CN105087975B - 一种用于生产铝合金的高含量钛添加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金的添加剂领域，公开了一种用于生产铝合金的高含量钛添加剂及其制备方法，主要由钛粉、铝粉、助熔剂压制而成的饼状或橄榄球状，所述钛粉、铝粉分别在惰性气体保护下破碎，还包括表面活性剂，各组分的质量百分数分别为：钛粉85%‑95%、铝粉4%‑14.49%、助熔剂0.01%‑5%、表面活性剂0.5%‑2%。本发明的添加剂，钛金属元素含量最高可高达95%，采用本发明所述的钛添加剂，其熔解温度低，添加剂可以在低至670℃下的铝熔体中熔解，熔解时间短，10‑15分钟即可熔解，钛金属元素的回收率高达98%以上。
Description
技术领域
本发明属于铝合金的添加剂领域，具体涉及一种铝合金钛添加剂及其制备方法。
背景技术
随着铝加工及铝合金工业不断发展，铝合金的研制被列为重点发展的技术，合金化是铝合金生产工艺流程中重要的一环。合金添加元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程。元素的溶解与其性质有密切关系，受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在铝液中的扩散速度控制。铝合金常用的合金元素有：硅、铁、铜、镁、镍、锌、钒等。一些低熔点或溶解度大的合金元素如镁、铜等可以直接加入铝熔体中，而大部分熔点高的合金元素如铁、镍、锰等，由于与铝的熔点差距太大，无法直接进行添加，需要通过中间合金的方式进行加入。这是因为如将铁、镍、锰等金属熔化，则熔炉温度必需达到1000℃以上，而铝的熔点只有660℃，如果在1000℃以上的温度下，则铝熔体会汽化，且熔炉内未汽化的铝液在如此高温下极易与周围的氧气、氢气、水等发生化学反应，形成难以去除的杂质，生成的铝合金熔体的合金含量与实际所需的合金含量偏差过大，从而导致合金机械性能无法满足要求，造成资源浪费。
为了避免上述不足，人们采用中间合金的方式降低合金元素熔融过程时所需的温度。中间合金的生产工艺是这样的：首先将所炼制的合金中含量最大的、熔点较低的金属熔化。然后将熔点较高的及含量较少的元素加入，溶解而制成合金。熔炼中间合金时，需要添加少量熔剂保护，以免气体进入合金，还可去除部分杂质。熔化后要充分搅拌，使成分均匀后铸锭。有些高质量的中间合金需要在真空中或保护气氛下熔炼和浇铸。评判铝合金的品质好坏的主要标准是合金中是否含有杂质或者杂质含量的多少，理想的铝合金是没有杂质的，因此杂质越少越好，因此对于铝合金所用的中间合金的品质要求极高，就需要在真空中或保护气氛下熔炼烧铸，生产工艺条件要求高，生产成本高，而且效率大大降低。另外，由于中间合金所含的合金元素含量较低，在称料计算时，所用的中间合金量就会较大，为了保证熔融中间合金的温度，每次投放中间合金的量不能过多，加量过多会导致铝熔体温度降低，无法熔解中间合金，所以生产同一型号的铝合金时，用中间合金进行合金化就需要采用多次少量方式进行添加投放在铝熔体中，这样就会导致产生如下问题：1、熔化中间合金所需的时间过长；2、铝熔体长时间与大气中的氧气、氢气、碳、水分等其他物质发生反应生成的杂质量增多，导致铝合金的品质降低；3、熔化时间长会增加能耗，会增加铝熔体的烧损及吸气。
