CN1064088C - 一种含钛、碳的铝基中间合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含钛、碳的铝基中间合金的制备方法，中间合金的主要成分包括铝、钛、碳、覆盖剂和活化剂，覆盖剂为混合盐，活化剂为稀土元素和碱土元素。中间合金的制备工艺首先在炉中将工业纯铝熔化至750-850℃，加入活化剂，稍后按比例加入钛酸盐和石墨粉，并加入覆盖剂，保持反应10-30分钟，除渣、浇铸成锭，即为产品中间合金。本发明的制备工艺简单，原料和生产成本低，适合于大规模工业生产和应用。

Description

一种含钛、碳的铝基中间合金的制备方法

本发明涉及一种含钛、碳的铝基中间合金的制备方法，属金属材料技术领域。

含钛、碳的铝基中间合金具有相当广泛的应用。早期研究是将其作为常规铝及铝合金晶粒细化剂来进行的。

实现微晶化并进而达到强韧化，是铝及铝合金以及其它金属材料中重要而又普遍的研究课题。目前对晶粒细化的研究主要包括两个途径，即物理方法和化学方法。具体形式有如快速凝固、搅拌和添加形核剂(晶粒细化剂)及粉末冶金等，其中最有效实用而经济的方法是加形核剂。

对于工业纯铝及铝合金，目前普遍使用的细化剂是AlTi、AlTiB等系列的中间合金，其中Al5Ti1B是目前世界上公认的最好的细化剂之一。但是，仍存在一些先天的难以克服的问题。首先，AlTiB细化剂在使用过程中TiB₂粒子容易聚集、沉淀，大大影响其衰退性能，尤其是极大的损坏轧材的表面质量并且损坏轧辊；另外，AlTiB细化剂对含Zr、Cr等元素的铝及铝合金会失去细化效果。八十年代开发出来的AlTiC系细化剂为上述问题找到了一条新的解决途径。然而，由于铝液与石墨的润湿性差等原因，碳引入铝钛合金中非常困难。目前，AlTiC中间合金细化剂典型的制备工艺是Banerji和Reif于80年代中期发表的英国专利，专利号为GB2171723A，名称为“含TiC合金的制备”，即在1250℃以上的高温下在Al-Ti合金熔体中加入一定粒度(平均粒度为20微米)且预先在700-900℃烘干0.5-1小时的碳粉并快速搅拌达30分钟以上制成。其生产工艺复杂，原料和工艺成本很高，而且生产的稳定性不高。上述因素极大地阻碍了AlTiC系列细化剂的发展。目前，世界上AlTiC细化剂的生产仅仅限于实验室规模，至多是小规模的工业生产，还极少在铝工业生产进行大规模的应用。

另外，在80年代末，随着XD^TM等自生合成工艺的出现，Al-TiC系自生复合材料的研究开始引起人们的兴趣，进入90年代以后逐渐引起国际材料界的广泛重视而成为材料应用领域的热点之一。目前，80年代末由美国Martin Mametta公司研制开发的XD^TM技术仍是Al-TiC系自生复合材料的主要制备技术。该内容见美国专利US4,808,372，名称为“含高熔点物质的复合材料的原位合成”，其原理是将生成TiC的Ti、C粉末及基体Al或Al合金粉末混合，在高于基体熔点、低于单一TiC合成温度条件下，使Ti、C之间发生反应，从而在铝基体中形成TiC强化相颗粒。在这种制备方法中，增强相元素粉末及基体粉末的预制和混合使得该方法的原料成本很高、工艺复杂、控制困难且具有相当的危险性，很难进行规模化工业生产。近年来，为避免XD^TM法的上述缺点，国内外不少研究者采用常规熔铸+重熔激冷工艺来制备Al-TiC系自生复合材料。其常规熔铸工艺中，以铝锭、钛锭或铝-钛合金锭与石墨粉为原料，熔炼方法借鉴A.Banerji和W.Reif制备Al-Ti-C晶粒细化剂的方法。因此，这种Al-TiC系自生复合材料的制备方法与Al-Ti-C系细化剂的制备方法一样，存在很大的缺陷，难以推广应用。

