專利名稱：一種 Al-Ti-C-Er細化劑及制備方法
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及制備方法。
背景技術：
添加晶粒細化劑不僅可以細化鑄態晶粒,細化枝晶組織,還能夠減少疏松,降低熱裂傾向，減少鑄造缺陷，提高后續的加工性能。近年來隨著對鋁合金細化劑的研究，開發出Al-Ti-C晶粒細化劑。Al-Ti-C晶粒細化劑中的TiC粒子尺寸小，不易聚集，分布均勻，并且與Al具有很好的共格性等優點，而受到廣泛關注。由于C在Al中的潤濕性較差，制備十分困難，通過強烈攪拌或者高溫反應制備Al-Ti-C晶粒細化劑，增加了制備成本，限制了Al-Ti-C晶粒細化劑的廣泛應用。稀土元素是表面活性物質，添加到鋁熔體中降低鋁的表面 能；稀土能夠細化晶粒和枝晶組織稀土元素易吸附在晶界和相界處，阻礙晶粒的長大；稀土元素偏析系數較大，易形成較大的成分過冷。基于稀土的眾多細化優點及其變質作用，在制備Al-Ti-C晶粒細化劑的過程中，添加稀土元素，可以提高C在鋁中的潤濕性，從而提高反應效率，制備更加高效的細化劑。
發明內容
本發明采用自蔓延反應法，添加不同含量的稀土 Er，研制一種高效、長效、潔凈的Al-Ti-C-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-C-Er復合變質細化劑，包含如下的質量百分比組份，Ti 3. 0-10. 0wt%, C 0. 15-0. 5wt%, Er :0. 1-0. 3wt%,余量為 Al ；Ti/C 的質量比=16-22 (優選50/3)，細化劑物相包括a-Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi三元相等。細化劑中TiC粒子尺寸在0. 5 y m以下，均勻分布且呈球狀JiAl3粒子IOum以下，均勻分布，且成塊狀，其細化能力明顯高于傳統Al-Ti-C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C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，按要求稱量石墨粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，要求鈦粉與石墨粉的質量比為16-22，鋁粉占石墨粉、鈦粉和鋁粉總質量的40%以上，鋁錠純度99. 9% ；( 2)將鈦粉、鋁粉、石墨粉末混合均勻，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-C-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。欽粉325目，石墨粉300目。招粉占石墨粉、欽粉和招粉總質量的40%以上,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 TiC制備難的問題，稀土 Er的添加，提高的C在Al中的潤濕性，提高了反應效率。減小了細化劑中TiAl3、TiC粒子尺寸，改善了其形貌與分布，提高了細化效 率，是一種穩定、長效、高效、潔凈的Al-Ti-C-Er復合變質細化劑。
圖I為850°C自蔓延反應法制備的細化劑的金相圖；其中a實施例I添加0. 2Er ；b對比例未添加稀土 Er元素；圖2 為 Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er 細化劑的 SEM 圖；圖3為Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er細化劑的物相定量分析。
具體實施例方式實施例I自蔓延反應法制備Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er細化劑過程如下I.原料準備，細化劑由鋁錠、鋁粉、鈦粉、石墨粉、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，C粉300目。2.制備IKg的細化劑，按要求稱量石墨粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，鋁燒損率為3%。要求Ti/C=50/3 (wt%);粉占粉塊質量的60% (鋁粉質量為78g)。3.將鈦粉、鋁粉、石墨粉末混合均勻，將混合均勻的粉末置于模具中，施加IOMPa的壓力，壓制成040X50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，Er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，獲得Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er變質細化劑。此法制備的細化劑，粒子尺寸小，且分布均勻。