用于晶粒細化的Al-Nb-B母合金的制作方法
【專利說明】用于晶粒細化的A卜Nb-B母合金
[0001] 本申請涉及制備用于細化金屬合金的晶粒大小的母合金(也被稱為母料合金)的 方法,并且涉及隨后的作為金屬合金的晶粒細化劑的用途。尤其是,其涉及用于細化鋁-硅 合金和(包含鋁的和不包含鋁的兩種)鎂合金的晶粒大小的母合金的制備。
[0002] 在金屬合金的生產(chǎn)中的一個重要目標是減小終產(chǎn)物的晶粒大小。這被稱為"晶粒 細化"并且通常通過添加所謂的"晶粒細化劑"來解決,所述晶粒細化劑是被認為促進金屬 合金晶體的孕育處理的物質(zhì)。通過孕育處理的晶粒細化在鑄造工藝中帶來許多好處并且對 提高機械性能具有顯著的影響。細的等軸晶粒組織賦予高的屈服強度、高的韌性、良好的可 擠壓性、第二相的均勻分布和在細小尺度上的微孔性。這隨之引起改善的機加工性、良好的 表面光潔度和對熱撕裂的抗性(以及各種其他理想的性能)。
[0003] 本發(fā)明的申請人已經(jīng)提交了國際專利申請?zhí)朠CT/GB2012/050300(在本申請的優(yōu) 先權日之后公開為WO 2012/110788),其涉及細化(i)包含鋁和至少3% w/w硅的合金的或 (ii)包含鎂的合金的晶粒大小的方法,所述方法包括下列步驟:
[0004] (a)向所述合金中添加足夠的鈮和硼以形成二硼化鈮或Al3Nb或兩者,或 [0005] (b)向所述合金中添加二硼化銀,或
[0006] (c)向所述合金中添加 Al3Nb,或
[0007] (d)它們的任意組合。
[0008] 對于制造錯可鍛合金的行業(yè)來說,添加具有94重量% A1-5重量% Ti-I重量% B 的化學組成的母合金的形式的Al-Ti-B系晶粒細化劑是普遍的做法。母合金添加避免在鑄 造工藝中腐蝕性KBF4&的使用。不建議添加單質(zhì)形式的硼,這歸因于將其分散在熔體中的 實踐上的困難,這是其低的被液態(tài)Al或Mg合金潤濕的性質(zhì)的結果。母合金的添加克服了 這些問題。
[0009] 在WO 2012/110788中,公開了 :代替鹽添加,人們可以向Al-Si系液態(tài)合金中添加 小的Al-Nb-B母合金金屬片形式的二硼化鈮晶粒細化劑以獲得細的晶粒大小。添加濃縮的 Al-Nb-B合金確保NbB2向鋁熔體中的均勻分散。
[0010] 尤其是,WO 2012/110788公開了 :在電爐中在溫度范圍800-850°C下熔化商業(yè)純 Al錠并保持2小時。將5重量% NbB2 (Nb和KBFJ^混合物)添加到熔體中以形成NbB 2相。 在攪拌并且移除浮渣之后,將液態(tài)金屬澆鑄至模具中,從而產(chǎn)生Al-Nb-B晶粒細化劑母合 金。
[0011] 在另一個實例中,WO 2012/110788公開了:在900°C熔化商業(yè)Al-IONb母合金并且 加入至純Al以稀釋該合金從而形成Al-2Nb母合金。然后向熔體中添加1重量%硼以實現(xiàn) Al-2Nb-B的母合金組成。
[0012] US 3, 933, 476 (Union Carbide Corporation)公開了利用添加欽、錯和 KBF4的用 于鋁晶粒細化的方法。
[0013] GB 1 244 082 (Kawecki Berylco Industries,Inc.)公開了用于將絲或條形式的 合金化或晶粒細化成分加入至主要金屬中的方法,其中所述成分由鋁和硼、鈦或鋯中的一 種或多種組成。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供一種制備用于細化大塊合金的晶粒大小的母合金的 方法,所述方法包括提供Al-B合金并且添加單質(zhì)形式的Nb以形成Al-Nb-B母合金的步驟。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的母合金的技術優(yōu)點是:第一,其可以在不使用腐蝕性鹽如KBF4的情 況下生產(chǎn);第二,向大塊合金中加入濃縮Al-Nb-B合金確保了 Nb系的相向熔體中的均勻分 散;以及第三,其實現(xiàn)了最終合金中的較細的晶粒大?。〒Q言之,其為更有效的晶粒細化 劑)。
