[发明专利]一种制备Al-Si合金晶粒细化剂的方法

说明书

本发明公开了一种制备含原位纳米Al₂O₃颗粒的Al‑Si合金晶粒细化剂的方法，属于合金细化剂技术领域。其包括以下步骤：第一步，将铝粉和煅烧高岭土混合球磨；第二步，将球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末利用碾压装置加入纯铝和A356的混合熔体；第三步，升温使铝和高岭土充分反应生成纳米Al₂O₃颗粒并利用高能超声对其进行分散；经冷却浇铸得到纳米Al₂O₃颗粒细化剂。该细化剂可以有效避免Al‑Si合金中的Si中毒现象和Al‑Ti‑B细化剂中TiB₂颗粒沉降带来的细化剂失效问题，使得Al‑Si合金的细化效果更加显著。

技术领域

本发明公开了一种制备含原位纳米Al₂O₃颗粒的Al-Si合金晶粒细化剂的方法，属于合金细化剂技术领域。

背景技术

Al-Si合金由于其优良的铸造性能和力学性能，被广泛用于航空航天和民用等领域。未经处理的Al-Si合金中粗大的α-Al晶粒使得铝合金铸件的表面质量和组织均匀性变差，粗大的等轴晶也不利于提高合金的力学性能，同时也会增加铸造缺陷出现的概率。因此，在其生产过程中必须采取一定的措施来细化粗大的等轴晶。

目前，工业上最广泛使用的晶粒细化剂是Al-5Ti-1B和Al-3Ti-1B；但是，该细化剂应用于Al-Si合金时由于Si中毒现象和TiB₂颗粒的沉降问题使得细化效率大幅度降低。随后，有人开发出Al-B细化剂、Al-Nb-B细化剂和纳米颗粒细化剂。但是，通过实践发现，Al-B细化剂、Al-Nb-B细化剂在熔体中超过1小时后都存在严重的退化现象；而一种细化剂要在工业中进行应用，一般要求其有效时间能在2小时以上。近几年纳米颗粒增强铝基复合材料发展迅速，研究者发现一些纳米颗粒对Al-Si合金具有一定的细化效果；但是，纳米颗粒细化剂制备过程中存在外加颗粒和基体合金润湿性差和纳米颗粒难以分散的问题。总而言之，由于理想细化剂的缺乏，已经严重制约了Al-Si合金在工业上的应用。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种纳米Al₂O₃颗粒细化剂的制备方法，克服反应物与基体润湿性差，加入熔体较为困难和纳米颗粒难以分散的难题；并且，该种细化剂可有效避免Al-Si合金中的Si中毒现象和细化颗粒沉降带来的细化剂失效问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种纳米Al₂O₃颗粒细化剂的制备方法，主要通过熔体反应法并结合半固态碾压技术和高能超声分散技术制备一种分散均匀的纳米Al₂O₃颗粒细化剂。

在熔融金属中，基体金属处于液态，添加物处于固态，润湿直接的体现就是液体在固体表面上铺展开来，可以用润湿角来定量分析这个问题。影响润湿角的因素主要有液相金属的表面张力，固体的表面能以及液体的表面能。提高增强体表面能，降低液体表面能和降低液相金属的表面张力都可以减小润湿角来达到提高润湿性的效果。

同时，我们在实验中发现球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末和按照一定比例配置的纯铝和A356熔体润湿性较差的另一个原因：球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末尺寸较小，在这些球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末表面被空气包裹，所以，球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末无法与按照一定比例配置的纯铝和A356熔体直接接触，从而导致了球磨过的铝粉和煅烧高岭土混合粉末和按照一定比例配置的纯铝和A356熔体无法润湿。

由于Al₂O₃化学性质稳定，在熔体中不会和Si反应，有效避免了Si中毒现象带来的细化剂失效；其次Al₂O₃的密度要小于TiB₂和Al₃Ti，且生成的颗粒尺寸为纳米级别，所以颗粒沉降带来的细化剂失效问题会显著改善。