由于中间合金存在的上述不足，已逐渐被淘汰，近年来人们开始采用将金属粉末与助熔剂充分混合压制成型后加入铝熔体中的方式进行金属的合金化。实施时，铝合金熔铸的温度通常为710℃左右，对于低熔点或熔解度大的合金元素直接以单质金属粉末的形式加入铝液中即可熔解，但对于锰、铁、铬、钛等高熔点或熔解度小的合金元素，单质金属粉末便很难熔解于铝液中，如果将铝液熔炉的温度升高到锰、铁、铬、钛金属的温度，则熔炉中的铝液便会气化，因此解决的办法是在铝不会气化的温度下，快速将锰、铁、铬、钛等金属熔解，为了达到此目的，人们已经想到将锰、铁、铬、钛粉碎，并在粉末中添加助熔剂，并制成固定形状，即我们通常所说的锰剂、铁剂、铬剂、钛剂，当将锰剂、铁剂、铬剂、钛剂投入到铝液熔炉中，助熔剂在铝液中迅速发生反应，产生的热量在一段时间内能够达到使锰、铁、铬、钛等金属熔解的温度，从而达到熔解。但是，此种方式需要大量的助熔剂才能实现，因此每块添加剂产品中，锰、铁、铬或钛的含量最高只能达到85％左右，如果将添加剂产品中的锰、铁、铬或钛的含量提高到90％以上，则相应助熔剂的量则减少，在将产品加入到铝液中后，添加剂中的锰、铁、铬或钛不能完全熔解；另外，为了避免添加剂产品在运输过程中松散，通常要将添加剂产品压制成密度较高的饼状或球状，密度通常大于5.0g/cm3，但是对于密度较高的添加剂产品，有如下的问题，以钛添加剂为例：1、熔解比较缓慢，熔解时间通常为20min以上，熔解时间长；2、加入铝熔体的添加剂容易沉底，一旦沉底，一方面会导致钛粉熔解速度减慢，另一方面会导致钛粉溶解后分散不均匀；3、较密实的添加剂产品在熔解过程中表面会形成致密的保护膜，从而导致内部无法继续熔解，这样就会使回收率较低，最高仅能达到90％左右。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种熔解时间短、钛回收率高的用于生产铝合金的高含量钛添加剂。
本发明的目的在于提供如下基础方案：一种用于生产铝合金的高含量钛添加剂，，主要由钛粉、铝粉、助熔剂压制而成的饼状或橄榄球状，所述钛粉、铝粉分别在惰性气体保护下破碎，还包括表面活性剂，各组分的质量百分数分别为：钛粉85％-95％、铝粉4％-14.49％、助熔剂0.01％-5％、表面活性剂0.5％-2％。
本发明技术方案具有以下优点：
1.添加剂中钛粉的含量高，至少在90％以上，在铝合金铸熔时，钛剂中其主要作用的是钛粉，所以在铸熔等量铝合金时，本方案可以加入较少的量，达到相同的效果，这样就能节省原料。
2.助熔剂是作为杂质引入的，本方案所用的助熔剂含量非常低，所以极大的减少了铝合金中的杂质含量。
3.本发明的制备方法使用了表面活性剂，一方面，表面活性剂具有助悬作用，使用表面活性剂后，使得本发明的添加剂即使是密度较大的产品，也能在铝熔体中处于悬浮状态，不会沉底，在熔解的过程中，添加剂产品会在铝熔体内上下浮动，熔解速度加快，大大缩短了添加剂熔解时间，另外，添加剂悬浮在铝液中，而且添加剂产品会上下浮动，所以能使钛粉溶解后分散更均匀；另一方面，表面活性剂的憎水基能够将金属粉末的表面聚合在一起，使得金属粉末接触氧的机会减少，从而减少了钛金属及铝金属氧化膜的形成；再一方面由于表面活性剂的聚合作用，添加剂产品处于较松散的状态，但不会在运输中散开，这样钛粉和铝粉成型后的密度可以做的较小，能更快地熔解在铝熔体中；上述几方面的因素大大提高了添加剂熔解的速度，缩短了熔解时间，回收率高。
经过熔解试验得出，本发明的钛粉回收率能在10min左右就达到100％，钛粉的回收率非常高。
优化方案1，对基础方案的进一步优化，所述钛粉90％、铝粉5％、助熔剂3％、表面活性剂2％。发明人经试验发现，上述配比的添加剂产品熔解时间、钛回收率均较优。
优化方案2，对基础方案的进一步优化，所述钛粉95％、铝粉4％、助熔剂0.1％、表面活性剂0.99％。发明人经试验发现，上述配比的添加剂产品熔解时间、钛回收率均较优。