[0016] 在優(yōu)選的實施方案中,通過以下方式來制備所述Al-B合金:提供具有比所需更高 的硼含量的Al-B合金并且用單質(zhì)鋁將其稀釋。例如,為了制備97重量% A1-2重量% Nb-I 重量%合金,通過添加純錯來稀釋可商購的95重量% A1-5重量% B合金以生產(chǎn)99重量% Al-I重量% B合金。之后添加足夠的單質(zhì)銀,直到得到所需的97重量% A1-2重量% Nb-I 重量% B合金。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供一種通過添加如以上所定義的母合金而細化金屬合 金的晶粒的方法。在優(yōu)選的實施方案中,在其中添加母合金的金屬合金是(i)包含至少3% w/w硅的Al-Si合金或(ii)鎂合金。
[0018] 母料(也被稱為母合金)可以包含足夠量的鈮和硼以在最終合金產(chǎn)物中形成足夠 的二硼化鈮,從而當將該母合金加入至Al-Si或Mg合金熔體時,其可以將凝固的組織的晶 粒大小細化。當表示合金的式時,通常省略最高合金組分的重量百分數(shù)。因此,用于加入至 鋁合金的母料合金可以具有Al-X重量% Nb-Y重量% B的通式,其中X可以是0. 01至99 并且Y可以是0. 002至25,并且鋁組分的重量百分數(shù)是使總和為100的余量。
[0019] 現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的多個優(yōu)選實施方案,在附圖中:
[0020] 圖I A1-5B母合金中的典型顯微組織特征。硼化物相粒子(AlB12)是深色反差的。
[0021] 圖2 :Al-4. 05Nb-0. 9B母合金顯微組織,顯示NbB2相粒子
[0022] 圖3 Al-2Nb_2B母合金顯微組織,顯示NbB2相粒子
[0023] 圖4 Al-2Nb_B母合金顯微組織,顯示NbB2相粒子
[0024] 圖5. Al-IOSi鑄造物樣品的橫截面的宏觀的腐蝕的表面的照片。左邊的照片是 Al-IOSi合金,并且右邊的照片是針對在將Al-2Nb-2B加入至熔體后制備的樣品的。
[0025] 圖6:圖5中所示的樣品的光學顯微照片。(a)&(b)是針對Al-IOSi的,并且 (c)&(d)是針對具有Al-2Nb-2B添加的Al-IOSi的??梢栽诰哂蠥l-2Nb-2B添加的樣品中 看到較細的初生鋁和較細的共晶粒子。
[0026] 圖7.由(a)未添加和(b)添加 Al-2Nb_B的液態(tài)金屬鑄造的A380鑄塊的頂表面 的照片。
[0027] 圖8.在不具有和具有Al-2Nb_B母合金添加的情況下加工的Al-IOSi合金坯料中 晶粒組織的空間上的差異的示意圖。
[0028] 圖9.在不具有和具有Al-2Nb_B母合金添加的情況下制備的Al-IOSi合金坯料的 照片。
[0029] 圖10.楔形模具的橫截面的示意圖。ΤΙ、T2、T3表示模具中熱電偶的位置。還示 出了在這些三個不同位置處的腐蝕的表面的顯微組織。
[0030] 圖11.針對(a)未添加和(b)添加 Al-2Nb-B母合金的AM50合金使用高壓壓鑄工 藝制備的拉伸試條的橫截面的顯微組織。
[0031] 圖12.在實施例7的實驗中使用的模具的草圖。在這些草圖中描繪了在這些模具 中得到的典型冷卻速率。隨著鑄造結構體的厚度增加,冷卻速率降低。
[0032] 圖13合金A楔形和圓柱試樣的宏觀的腐蝕的橫截面:a)未添加和b)添加 Al-2Nb_2B 母合金。
[0033] 圖14.合金B(yǎng)楔形和圓柱試樣的宏觀的腐蝕的橫截面:a)未添加和b)添加 Al-2Nb_2B 母合金。
[0034] 圖15.合金C楔形和圓柱試樣的宏觀的腐蝕的橫截面:a)未添加和b)添加 Al-2Nb_2B 母合金。
[0035] 圖16. (a)未添加和(b)添加等價于0. 1重量的Nb的具有Al-2Nb_2B組成的母合 金的合金D的顯微組織。Al-2Nb-2B添加明顯地細化了晶粒組織Al晶粒和共晶Si針二者 的尺寸。
[0036] 圖17. (a)未添加和(b)添加 Al_2Nb_2B母合金的合金E的顯微組織。對于Al晶 粒和共晶Si針二者的尺寸來說,晶粒組織明顯細化。
[0037] 圖18.合金F的陽極氧化處理的顯微組織。左邊的顯微組織是針對在未添加晶粒 細化劑的情況下的圓柱形模具試樣的。右邊的顯微組織是添加了 Al-2Nb_2B的。
[0038] 圖19合金G楔形和圓柱試樣的宏觀的腐蝕的橫截面:a)未添加和b)添加 Al-2Nb_2B 母合金。
