CN103290271A - 一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属金属材料领域,涉及一种用于细化变质共晶及过共晶铝-硅系合金中初晶硅与共晶硅的铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法。该中间合金体系,磷元素以Ti5P3和TiP0.63化合物形式存在,并含有微米级和亚微米级的TiC和TiB2粒子。该合金化学组成按质量百分比为:铝82.00%-96.30%,钛2.50%-10.00%,磷1.00%-5.00%,碳0.10%-2.00%,硼0.10%-1.00%。制备步骤是:按比例准备好工业纯铝、铝-磷二元中间合金、铝-硼二元中间合金、纯钛和石墨粉。将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟,升温至1100℃-1400℃,同时加入纯钛和石墨粉,保温并搅拌5-30分钟后直接浇注成锭或制备成线材。所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金具有良好的细化变质效果。
Description
技术领域
本发明属金属材料领域,特别涉及一种能够细化变质铝-硅系合金中初晶硅与共晶硅的铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法。
背景技术
目前,共晶及过共晶铝-硅系合金中初晶硅的细化主要采用添加磷的方法。自上世纪三十年代发明磷细化初晶硅的专利以来,含磷中间合金的研究取得了较大进展,如铜-磷、铝-铜-磷、铝-铁-磷和铝-硅-磷等中间合金。申请号为200510044827的中国专利报道了一种含有铝、硅、磷的新型中间合金,该中间合金中含有大量预先形成的AlP颗粒,其对初晶硅具有良好的细化效果,并在生产中获得了大规模的推广应用。但是,该中间合金中的AlP化合物易于在空气中氧化、水解,从而造成中间合金的磷在保存过程中的损耗。专利号为CN101613820B的中国专利报道了一种铝-锆-磷中间合金,其中形成大量的ZrP化合物解决了AlP的储存损耗问题,但是锆元素的添加大大提高了中间合金的生产成本,因此在生产中迫切需要发明一种新的含磷铝基中间合金,在达到良好的细化效果的同时,便于长期保存和使用,且生产成本较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种能够对共晶及过共晶铝-硅合金中的初晶硅起到高效细化并显著提高合金的力学性能的铝-钛-磷-碳-硼中间合金,同时提供一种生产成本低、工艺简便、适合工业化生产的制备方法。
本发明是通过以下方式实现的:
一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金,包含铝、钛、磷元素,其特征是它还含有碳和硼元素,各组分的质量百分比为:铝82.00%-96.30%,钛2.50%-10.00%,磷1.00%-5.00%,碳0.10%-2.00%,硼0.10%-1.00%;磷元素主要以Ti5P3和TiP0.63形式存在于中间合金中;含有微米级和亚微米级的TiC、TiB2粒子。Ti5P3和TiP0.63粒子加入到共晶及过共晶铝-硅合金熔体中后,Ti5P3和TiP0.63与铝熔体反应生成AlP,为初晶硅提供异质核心。同时,引入的TiC、TiB2粒子不仅能够促进AlP的细化效果,而且能细化α-Al晶粒,进一步细化共晶团,提高合金的综合力学性能。
反应的原理是利用TiC结构的不稳定性,P元素能够掺杂到其晶格中,进而导致发生结构转变,形成Ti5P3和TiP0.63化合物,B元素对该反应起催化作用。
上述一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)首先按以下质量百分比准备好所需要原料:14.30%-72.00%的铝-磷二元中间合金、3.00%-17.00%的铝-硼二元中间合金、2.50%-10.00%纯钛,0.10%-2.00%石墨粉,余为纯铝;其中所用铝-磷二元中间合金中磷的百分含量为5.00%-7.00%,铝-硼二元中间合金中硼的百分含量为3.00%-6.00%;
(2)将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟;
(3)升温至1100-1400℃,同时加入纯钛和石墨粉,保温并搅拌5-30分钟后浇注成锭或制成线材。
所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为:
直接制备含有Ti5P3和TiP0.63的铝-钛-磷-碳-硼中间合金比较困难,而通过添加微量的碳和硼元素作为反应的催化剂,即可合成含有大量Ti5P3和TiP0.63颗粒的铝-钛-磷-碳-硼中间合金,所含化合物不易水解、氧化,有利于磷的储存,而其中的钛元素还能起到细化基体α-Al晶粒的作用,有利于提高合金的综合性能。采用该中间合金对共晶及过共晶铝-硅系合金进行细化处理,其中的初晶硅可以被很好地细化,而且对共晶硅也能起到良好的变质作用。该合金的制备工艺简单,生产效率高,适合大规模生产和应用。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例:
实施例1
(1)按工业纯铝9.70%、铝-磷二元中间合金65.00%、铝-硼二元中间合金13.30%、纯钛10.00%、石墨粉2.00%的质量百分比称取原料,其中铝-磷二元中间合金的含磷量为7.00%,铝-硼二元中间合金中硼含量为6.00%。
(2)将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟;
(3)升温至1100℃-1400℃,同时加入纯钛和石墨粉,保温并搅拌15-25分钟后直接浇注成锭或制备成线材。
所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为:
其中,磷元素以Ti5P3和TiP0.63形式存在于中间合金中;且含有微米级和亚微米级的TiC、TiB2粒子。
实施例2
(1)按工业纯铝26.00%、铝-磷二元中间合金58.00%、铝-硼二元中间合金10.00%、纯钛5.00%、石墨粉1.00%的质量百分比称取原料,其中铝-磷中间合金的含磷量为6.00%,铝-硼中间合金中硼含量为4.00%。
(2)将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟;
(3)升温至1100℃-1400℃,同时加入纯钛和石墨粉,保温并搅拌10-15分钟后直接浇注成锭或制备成线材。
所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为:
其中,磷元素以Ti5P3和TiP0.63形式存在于中间合金中;且含有微米级和亚微米级的TiC、TiB2粒子。
实施例3
(1)按工业纯铝39.80%、铝-磷二元中间合金50.00%、铝-硼二元中间合金6.70%、纯钛3.00%、石墨粉0.50%的质量百分比称取原料,其中铝-磷二元中间合金的含磷量为5.00%,铝-硼二元中间合金中硼含量为3.00%。
(2)将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟;
(3)升温至1100℃-1400℃,同时加入纯钛和石墨粉,保温并搅拌5-10分钟后直接浇注成锭或制备成线材。
所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为:
其中,磷元素以Ti5P3和TiP0.63形式存在于中间合金中;且含有微米级和亚微米级的TiC、TiB2粒子。
Claims (2)
1.一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金,包含铝、钛、磷元素,其特征是它还含有碳和硼元素,各组分的质量百分比为:铝82.00%-96.30%,钛2.50%-10.00%,磷1.00%-5.00%,碳0.10%-2.00%,硼0.10%-1.00%;磷元素以Ti5P3和TiP0.63形式存在于中间合金中;且含有微米级和亚微米级的TiC、TiB2粒子。
2.根据权利要求1所述的一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)首先按以下质量百分比准备好所需要原料:14.30%-72.00%的铝-磷二元中间合金、3.00%-17.00%的铝-硼二元中间合金、2.50%-10.00%纯钛、0.10%-2.00%石墨粉,余为纯铝;其中所用铝-磷二元中间合金中磷的百分含量为5.00%-7.00%,铝-硼二元中间合金中硼的百分含量为3.00%-6.00%;
(2)将纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃,加入铝-磷二元中间合金,搅拌2-5分钟;
(3)升温至1100-1400℃,同时加纯钛和石墨粉,保温并搅拌5-30分钟后浇注成锭或制成线材。
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