优化方案3，对基础方案的进一步优化，各成份压制成形后的密度范围为：2.6-3.5g/cm3。发明人经试验发现，压制成上述密度的添加剂产品熔解时间、钛回收率均较优。
优化方案4，对基础方案、优化方案1、2、3、4任一项的进一步优化，还包括粘结剂，按质量百分数计，粘结剂占0-3％。粘结剂能够有效的将钛金属粉末聚合在一起，因此对于粒径过细的粉末很容易形成团聚效果，更容易压制成型，压制成型的钛添加剂不会因为粒径过细而分散，便于运输；同时在压制时，无需将钛添加剂压的过于紧实，在较小密度下添加剂也可成型。在将添加剂加入铝熔体后，密度较小能快速地熔解。
优化方案5，对优化方案4的进一步优化，所述的粘结剂为聚阴离子纤维素。发明人经试验发现，使用聚阴离子纤维素作为粘结剂时，加入铝熔体的添加剂会从外到内逐渐熔解，不会出现钛粉烧损的现象。
优化方案5，对基础方案的进一步优化，所述的钛粉的粒度分布为：325-700目的钛粉占钛粉总含量的35％-40％，100-325目的钛粉占钛粉总含量的40％-45％，60-100目的钛粉占钛粉总含量的5％-10％，10-60目的钛粉占钛粉总含量的0-5％。众所周知，粒度越小，越容易熔解，本方案中的粒度分布能使添加剂快速地熔解在铝熔体中。
本发明的另一个目的在于提供基础方案一：一种用于生产铝合金的高含量钛添加剂的制备方法，包括(1)粉碎、(2)称料、(3)混匀、(4)压制、(5)干燥和(6)包装，步骤1中，是在惰性气体保护下粉碎，粉碎后选取钛粉的粒度范围为10-700目，铝粉的粒度分布为40-500目，助熔剂粉末粒度分布为40-500目；步骤2和3之间，增设有如下步骤：根据步骤2称料所得的质量总数，按照0.5％-2％的质量百分数称取表面活性剂，并配制表面活性剂溶液；步骤3混匀的过程是在隔绝空气的环境下进行，并将上述配制好的表面活性剂溶液洒入。
上述制备方法的优点在于：
1.本发明在制作金属粉末时采用惰性气体进行保护，能有效防止金属粉末表面形成氧化膜。另外，步骤3混匀的过程是在隔绝空气的环境下进行，这样可以有效防止钛粉、铝粉被氧化。
2.本发明的制备方法将表面活性剂配制成表面活性剂溶液，并将其喷洒在混合料中，表面活性剂的含量较少，通过喷洒的方式能使表面添加剂与钛粉、铝粉充分混合。
优化方案7，对基础方案一的进一步优化，步骤2和3之间，还增设有如下步骤：根据步骤2称料所得的质量总数，按照0.5％-2％的质量百分数称取粘结剂，并将其配制成粘结剂溶液；在步骤3混匀的过程中，还将上述配制好的粘结剂溶液洒入。通过洒入的方式能使粘结剂与钛粉、铝粉充分混合。
具体实施方式
本发明所述的表面活性剂为市售产品，不分类型均可使用。可以是硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯、聚山梨酯等。以下各实施例中的表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠。
本发明的助熔剂可以是六氟铝酸钠、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、硫酸钠、碳酸钠等，以下各实施例中的助熔剂选用六氟铝酸钠。
本发明的产品形状可以是饼状、橄榄球状、球状等，各种形状的使用效果相同，以下实施例中的产品为橄榄球状，各实施例的产品的原料配比、产品指标如下表所示：
下面将以实施例1为例进行说明：
实施例1
将本实施例用于生产铝合金的高含量钛添加剂，制成Φ16mm*11mm*4mm的橄榄球状，按质量百分比计，钛粉85％、铝粉10％、六氟铝酸钠3％、十二烷基苯磺酸钠2％、压制成形后的密度为2.6g/cm3。
上述添加剂根据以下方法制得：
