化劑具有操作簡單，成本低的優點，而廣泛應用于工業生產中。針對常用Al-Ti-B細化劑存在的一些缺=TiB2粒子易聚集、沉淀失去細化能力；B易與Cr、Zr發生中毒反應，喪失細化能力；常用細化劑中的TiB2、TiAl3粒子，能夠成為有效的異質形核核心的不足I %，細化能力有待提高。近年來國內外研究發現稀土 Sc、La等，具有細化晶粒的作用，主要因為稀土元素具有較大的偏析 系數，在凝固過程中易偏析，形成了較大的成分過冷，細化了晶粒；易在晶界、相界處偏聚，阻礙了晶粒的長大，細化了晶粒。稀土元素具有吸附作用，能夠有效吸附間隙原子，O、N、H等，起到凈化作用。在Al-Ti-B中添加稀土元素如Y、Ce、La等，改善了細化劑中TiAl3JiB2粒子的尺寸、形貌、分布，可以獲得較好質量的細化劑。稀土 Er不僅能夠細化鑄態組織，固溶在基體中的Er在時效過程中能夠彌散析出，大幅提高了合金的性能。
發明內容
本發明采用常規的細化劑制備手段，自蔓延反應法，添加不同含量的稀土 Er，研制一種穩定、長效、高效、潔凈的Al-Ti-B-Er復合變質細化劑。為解決上述問題，本專利主要技術方案為添加不同含量的稀土 Er，制備一種復合變質細化劑。一種Al-Ti-B-Er復合變質細化劑，包含如下的質量百分比％組份，Ti :3. 0-10. 0，B :0. 6-2, Er :0. 1-0. 3，余量為 Al ；Ti/B = 5/1 (wt% )，細化劑由 a -Al、TiAl3、TiB2、Al3Er、AlErTi三元相等組成。細化劑TiB2粒子尺寸在2 y m以下，均勻分布；TiAl3粒子3_30um，均勻分布，且成塊狀，其細化能力明顯高于傳統Al-Ti-B細化劑，且具有變質作用。上述復合變質細化劑的制備方法，其特征在于，Er以中間合金形式添加，Ti和B以單質粉末狀加入，采用自蔓延反應法制備，具體包括以下步驟(I)原料準備，按要求稱量硼粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，要求鈦粉與硼粉的質量比為5，鋁粉與鈦粉的摩爾比為2. 5-3. 0，鋁錠純度99. 9% ;(2)將鈦粉、鋁粉、硼粉末混合均勻，將混合均勻的粉末置于模具中，壓制成塊體；(3)利用井式電阻爐將鋁錠加熱至780-800°C，待鋁錠完全熔化，覆蓋一層冰晶石覆蓋劑；石墨鐘罩壓入Al-Er中間合金，靜置，直至中間合金完全熔化并且擴散均勻；再將熔體升溫至800-900°C，石墨鐘罩壓入步驟(2)的塊體，石墨棒均勻攪拌，反應IOmin ;反應完成后，靜置5min，壓入C2Cl6精煉，扒洛，將鋁熔體澆注到已預熱250°C的鋼模中，獲得Al-Ti-B-Er變質細化劑。上述優選冰晶石和C2Cl6在100°C加熱lh，去除水分；將模具和扒渣勺等工具涂刷一層涂料，防止Fe雜質元素污染細化劑。選用石墨坩堝進行熔煉，石墨棒攪拌，防止Si的污染。
鈦粉325目，硼粉300目。壓塊中的Al\Ti = 2. 5-3. 0 (mol)，混合均勻，壓制成塊。鋁熔體達到一定溫度，壓入粉塊，均勻攪拌，使其發生燃燒反應。本發明解決了 TiB2易聚集問題，減小了細化劑中TiAl3、TiB2S子尺寸，改善了其形貌與分布，提高了細化效率。
圖I為850°C自蔓延反應法制備的細化劑的形貌圖；其中a對比例未添加稀土 Er元素；b實施例I添加0. IEr ;c、d分別為a、b的高倍的形貌圖。圖2為實施例I的Al-Ti-B-Er復合變質細化劑XRD物相分析；圖3為實施例I中AlErTi相的定量分析；圖4為實施例I中Al3Er相的定量分析。
