專利名稱：一種含鈦、碳的鋁基中間合金的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含鈦、碳的鋁基中間合金的制備方法，屬金屬材料技術領域。
含鈦、碳的鋁基中間合金具有相當廣泛的應用。早期研究是將其作為常規(guī)鋁及鋁合金晶粒細化劑來進行的。
實現微晶化并進而達到強韌化，是鋁及鋁合金以及其它金屬材料中重要而又普遍的研究課題。目前對晶粒細化的研究主要包括兩個途徑，即物理方法和化學方法。具體形式有如快速凝固、攪拌和添加形核劑(晶粒細化劑)及粉末冶金等，其中最有效實用而經濟的方法是加形核劑。
對于工業(yè)純鋁及鋁合金，目前普遍使用的細化劑是AlTi、AlTiB等系列的中間合金，其中Al5Ti1B是目前世界上公認的最好的細化劑之一。但是，仍存在一些先天的難以克服的問題。首先，AlTiB細化劑在使用過程中TiB2粒子容易聚集、沉淀，大大影響其衰退性能，尤其是極大的損壞軋材的表面質量并且損壞軋輥；另外，AlTiB細化劑對含Zr、Cr等元素的鋁及鋁合金會失去細化效果。八十年代開發(fā)出來的AlTiC系細化劑為上述問題找到了一條新的解決途徑。然而，由于鋁液與石墨的潤濕性差等原因，碳引入鋁鈦合金中非常困難。目前，AlTiC中間合金細化劑典型的制備工藝是Banerji和Reif于80年代中期發(fā)表的專利，即在1250℃以上的高溫下在Al-Ti合金熔體中加入一定粒度(平均粒度為20微米)且預先在700-900℃烘干0.5-1小時的碳粉并快速攪拌達30分鐘以上制成。其生產工藝復雜，原料和工藝成本很高，而且生產的穩(wěn)定性不高。上述因素極大地阻礙了AlTiC系列細化劑的發(fā)展。目前，世界上AlTiC細化劑的生產僅僅限于實驗室規(guī)模，至多是小規(guī)模的工業(yè)生產，還極少在鋁工業(yè)生產進行大規(guī)模的應用。
另外，在80年代末，隨著XDTM等自生合成工藝的出現，Al-TiC系自生復合材料的研究開始引起人們的興趣，進入90年代以后逐漸引起國際材料界的廣泛重視而成為材料應用領域的熱點之一。目前，80年代末由美國Martin Mametta公司研制開發(fā)的XDTM技術仍是Al-TiC系自生復合材料的主要制備技術。其原理是將生成TiC的Ti、C粉末及基體Al或Al合金粉末混合，在高于基體熔點、低于單一TiC合成溫度條件下，使Ti、C之間發(fā)生反應，從而在鋁基體中形成TiC強化相顆粒。在這種制備方法中，增強相元素粉末及基體粉末的預制和混合使得該方法的原料成本很高、工藝復雜、控制困難且具有相當的危險性，很難進行規(guī)模化工業(yè)生產。近年來，為避免XDTM法的上述缺點，國內外不少研究者采用常規(guī)熔鑄+重熔激冷工藝來制備Al-TiC系自生復合材料。其常規(guī)熔鑄工藝中，以鋁錠、鈦錠或鋁-鈦合金錠與石墨粉為原料，熔煉方法借鑒A.Banerji和W.Reif制備Al-Ti-C晶粒細化劑的方法。因此，這種Al-TiC系自生復合材料的制備方法與Al-Ti-C系細化劑的制備方法一樣，存在很大的缺陷，難以推廣應用。
本發(fā)明的目的是提出一種含鈦、碳的鋁基中間合金的制備方法，針對現有各種方法的缺陷，提出了一種全新的同時又簡單易行的含Ti、C鋁基中間合金的制備方法，采用工業(yè)純鋁和氟鈦酸鹽(氟鈦酸鉀或氟鈦酸鈉)為原料，代替原有方法中普遍采用的金屬鋁、金屬鈦或Al-Ti合金原料，從而碳粉能充分利用氟鈦酸鹽分解時放出的熱量及活性鈦原子發(fā)生溶解和反應；同時加入組元X活化熔體，改善鋁熔體與碳粒中的潤濕性，顯著促進碳的吸收。
本發(fā)明提出的一種含鈦、碳的鋁基中間合金，其組成為成分含量(wt％)鋁(Al) 80.48-99.98鈦(Ti) 0.001-10.00碳(C) 0.001-4.00復蓋劑 0.05-5活化劑(X) 0.00-4.50本發(fā)明提出的如上所述的中間合金的制備方法，包括以下各步驟①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至750-850℃，按比例加入活化劑③1-3分鐘后，按比例加入氟鈦酸鹽和石墨粉，并加入覆蓋劑，保持反應10-30分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到產品中間合金。
上述的活化劑包括稀土元素(鑭(La)、鈰(Ce)等)和堿土元素(鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)等)中的一種或幾種。它(們)的主要作用一方面活化鋁熔體，促進碳的吸收；同時也降低了生成的TiC顆粒的聚集；另一方面還增強中間合金中TiC顆粒與鋁基體的界面相容性。
本發(fā)明制備上述細化劑的方法為按預先設計要求的成分比例準備好工業(yè)純鋁、氟鈦酸鹽(氟鈦酸鉀或氟鈦酸鈉)、石墨粉(粒度在50微米以下)、活化劑(稀土元素或堿土元素或它們的混合物)及混合鹽覆蓋劑(50wt％氯化鉀+50wt％氯化鈉)等原料備用。
在感應爐或電阻爐中熔化工業(yè)純鋁至750-850℃，先加入活性劑(X)，約1-2分鐘后同時加入氟鈦酸鹽和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑。對于電阻爐，可以利用機械攪拌作用加速反應的進行；對于電磁感應爐，利用其自身的電磁攪拌作用進行攪拌即可。約10-30分鐘后，除渣澆鑄成錠，即為產品中間合金。本發(fā)明中鈦和碳的收得率都在90％以上。
本發(fā)明的制備方法，其工藝簡單，原料和生產成本低，適合于大規(guī)模工業(yè)生產和應用。
本發(fā)明的實施方案，詳細描述如下實施例1中間合金配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 93.95
鈦(Ti) 5.00碳(C) 1.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至800℃；③同時加入氟鈦酸鈉和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約15分鐘④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。