(1)粉碎：使用惰性气体进行保护，将钛金属、铝金属及六氟铝酸钠在惰性气体保护下分别进行粉碎，其中钛粉的粒度范围为10-700目，铝粉的粒度范围为40-500目，六氟铝酸钠的粉末粒度范围为40-500目；
其中钛粉的粒度分布为325-700目的钛粉占钛粉总含量的35-40％，100-325目的钛粉占钛粉总含量的35％-45％，60-100目的钛粉占钛粉总含量的10％-15％，10-60目的钛粉占钛粉总含量的0-5％；铝粉的粒度分布为50-500目；六氟铝酸钠的粉末粒度分布为50-500目。同时使用惰性气体进行保护，以防止钛粉、铝粉及六氟铝酸钠粉末与氧结合生成金属氧化膜，从而保证钛添加剂的品质。
(2)称料：将步骤1所得的钛粉、铝粉、六氟铝酸钠粉末按照以下重量比进行称料：钛粉为85％、铝粉为10％、六氟铝酸钠粉末的为3％。
(3)制备十二烷基苯磺酸钠溶液：根据步骤2称料所得的质量总数，按照2％的质量百分数配制十二烷基苯磺酸钠溶液，所述的十二烷基苯磺酸钠溶液的浓度为30％。
(4)将步骤2所得的钛粉、铝粉及六氟铝酸钠粉移至混料机中，开启混料机按照20-30转/分钟的转速，混料2分钟，得到初步混和料，混料过程也在惰性气体保护下进行。
(5)将步骤3所得的十二烷基苯磺酸钠溶液喷洒在步骤4所得的初步混合料中，开启混料机，设定其搅拌频率为20-30转/分钟，混料时间为20分钟，即可得到混合均匀的混合料粉；在本步骤后，会通过抽取5个不同部位的混合了样品进行成份检测，若5个检测结果偏差在0.001％内，则说明混合均匀，即可进入步骤6，否则继续开启混料机，再次进行20分钟混料。
(6)将步骤5得到的混合料粉移入金属粉末球形压制成型机，采用线压力为10兆帕的压力进行压制成型；压制成形的产品密度为2.6g/cm3。
(7)将步骤6得到的产品放入干燥炉中干燥，使得其水分含量低于0.2％。
(8)将步骤7所得的高含量钛添加剂用铝箔包装即为成品。
将通过上述方法制得的成品，采用氮氢氧测定仪进行氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.5％。
实施例2
本实施例与实施例1的制备方法不同之处在于：
(2)称料：将步骤1所得的钛粉、铝粉、六氟铝酸钠粉末按照以下重量比进行称料：钛粉90％、铝粉5％、六氟铝酸钠粉末3％；
(3)制备十二烷基苯磺酸钠溶液：根据步骤2称料所得的质量总数，按照2％的质量百分数配制十二烷基苯磺酸钠溶液；
(6)压制成形的产品密度为3.0g/cm3。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于：
(2)称料：将步骤1所得的钛粉、铝粉、六氟铝酸钠粉末按照以下质量百分比进行称料：钛粉90％、铝粉4％、六氟铝酸钠粉末4％。
(3)制备十二烷基苯磺酸钠溶液：根据步骤2称料所得的质量总数，按照1％的质量百分数配制十二烷基苯磺酸钠溶液。
(4)制备粘结剂溶液：根据步骤2称料所得的质量总数，按照1％的质量百分数配制聚阴离子纤维素溶液，所述的粘结剂溶液的浓度为20％。
(6)将步骤3及步骤4所得的十二烷基苯磺酸钠溶液和聚阴离子纤维素溶液喷洒在步骤5所得的初步混合料中，开启混料机，设定其搅拌频率为20-30转/分钟，混料时间为20分钟，即可得到混合均匀的混合料粉。
(7)将步骤6得到的混合料粉移入压制成型机，采用压力为10-30兆帕的压力进行压制，成型后得到密度为3.4g/cm3的用于生产铝合金的高含量钛添加剂。
将通过上述方法制得的成品，采用氮氢氧测定仪采用常规方法进行氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.4％。
