熔体法原位制备Al-Mg-Si-O中间合金的制备方法与流程

本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金的制备方法。

背景技术：

铝合金是国民经济生产中应用最广泛的材料之一，其制造过程均涉及铸造成形和锻压、轧制、拉拔等塑性变形工艺，未经处理的合金材料本征特性或组织粗大的铝合金无论是材料本身还是后续加工的性能往往不能满足加工和使用要求。所以，晶粒细化和颗粒增强作为提高材料力学性能的两种重要手段成为改善已确定成分铝材质量的重要途径。

通常，在熔体中添加细化剂对合金进行变质处理是工业大规模生产中晶粒细化最行之有效的方法。变质处理就是向金属液体中加入变质剂(又称为孕育剂或形核剂)，在金属液中形成大量分散的非自发形核核心，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。经变质处理后，铝合金理想的合金组织应是细小α-al等轴晶基体中和晶界上均匀地分布着一定数量的细小、弥散的颗粒状、短棒状的非连续第二相，这样既能保留基体良好的塑性和韧性，又能充分发挥第二相的增强作用。

当前，铝合金生产中选用最多的、细化al基体的细化剂有al-ti-b、al-ti-c、稀土等。然而，这些细化剂在生产制备过程或变质中存在诸如排放出对环境有害的氟化物和氯化物气体、不易控制、易氧化、造渣量大、浪费严重等问题。此外，这些通用型细化剂还会和铝合金中某些合金元素发生反应，不仅改变了物相组成且复杂难控，减弱了细化剂和合金组元原本的作用。所以，开发新型高效的铝合金专用细化剂成为当务之急。

已有的报道中尚未发现含mgal2o4和mg2si相的al-mg-si-o中间合金及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金的制备方法，该方法采用熔体法原位制备含mgal2o4和mg2si相的al-mg-si-o中间合金，可作为变质剂优化铝及其合金组织。该中间合金的制备与应用的特点为：

1)将铝镁合金和二氧化硅粉末加入到工业纯铝的熔体中，经熔体原位反应生成mgal2o4和mg2si相，然后降温冷却浇铸成al-mg-si-o中间合金锭；

2)将含mgal2o4和mg2si相的al-mg-si-o中间合金作为变质剂，可细化铝合金中的α-al基体相。

为实现上述目的，本发明所设计一种熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金的制备方法，包括如下步骤：

1)将纯铝熔化成铝液，搅拌并去除铝液表面浮渣；

2)按照al-mg-si-o中间合金中，mg、si和al含量的要求，将mg或al-mg合金和二氧化硅粉末依次加入到铝液中，并搅拌；

3)继续加热熔炼并原位保温反应，搅拌(提高原位反应产物的分散性和均匀性)，得到中间合金熔体；

4)对中间合金熔体进行精炼处理并去除去浮渣后，静置，得到中间合金液；

5)将中间合金液降温铸成合金锭；即得到al-mg-si-o中间合金，其中，mg含量为0.30～0.45wt.％、si含量为3～5wt.％、其余为铝和氧及其不可避免的杂质。

进一步地，所述步骤1)中，纯铝中al含量质量比为>94wt.％。

再进一步地，所述步骤1)中，熔化温度为由室温加热至680～750℃。

再进一步地，所述步骤2)中，al-mg合金为二元合金或多元合金；二氧化硅粉末为纯二氧化硅；

或，由含一种或多种含有si和o的材料反应生成的二氧化硅。

再进一步地，所述步骤3)中，熔炼温度为800～900℃，原位保温反应时间为30min-3h；搅拌为手动搅拌、机械搅拌或电磁搅拌，搅拌的方式为连续搅拌或间断式搅拌。

再进一步地，所述步骤3)中，原位保温反应时间为30～180min。

再进一步地，所述步骤4)中，静置时间为10-30min。

再进一步地，所述步骤5)中，中间合金液降温至680-700℃铸成合金锭。

再进一步地，所述al-mg-si-o中间合金中，mgal2o4相和mg2si相的质量比为3～6％，mgal2o4和mg2si相的尺寸均为微米级或纳米级，且平均尺寸均不大于50微米。