實施例2中間合金配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 92.65鈦(Ti) 5.00碳(C)1.00鈰(Ce) 1.30制備工藝為①按配方比例配好原料備用②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至800℃，加入活化劑③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鉀和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約15分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。實施例3中間合金的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 96.70鈦(Ti) 1.00碳(C) 0.20鑭(La) 2.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至750℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鈉和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約10分鐘④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。實施例4中間合金的配方成分含量(wt％)
鋁(Al) 96.18鈦(Ti) 3.00碳(C) 0.50鈣(Ca) 0.30制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至850℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鉀和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約30分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。實施例5中間合金的配方成分含量(wt％)鋁(Al)87.85鈦(Ti)8.00碳(C) 0.10鍶(Sr)4.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至730℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鉀和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約20分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。實施例6中間合金的配方成分 含量(wt％)鋁(Al)85.45鈦(Ti)10.00碳(C) 3.50鎂(Mg)1.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至830℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鈉和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約15分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。實施例7中間合金的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 90.98鈦(Ti) 7.00碳(C) 1.50鎂+鈰(Mg+Ce) 0.50制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至780℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鉀和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約25分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。
實施例8中間合金配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 89.65鈦(Ti) 5.00碳(C)1.00鈣+鍶+鑭(Ca+Sr+La) 4.30制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至800℃，加入活化劑；③約2分鐘后同時加入氟鈦酸鈉和石墨粉，并加入混合鹽覆蓋劑，保持反應約15分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到中間合金。
權利要求
1.一種含鈦、碳的鋁基中間合金，其特征在于該合金的組成為成分 含量(wt％)鋁(Al) 80.48-99.98鈦(Ti) 0.001-10.00碳(C)0.001-4.00復蓋劑 0.05-5活化劑(X)0.00-4.50
2.一種制備如權利要求1所述的中間合金的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業(yè)純鋁至750-850℃，按比例加入活化劑；③1-3分鐘后，按比例加入氟鈦酸鹽和石墨粉，并加入覆蓋劑，保持反應10-30分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到產品中間合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含鈦、碳的鋁基中間合金的制備方法,中間合金的主要成分包括鋁、鈦、碳、覆蓋劑和活化劑,覆蓋劑為混合鹽,活化劑為稀土元素和堿土元素。中間合金的制備工藝首先在爐中將工業(yè)純鋁熔化至750－850℃,加入活化劑,稍后按比例加入鈦酸鹽和石墨粉,并加入覆蓋劑,保持反應10－30分鐘,除渣、澆鑄成錠,即為產品中間合金。本發(fā)明的制備工藝簡單,原料和生產成本低,適合于大規(guī)模工業(yè)生產和應用。
文檔編號C22C21/00GK1215087SQ9811937
公開日1999年4月28日 申請日期1998年9月25日 優(yōu)先權日1998年9月25日
發(fā)明者方鴻生, 馬洪濤, 張柏清, 李建國, 鄭燕康 申請人:清華大學