對比例自蔓延反應法制備Al-5Ti_0. 3C細化劑將由鋁錠、鋁粉、鈦粉、石墨粉按成分要求配比。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，獲得Al-5Ti-0. 3C細化劑。圖I采用自蔓延反應法制備的Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er，Al_5Ti_0. 3C細化劑的金相圖。圖a、b分別為Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er、Al_5Ti_0. 3C金相圖，圖中尺寸在IOiim以下塊狀的粒子為TiAl3粒子；尺寸在0. 5 y m以下，呈片狀分布的粒子為TiC粒子。添加稀土元素促進了 TiC、TiAl3粒子的形成，TiC粒子、TiAl3粒子數量明顯增多，且彌散分布。稀土也明顯改善了粒子的形貌，添加稀土制備的中間合金中，塊狀TiAl3粒子基本成塊狀，抑制了 TiAl3粒子的長大；未添加稀土的中間合金，其TiAl3粒子呈針狀，發生了長大，不利于細化效果。圖2為實施例I制備的Al-5Ti-0. 3C-0. 2Er細化劑的SEM圖，從圖中看見大量的 塊狀粒子，片狀分布的小粒子，一種襯度較亮，為AlErTi、A13Er ;—種襯度較暗，為TiC。這兩種粒子混合在一起，表明稀土元素能夠很好的抑制TiC粒子的聚集，使其分布更加均勻。圖3為實施例I制備的Al-5Ti_0. 3C_0. 2Er細化劑的物相定量分析，可以看出細化劑主要由a-Al、TiAl3、TiC、AlErTi等相組成。文獻研究表明在Al中添加稀土 Er會形成Al3Er,由于細化劑中添加了 0. 2%的Er，并且形成了較多的AlErTi相，Al3Er含量就會減少，且其襯度與AlErTi相基本相同，無法辨別。TiC粒子尺寸較小，能譜未能很好的分析。細化劑添加到要細化的合金中，AlErTi將會發生分解，釋放出Er原子，增加TiC與Al的潤濕性，使粒子的運動變的困難，細化劑更加長效。
權利要求
1.ー種Al-Ti-C-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. 0wt%, C 0. 15-0. 5wt%, Er :0. 1-0. 3wt%，余量為 Al ；Ti/C 的質量比=16-22，細化劑物相包括 a -Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi 三元相。
2.按照權利要求I的細化劑，其特征在于，細化劑中TiC粒子尺寸在0.5 u m以下，均勻分布且呈球狀JiAl3粒子IOum以下，均勻分布，且成塊狀。
3.按照權利要求I的細化劑，其特征在于，Ti/C的質量比=50/3。
4.ー種制備權利要求I所述的細化劑的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)原料準備，按要求稱量石墨粉、鈦粉、鋁粉、Al-Er中間合金、鋁錠，要求鈦粉與石墨粉的質量比為17-22，鋁粉占石墨粉、鈦粉和鋁粉總質量的40%以上，鋁錠純度99. 9% ； (2)將鈦粉、鋁粉、石墨粉末混合均勻，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，覆蓋ー層冰晶石覆蓋劑；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-C-Er變質細化劑。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，冰晶石和C2Cl6在100°C加熱lh，去除水分。
6.按照權利要求4的方法，其特征在于，將模具和扒渣勺工具涂刷ー層涂料，防止Fe雜質元素污染細化劑。
7.按照權利要求4的方法，其特征在于，選用石墨坩堝進行熔煉，石墨棒攪拌，防止Si的污染。
8.按照權利要求4的方法，其特征在于，鈦粉325目，石墨粉300目。
全文摘要
一種Al-Ti-C-Er細化劑及制備方法，屬于細化劑技術領域，其組成Ti3.0-10.0wt%，C0.15-0.5wt%，Er0.1-0.3wt%，余量為Al；Ti/C的質量比=17-22，細化劑物相包括α-Al、TiAl3、TiC、Al3Er、AlErTi三元相。將鈦、鋁、石墨粉混合均勻，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；將熔體升溫至需要的反應溫度，壓入塊體，攪拌反應，壓入C2Cl6精煉，扒渣，澆注。本發明解決了TiC粒子制備難的問題，稀土Er的添加，提高的C在Al中的潤濕性，提高了反應效率。
文檔編號C22C1/06GK102784905SQ20121018976
公開日2012年11月21日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者聶祚仁, 陳子勇, 馬騰飛, 黃暉 申請人:北京工業大學