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新型快速凝固Al-Ti-B-Sc鋁合金晶粒細(xì)化劑

一、項目簡介鋁合金因重量輕、資源豐富、綜合性能好，所以在機械、交通運輸、航天與軍事工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐年增加。生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金，控制鑄錠組織是十分必要的，而控制其組織和性能的關(guān)鍵之一是獲得細(xì)小均勻的等軸晶。晶粒細(xì)化是近期國際上對傳統(tǒng)材料升級和創(chuàng)造新型合金的三大工藝手段之一。因此，可以運用細(xì)化晶粒的方法來提高合金的性能，從而滿足不斷發(fā)展的技術(shù)對高性能材料的需要。晶粒細(xì)化方法可分為內(nèi)生形核質(zhì)點法和外來形核質(zhì)點法，內(nèi)生形核法主要包括電磁作用、超聲波振動、快速凝固等方法，而外來形核質(zhì)點法是通過向呂溶液中加入中間合金細(xì)化劑，產(chǎn)生異質(zhì)形核核心，提高晶體的形核率，從而細(xì)化晶粒。在實際生產(chǎn)中，內(nèi)生形核的幾種方法都有一定的局限性，如需要特殊的設(shè)備和工藝，成本較高等，因此，目前向鋁合金熔液中添加細(xì)化劑仍是細(xì)化晶粒最簡單有效的方法。目前，應(yīng)用較為廣泛的鋁合金細(xì)化劑包括Al-Ti-B、Al-Ti-C等中間合金細(xì)化劑。Al-Ti-B的細(xì)化機理是Al-Ti-B加入到鋁合金熔液中，會與鋁熔體中的鋁反應(yīng)生成Al3Ti、TiB2、AlB2等粒子，它們分散到整個合金熔液中并形核，從而起到晶粒細(xì)化作用。隨著鋁合金晶粒細(xì)化劑的多元化發(fā)展，人們通過向合金中加入稀土元素來提高細(xì)化效果和細(xì)化的長效性。稀土元素是表面活性物質(zhì)，易在鋁或鋁熔液的晶界和相面上吸附偏聚，稀土的加入不僅能夠改善Al3Ti形核相的形態(tài)和分布，還能細(xì)化熔液中微粒尺寸，同時稀土還具有除氫、凈化鋁液的作用。鈧是一種稀土元素，Sc元素是優(yōu)化鋁合金組織和性能的最有效的元素，Sc對Al有很強的彌散強化、晶粒細(xì)化作用，并可有效抑制Al的再結(jié)晶。Sc和Al相互作用的主要特征是共晶共格，Sc和Al生成的Al3Sc相與Al基體母相共格，對位錯及亞晶有極大的釘扎作用，阻止和抑制晶粒長大，促進晶粒細(xì)化，微量的鈧元素就能夠?qū)︿X合金起到很好的晶粒細(xì)化效果。近年來，快速凝固技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過快速凝固處理后，金屬在液態(tài)中的溶解度得到擴大，材料各部位的組織更加緊密，凝固結(jié)晶會更加細(xì)小，晶粒的分布更加均勻，這些結(jié)構(gòu)上的改變使材料擁有了更高的綜合性能，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。本項目中的新型細(xì)化劑是在已有應(yīng)用成熟的細(xì)化劑的基礎(chǔ)上，向其中添加微量稀土鈧元素，并結(jié)合快速凝固技術(shù)制備而成。將該新型細(xì)化劑加入到A356.2鋁合金后，合金微觀組織由原來粗大的樹枝狀晶粒變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，與已有的細(xì)化劑相比，其細(xì)化效果更加明顯，對合金力學(xué)性能有更大的提高。二、項目技術(shù)成熟程度已完成實驗工作。實驗中，對比了A356.2鋁合金分別加入傳統(tǒng)鑄態(tài)Al-Ti-B、快速凝固Al-Ti-B、鑄態(tài)Al-Ti-B-Sc和快速凝固Al-Ti-B-Sc，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，快速凝固Al-Ti-B-Sc中間合金對A356.2鋁合金具有最好的細(xì)化效果，微量稀土元素Sc的加入和快速凝固技術(shù)的使用使細(xì)化劑具有了更好的細(xì)化效果，經(jīng)過該細(xì)化劑細(xì)化后鋁合金的力學(xué)性能會得到更大的提高。三、技術(shù)指標(biāo)本項目中，未細(xì)化前，A356.2 鋁合金的平均晶粒尺寸為120μm左右；加入傳統(tǒng)Al-Ti-B細(xì)化劑后，A356.2鋁合金的平均晶粒尺寸會細(xì)化至80μm左右；而加入該新型細(xì)化劑后鋁合金的細(xì)化劑會細(xì)化至30μm左右，可見，該新型細(xì)化劑對A356.2鋁合金細(xì)化效果非常明顯。經(jīng)過該細(xì)化劑細(xì)化后，A356.2鋁合金的性能也有一系列的提高，硬度值由細(xì)化前的80HV增加到接近100HV。細(xì)化并熱處理后，抗拉強度由原來的300MPa增加到接近370MPa，延伸率由原來的4.5%可增加到5%以上。該項目中的相關(guān)內(nèi)容已申報發(fā)明專利，申請?zhí)枮?0130644087.1，專利正在受理過程中。四、市場前景鋁合金資源豐富，且具有良好的綜合性能，所以應(yīng)用非常廣泛，向熔融鋁合金中加入中間合金來細(xì)化鋁合金的晶粒可以進一步提高合金的性能。隨著鋁合金應(yīng)用的進一步廣泛，對鋁合金性能的要求也越來越高，該項目所涉及的內(nèi)容在細(xì)化鋁合金內(nèi)部組織，獲得性能更優(yōu)異鋁合金具有非常突出的效果。該項目中的新型細(xì)化劑，在低壓鑄造鋁合金車輪的生產(chǎn)過程中將會有很好的市場前景，其對鋁合金車輪性能的提高能夠滿足更高的使用要求，隨著技術(shù)的不斷成熟，該新型細(xì)化劑很可能取代現(xiàn)在已有的應(yīng)用成熟的鋁合金細(xì)化劑。五、規(guī)模與投資需求六、生產(chǎn)設(shè)備TECNO 90工業(yè)熔煉爐、快速凝固設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)備及萬能拉伸試驗機、金屬分析儀、金相顯微鏡等檢測觀察設(shè)備。七、效益分析由于該項技術(shù)屬本領(lǐng)域的新技術(shù)，較已有的技術(shù)相比有突出的優(yōu)勢，按每年生產(chǎn)1000噸計算，可獲利約2000萬。八、合作方式面談。九、項目具體聯(lián)系人及聯(lián)系方式項目負(fù)責(zé)人：趙維民，電話：13370316780，郵箱：wmzhao@hebut.edu.cn 。十、附件：成果圖片 A356.2鋁合金細(xì)化前后的金相組織

河北工業(yè)大學(xué) 2021-04-11

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