再进一步地，所述al-mg-si-o中间合金中，其中，mg含量为0.32～0.42wt.％、si含量为3.5～4.5wt.％、其余为铝和氧及其不可避免的杂质。

本发明方法的原理：

中间合金是变质剂和增强相加入的最有效载体。中间合金是以一种金属为基体，用来改善合金性能的特种合金；也是一类添加型的功能材料，使用中间合金可以达到获得化学成分精确和分布均匀的金属材料，解决添加化学活性大、熔点低、易挥发元素烧损问题，得到稳定的合金成分和较高的元素收得率，可使熔化温度降低，缩短金属材料的熔炼时间和降低冶炼温度。使用中间合金可以同时加入多种组元和化合物，简化冶炼操作和缩短了精炼时间等目的。

因此，中间合金可用于合金生产过程中元素的准确添加及成分调整、细化晶粒、变质处理、净化处理、脱氧脱硫处理、固溶强化等，在铝及铝合金行业有着广泛的应用。

本发明以细化增强铝合金为目的，设计的al-mg-si-o中间合金的制备方法为：

(1)将纯镁或铝镁合金和二氧化硅粉末；

(2)纯镁或铝镁合金、纯硅、铝硅合金、含有氧化镁、氧化铝、二氧化硅等可以在铝熔体原位反应生成mgal2o4和mg2si的物质；加入到纯铝或铝合金熔体中发生如下反应：

1)2mg+sio2＝2mgo+si

2)4al+3sio2＝2al2o3+3si

3)mg+[o]＝mgo

4)2al+3[o]＝al2o3

5)mgo+al2o3＝mgal2o4

6)mg+2si＝mg2si

所述的al-mg-si-o中间合金为含mgal2o4和mg2si相的铝合金或铝镁合金。所述合金中mgal2o4和mg2si相的含量均小于6％(质量百分比)，所生成的mgal2o4和mg2si相平均尺寸均小于50微米。

mgal2o4具有相对较高的硬度、高密度、良好的热稳定性、耐化学侵蚀性能和耐磨性能、能够在氧化或还原气氛中保持较好的稳定性等典型特征。mgal2o4因其与al晶体结构相同，均为面心立方结构(fcc)，并且两者之间晶格错配度较小(f(al/mgal2o4)＝1.11％)，被认为是al合金的一种新型有效形核剂，能起到晶粒细化的作用。研究表明，高熔点的mgal2o4(2250℃)相在铝合金熔体中可以稳定存在，其(111)和(200)等晶面可成为al的择优形核晶面。如(111)[110]//α-al(111)[110]，且二者晶面间错配度仅为1.4％，符合经典形核理论中异质形核理论的形核核心要求。如果能通过原位自生的方法制备与熔体之间有较好润湿性的mgal2o4颗粒，便可进一步提高其作为形核核心的分散性、均匀性和有效性，从而有效细化铝合金的基体组织。同时，α-al的晶界数量增多为al合金中的第二相提供了更多的析出位置，降低了单位晶界中的合金元素含量，加上晶界上分布的mgal2o4颗粒的阻碍等作用使得第二相的尺寸随基体组织的细化而减小，从而达到共同细化之目的。

再者，mg2si具有较高的熔点(1085℃)、较低的密度(1.99×10³kg/m³)、高硬度(4.5gpa)、低热膨胀系数(7.5×10^-6k^-1)和高弹性模量(120gpa)等特性。原位内生mg2si颗粒增强铝合金复合材料具有密度小、热稳定性高、增强体分布均匀、切削加工性和成型性能良好等优点，成为铝基复合材料中的一个重要发展方向，已获得广泛的应用。

综上所述，用含mgal2o4和mg2si相的al-mg-si-o中间合金变质优化铝合金时，不仅可以细化合金的基体组织，降低第二相尺寸，而且可以同时发挥mg2si相的增强作用，从而多层面提高合金的性能。