具體實施例方式實施例I自曼延反應法制備Al-5Ti-lB_0. IEr細化劑過程如下I.原料準備，細化劑由鋁錠、鋁粉、鈦粉、硼粉、Al-Er中間合金、C2Cl6和冰晶石覆蓋劑制備。其中鋁錠純度99. 9%，粉末粒度，Ti粉325目，B粉300目。2.制備IKg的細化劑，按要求稱量硼粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，鋁燒損率為3%。要求Ti/B = 5(wt% );鋁粉與鈦粉的摩爾比為3。3.將鈦粉、鋁粉、硼粉末混合均勻，將混合均勻的粉末置于模具中，施加IOMPa的壓力，壓制成0 40X50的柱形粉塊。4.冰晶石和C2Cl6在100°C加熱lh，去除水分。5.將模具和扒渣勺等工具涂刷一層涂料，防止Fe雜質元素污染細化劑。選用石墨坩堝進行熔煉，石墨棒攪拌，防止Si的污染。6.利用井式電阻爐將洗凈的鋁錠加熱到780°C，待鋁錠完全熔化，覆蓋一層冰晶石，防止鋁的氧化和吸氣；先將Al-Er中間合金用鋁箔包好，石墨鐘罩壓入鋁液，靜置5min，待中間合金完全溶解，擴散均勻；再將爐溫升至850°C，石墨鐘罩將事先壓制好的柱形粉塊壓入鋁熔體，石墨棒均勻攪拌，使其發生燃燒反應，反應IOmin ;加入3% wt的C2Cl6進行精煉除氣，靜置5min ;用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮；待溫度降為720°C，澆注到已預熱250°C鋼模中；此法制備的細化劑，粒子尺寸小，且分布均勻。實施例28000C自蔓延反應法制備Al-5Ti-lB_0. 2Er細化劑將由鋁錠、鋁粉、鈦粉、硼粉、Al-Er中間合金按成分要求配比。將按要求粉末壓制成<j5 40X50的柱形粉塊。利用井式電阻爐將洗凈的鋁錠加熱到780°C，待鋁錠完全熔化，覆蓋一層冰晶石，防止鋁的氧化和吸氣；先將Al-Er中間合金用鋁箔包好，石墨鐘罩壓入鋁液，靜置5min，待中間合金完全溶解，擴散均勻；將爐溫升至800°C，石墨鐘罩將事先壓制好的柱形粉塊壓入鋁熔體，石墨棒均勻攪拌，使其發生燃燒反應，反應IOmin ;加入3% wt的C2Cl6進行精煉除氣，靜置5min ;用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮；待溫度降為720°C，澆注到已預熱250°C鋼模中該細化劑制備過程簡單，利用反應過程放出的熱量進行反應，制備出細化劑。對比例8500C自蔓延反應法制備Al-5Ti_lB細化劑將由鋁錠、鋁粉、鈦粉、硼粉按成分要求配比。將按要求粉末壓制成040X50的柱形粉塊。利用井式電阻爐將洗凈的鋁錠加熱到780°C，待鋁錠完全熔化，覆蓋一層冰晶石，防止鋁的氧化和吸氣；將爐溫升至850°C，石墨鐘罩將事先壓制好的柱形粉塊壓入鋁熔體，石墨棒均勻攪拌，使其發生燃燒反應，反應IOmin ;加入3% wt的C2Cl6進行精煉除氣，靜置5min ;用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮；待溫度降為720°C，澆注到已預熱250°C鋼模中。結合
本發明制備的產品效果圖I采用自蔓延反應法制備的Al-5Ti_lB、Al-5Ti-lB_0. IEr細化劑。圖a、b分別為Al-5Ti-lB、Al-5Ti-lB-0. IEr低倍下SEM圖，圖中尺寸在10-30 y m白色塊狀和針狀粒子為TiAl3粒子；尺寸在2 y m以下，呈片狀、線狀分布的為TiB2粒子。添加稀土元素促進了TiB2, TiAl3粒子的形成，TiB2粒子、TiAl3粒子數量明顯增多，且彌散分布。圖C、d分別為Al-5Ti-lB、Al-5Ti-lB-0. IEr高倍下SEM形貌圖，添加稀土 Er后，TiAl3粒子形貌發生明顯變化，趨于球化，TiB2粒子形貌變化不大。圖2為實施例I的細化劑800°C、850°C自蔓延反應的物相分析，可以看出細化劑主要由a-Al、TiAl3、TiB2、Al3Er、AlErTi等相組成。由于細化劑中添加了 0. I %的Er，并且形成了較多的AlErTi相，Al3Er含量就會減少，XRD未能有明顯的衍射峰。圖3為850°C自蔓延反應法制備的Al-5Ti-lB_0. IEr細化劑中物相的定量分析，由能譜可以看出白色較亮的相為Al3Er (右箭頭所指區域)和AlErTi (左箭頭所指區域)。