[0039] 圖20.圓柱形鑄造樣品的顯微組織的比較(a)未添加的合金G。(b)具有 Al-2Nb-2B母合金添加的合金G。與在參比樣品中看到的大型枝晶組織相比,Al-2Nb-2B母 合金形式的晶粒細化劑的添加產(chǎn)生了非常細(?150微米)的晶粒組織。在Al-2Nb-2B添 加之后是更細的初生Si尺寸的粒子(深色反差粒子)。
[0040] 實施例I :A1-Nb-B母合金的加工
[0041] 在本實施例中,硼源是可商購的A1-5重量% B母合金。Nb是單質(zhì)粉末的形式,獲 得自Johnson Matthey旗下的公司Alfa Aesar。圖1顯示Al-B母合金的顯微組織。深色 反差并且為球形的粒子是鋁的硼化物。將具有所需含量的這種母合金與商業(yè)純Al錠一起 在電爐中在溫度范圍800-850°C下熔化并且保持2小時,具有表1中列出的適合的濃度。用 非反應性陶瓷棒攪拌熔體。之后我們將壓實形式或離散粒子形式的Nb金屬粉末引入至熔 體中。重要的是應注意,在熔體中除了 NbBJH的形成,也可能根據(jù)位置化學濃度形成(A1, Nb)B2、Al3Nb相夾雜物。將熔體澆鑄至模具中。澆鑄的金屬被稱為Al-Nb-B母合金。圖2、3 和4中示出了各種母合金的顯微組織。這些是由在Al基體中分布的細Nb系粒子組成的。
[0042] 實施例2 :Al-2Nb_2B母合金對Al-IOSi合金的應用
[0043] 將Al-IOSi合金在電爐中在800°C下熔化并保持2小時。在錐形模具中鑄造參比 樣品。將模具預加熱至250°C,并且在傾倒至錐形模具中前將熔體的溫度保持在740°C。將 小塊Al-2Nb-2B母合金(等價于0· 05重量% NbB2,相對于Al-IOSi合金中Al的重量)加 入至剩余的熔體中。15分鐘后,將熔體攪拌約1分鐘并且澆鑄至錐形模具中。圖5顯示未 添加和添加 Al-2Nb-lB母合金的Al-IOSi合金的晶粒大小。通過添加 Al-Nb-B母合金得到 了細化的晶粒組織。用各種類型母合金對Al-Si重復鑄造過程,并且在表1中示出了它們 相應的晶粒大小。證實了具有表1中所示的組成的所有母合金細化了 Al-Si合金的晶粒大 小。除了更細的晶粒大小之外,如在圖6(c)&(d)中所示,觀察到更細的共晶Si。
[0044] 表1在Al-IOSi合金中的母合金組成、添加水平和相應的平均晶粒大小
【主權項】
1. 一種制備用于細化大塊合金的晶粒大小的母合金的方法,所述方法包括提供ai-b 合金并且添加單質(zhì)形式的Nb以形成Al-Nb-B母合金的步驟。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法,其中通過以下方式來制備所述A1-B合金:提供具有比 所需更高的硼含量的A1-B合金并且用單質(zhì)鋁將其稀釋。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法,其中所述具有更高的硼含量的A1-B合金是A1-5B。
4. 一種借助根據(jù)任一項前述權利要求所述的方法得到的母合金。
5. -種通過添加根據(jù)權利要求4所述的母料合金來細化金屬合金的晶粒的方法。
6. 根據(jù)權利要求5所述的方法,其中所述金屬合金包括: (i) 包含至少3% w/w硅的Al-Si合金,或 (ii) 鎂合金。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法,其中所述金屬合金是Mg-Al合金。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法,其中所述金屬合金是包含3至25重量%硅的Al-Si合 金。
【專利摘要】一種制備用于細化大塊合金的晶粒大小的母合金的方法,所述方法包括提供Al-B合金并且添加單質(zhì)形式的Nb以形成Al-Nb-B母合金的步驟。所述Al-B合金可以通過以下方式制備:提供具有比所需更高的硼含量的Al-B的合金并且用單質(zhì)鋁將其稀釋。
【IPC分類】C22C21-04, C22C1-03, C22C1-02, C22C21-00, C22C23-00, C22C1-00
【公開號】CN104583429
【申請?zhí)枴緾N201380043494
【發(fā)明人】哈里巴比·內(nèi)登德拉
【申請人】布魯內(nèi)爾大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年8月9日
【公告號】EP2885437A1, US20150218673, WO2014027184A1