本发明所述的水分含量是通过常规水分含量测试方法测得。
本发明方法由于同时采用了聚阴离子纤维素和十二烷基苯磺酸钠，因此对于粒径很细的粉末更容易聚合成型，同时可减少金属粉末与氧的结合机会，从而使得产品的含氧量降低，更近一步提高了本发明产品的品质。
实验：
分别从实施例1-5中选取3个铝合金钛添加剂以及市场上购买的武义红锐金属材料有限公司的钛剂(75Ti)进行熔解测试，将其分别放入3个用于试验的石墨坩埚的铝液熔解炉中，在不同的时间段对各个铝液溶解炉中的溶液进行取样，待其冷却成固体后，用酸将其溶解，所用的酸为浓硝酸和浓度为50％的盐酸混合，两者的体积比为1:1，然后用ICP检测仪测量溶液中钛的含量，从而得到钛的平均回收率，其中，钛的回收率是指钛粉熔解在铝熔体内的质量与添加剂内钛粉总质量的比。钛的回收率越高，说明单位质量的添加剂中钛粉熔解的量越多。表1、表2、表3分别是在710℃、690℃、670℃时钛的回收率的熔解试验结果，具体结果如下所示：
表1
表2
表3
结论：
1.在温度相同的条件下，实施例1-5的添加剂的钛的回收率明显比市场上购买的钛剂(75Ti)的回收率高，而且熔解时间短。
2.本发明实施例1-5中的添加剂在670℃的温度下，10-15min时的钛回收率即可达到95-100％，相比现有技术20min以上时达到最高钛回收率来说，钛回收率更高，熔解时间短.
3.本发明添加剂的最低熔解温度可低至670℃，相比于现有技术的710℃降低了40℃，大大节约了熔炉能耗。因此，本发明钛剂熔解于铝液中的效率高，能耗少，成本低。
Claims (5)
1.一种用于生产铝合金的高含量钛添加剂，主要由钛粉、铝粉、助熔剂压制而成的饼状或橄榄球状，其特征在于：所述钛粉、铝粉分别在惰性气体保护下破碎，还包括表面活性剂，各组分的质量百分数分别为：钛粉85％-95％、铝粉4％-14.49％、助熔剂0.01％-5％、表面活性剂0.5％-2％，各组分压制成形后的密度范围为：2.6-3.5g/cm3,该钛添加剂由以下方法制备，包括(1)粉碎、(2)称料、(3)混匀、(4)压制、(5)干燥和(6)包装，步骤1中，是在惰性气体保护下粉碎，粉碎后选取钛粉的粒度范围为10-700目，铝粉的粒度分布为40-500目，助熔剂粉末粒度分布为40-500目；其中，所述的钛粉的粒度分布为：325-700目的钛粉占钛粉总含量的35％-40％，100-325目的钛粉占钛粉总含量的40％-45％，60-100目的钛粉占钛粉总含量的5％-15％，10-60目的钛粉占钛粉总含量的0-5％；步骤2和3之间，增设有如下步骤：根据步骤2称料所得的质量总数，按照0.5％-2％的质量百分数称取表面活性剂，并配制表面活性剂溶液；步骤3混匀的过程是在隔绝空气的环境下进行，并将上述配制好的表面活性剂溶液洒入；步骤4压制成型后的密度范围为：2.6-3.5g/cm3。
2.如权利要求1所述的用于生产铝合金的高含量钛添加剂，其特征在于：所述钛粉90％、铝粉5％、助熔剂3％、表面活性剂2％。
3.如权利要求1或2所述的用于生产铝合金的高含量钛添加剂，其特征在于：还包括粘结剂，按质量百分数计，粘结剂占0-3％。
4.如权利要求3所述的用于生产铝合金的高含量钛添加剂，其特征在于：所述的粘结剂为聚阴离子纤维素。
5.根据权利要求1所述的用于生产铝合金的高含量钛添加剂，其特征在于，步骤2和3之间，还增设有如下步骤：根据步骤2称料所得的质量总数，按照0.5％-2％的质量百分数称取粘结剂，并将其配制成粘结剂溶液；在步骤3混匀的过程中，还将上述配制好的粘结剂溶液洒入。
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