圖4為圖3中左箭頭所指區域AlErTi相的定量分析，圖5為圖3中右箭頭所指區域Al3Er相的定量分析。稀土元素具有吸附性，吸附了 Fe、Si等雜質元素。
權利要求
1.一種Al-Ti-B-Er復合變質細化劑，其特征在于，包含如下的質量百分比組份，Ti:.3. 0-10.0%, B :0. 6-2%, Er :0. 1-0. 3%，余量為 Al ；Ti/B = 5/1，細化劑的物相組成包括a -Al、TiAl3、TiB2, Al3Er 和 AlErTi 三元相。
2.權利要求I的一種Al-Ti-B-Er復合變質細化劑，其特征在于，TiB2粒子尺寸在2u m以下，均勻分布JiAl3粒子3-30um，均勻分布，且成塊狀。
3.權利要求I所述的一種Al-Ti-B-Er復合變質細化劑的制備方法，其特征在于，Er以中間合金形式添加，Ti和B以單質粉末狀加入，采用自蔓延反應法制備，具體包括以下步驟 (1)原料準備，按要求稱量硼粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，要求鈦粉與硼粉的質量比為5，鋁粉與鈦粉的摩爾比為2. 5-3. 0，鋁錠純度99. 9% ; (2)將鈦粉、鋁粉、硼粉末混合均勻，將混合均勻的粉末置于模具中，壓制成塊體； (3)利用井式電阻爐將鋁錠加熱至780-800°C，待鋁錠完全熔化，覆蓋一層冰晶石覆蓋劑；石墨鐘罩壓入Al-Er中間合金，靜置，直至中間合金完全熔化并且擴散均勻；再將熔體升溫至800-90(TC，石墨鐘罩壓入步驟(2)的塊體，石墨棒均勻攪拌，反應IOmin;反應完成后，靜置5min，壓入C2Cl6精煉，扒洛，將鋁熔體澆注到已預熱250°C的鋼模中，獲得Al-Ti-B-Er變質細化劑。
4.按照權利要求3的方法，其特征在于，冰晶石和C2Cl6在100°C加熱lh，去除水分。
5.按照權利要求3的方法，其特征在于，將模具和扒渣勺等工具涂刷一層涂料，防止Fe雜質元素污染細化劑，選用石墨坩堝進行熔煉，石墨棒攪拌，防止Si的污染。
6.按照權利要求3的方法，其特征在于，鈦粉325目，硼粉300目。
全文摘要
一種Al-Ti-B-Er細化劑及其制備方法，屬于細化劑技術領域。質量百分比組份，Ti3.0-10.0％，B0.6-2％，Er0.1-0.3％，余量為Al；Ti/B＝5/1，物相組成包括α-Al、TiAl3、TiB2、Al3Er和AlErTi。按要求稱量硼粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，鈦粉與硼粉的質量比為5，鋁粉與鈦粉的摩爾比為2.5-3.0，鋁錠純度99.9％；將鈦、鋁、硼混合均勻，置于模具中，壓制成塊體；將鋁錠加熱熔化，覆蓋冰晶石；壓入Al-Er中間合金，靜置；將熔體升溫，壓入塊體，攪拌反應，壓入C2Cl6精煉，扒渣，澆注。本發明解決了TiB2易聚集問題，提高了細化效率。
文檔編號C22C21/00GK102644010SQ20121010643
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者聶祚仁, 陳子勇, 馬騰飛, 黃暉 申請人:北京工業大學