本发明的有益效果：

1.本发明以熔体法作制备含mgal2o4和mg2si相的中间合金，作为铝合金的变质剂，具有操作安全、环境友好、成本低廉、易于工业化大规模生产等特点；

2.可将被变质的合金中粗大的树枝晶细化为等轴晶为主的细晶，细化晶粒尺寸至平均50微米以下；

3.mg2si相在中间合金和被优化合金基体中均匀分布，其增强效果明显；

4.被优化纯铝或铝合金的抗拉强度、硬度可提高10％以上，塑性可提高5％以上。

综上所述：本发明采用熔体法原位反应制备al-mg-si-o中间合金并作为铝合金的变质剂，具有操作安全、环境友好、成本低廉、易于工业化大规模生产等特点；可将合金中粗大树枝晶转变为细等轴晶；细化后基体的平均晶粒尺寸可至50微米以下，从而获得力学性能优良的铝合金材料和制品。

附图说明

图1是本发明实施例1的中间合金微观组织照片；

图2是本发明实施例1的未经变质的铝合金的微观组织照片；

图3是本发明实施例1的变质铝合金的微观组织照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

实施例1

熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金1的制备方法，包括如下步骤：

1)将所用原材料、熔炼炉和工具烘干；

2)在坩埚中将600g的工业纯铝加热熔化并升温至700℃，搅拌并去除铝液表面浮渣；

3)分别在800℃和850℃时，将10g纯mg和22g二氧化硅粉末分别加入到铝液中，并搅拌；

4)在850℃熔炼并原位保温反应30min，期间每隔10min搅拌1min(机械搅拌转速为50～200r/min)，提高反应产物mgal2o4和mg2si相在纯铝熔体中的分散性和均匀性；

5)降温至800℃，采用1.5g六氯乙烷对中间合金熔体进行精炼处理并去除去浮渣后，静置10min；

6)将所得的中间合金液降温至680℃浇铸到钢模中，获得中间合金锭，得到al-mg-si-o中间合金1。

如图1所示：mgal2o4和mg2si相的尺寸均为微米级或纳米级，且平均尺寸均不大于50微米。

使用上述al-mg-si-o中间合金1对8079铝合金进行变质处理，中间合金的添加量为1wt.％，变质温度为780℃。变质前后的8079铝合金的微观组织见图2和图3，晶粒细化效果明显，α-al基体可细化至30um。变质后，8079铝合金的硬度提高23％，塑性提高8％。

实施例2

熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金2的制备方法，包括如下步骤：

1)将所用原材料、熔炼炉和工具烘干；

2)在坩埚中将580g的工业纯铝加热至720℃熔化成铝液，搅拌并去除铝液表面浮渣；

3)在850℃时，将50g纯al-20mg(wt.％)合金、20g纯硅粉末分别加入到铝液中，并搅拌；

4)升温至900℃保温60min，期间每隔10min电磁搅拌1min，提高反应产物mgal2o4和mg2si相在8079铝合金熔体中的分散性和均匀性；

5)降温至800℃，采用2.0g六氯乙烷对中间合金熔体进行精炼处理并去除去浮渣后，静置15min；

6)将所得的中间合金液降温至680℃浇铸到钢模中，获得中间合金锭，即为al-mg-si-o中间合金2。

使用al-mg-si-o中间合金2铝合金进行变质处理，中间合金的添加量为1wt.％，变质温度为800℃。变质处理后的6061铝合金的抗拉强度提高18％，塑性提高10％。

实施例3

熔体法原位制备al-mg-si-o中间合金3的制备方法，包括如下步骤：

1)将所用原材料、熔炼炉和工具烘干；

2)在坩埚中将600g的工业纯铝加热熔化并升温至700℃，搅拌并去除铝液表面浮渣；

3)分别在850℃和900℃时，将15g纯mg和20g二氧化硅粉末分别加入到铝液中，并搅拌；

4)在850℃熔炼并原位保温反应30min，采用电磁搅拌(频率5hz，电源300a)，提高反应产物mgal2o4和mg2si相在纯铝熔体中的分散性和均匀性；

5)降温至800℃，采用1.5g六氯乙烷对中间合金熔体进行精炼处理并去除去浮渣后，静置10min；

6)将所得的中间合金液降温至680℃浇铸到钢模中，获得中间合金锭，即得到al-mg-si-o中间合金3。

使用al-mg-si-o中间合金3铝合金进行变质处理，中间合金的添加量为1.5wt.％，变质温度为800℃。变质处理后的7075铝合金的抗拉强度提高15％，塑性提高4％。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

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