本发明的目的是提出一种含钛、碳的铝基中间合金的制备方法，针对现有各种方法的缺陷，提出了一种全新的同时又简单易行的含Ti、C铝基中间合金的制备方法，采用工业纯铝和氟钛酸盐(氟钛酸钾或氟钛酸钠)为原料，代替原有方法中普遍采用的金属铝、金属钛或Al-Ti合金原料，从而碳粉能充分利用氟钛酸盐分解时放出的热量及活性钛原子发生溶解和反应；同时加入组元X活化熔体，改善铝熔体与碳粒中的润湿性，显著促进碳的吸收。

本发明提出的一种含钛、碳的铝基中间合金，其组成为：

成分          含量(wt％)

铝(Al)       85.45-96.70

钛(Ti)           1-10

碳(C)          0.1-3.5

活化剂(X)      0.00-4

其中的活化剂为铈、镧、钙、锶、镁中的任何一种或几种。

本发明提出的如上所述的中间合金的制备方法，包括以下各步骤：

①按配方比例配好原料备用；

②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至750-850℃，按比例加入活化剂；

③1-3分钟后，按比例加入氟钛酸盐和石墨粉，并加入覆盖剂，保持反应10-30分钟；

④除渣，浇铸成锭，即得到产品中间合金。

上述的活化剂包括稀土元素(镧(La)、铈(Ce)等)和碱土元素(镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)等)中的一种或几种。它(们)的主要作用一方面活化铝熔体，促进碳的吸收；同时也降低了生成的TiC颗粒的聚集；另一方面还增强中间合金中TiC颗粒与铝基体的界面相容性。

本发明制备上述细化剂的方法为：按预先设计要求的成分比例准备好工业纯铝、氟钛酸盐(氟钛酸钾或氟钛酸钠)、石墨粉(粒度在50微米以下)、活化剂(稀土元素或碱土元素或它们的混合物)及混合盐覆盖剂(50wt％氯化钾+50wt％氯化钠)等原料备用。

在感应炉或电阻炉中熔化工业纯铝至750-850℃，先加入活性剂(X)，约1-2分钟后同时加入氟钛酸盐和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂。对于电阻炉，可以利用机械搅拌作用加速反应的进行；对于电磁感应炉，利用其自身的电磁搅拌作用进行搅拌即可。约10-30分钟后，除渣浇铸成锭，即为产品中间合金。本发明中钛和碳的收得率都在90％以上。

本发明的制备方法，其工艺简单，原料和生产成本低，适合于大规模工业生产和应用。

本发明的实施方案，详细描述如下：实施例1

中间合金配方：

成分         含量(wt％)

铝(Al)        93.95

钛(Ti)     5.00

碳(C)      1.00

制备工艺为：

①按配方比例配好原料备用；

②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至800℃；

③同时加入氟钛酸钠和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约15分钟；

④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例2

中间合金配方：

成分     含量(wt％)

铝(Al)     92.65

钛(Ti)      5.00

碳(C)       1.00

铈(Ce)      1.30

制备工艺为：

①按配方比例配好原料备用；

②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至800℃，加入活化剂：

③约2分钟后同时加入氟钛酸钾和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约15分钟；

④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例3

中间合金的配方：

    成分         含量(wt％)

    铝(Al)         96.70

    钛(Ti)          1.00

    碳(C)           0.20

    镧(La)          2.00

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至750℃，加入活化剂；

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钠和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约10分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例4

中间合金的配方：

    成分          含量(wt％)

    铝(Al)       96.18

    钛(Ti)        3.00

    碳(C)         0.50

    钙(Ca)        0.30

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至850℃，加入活化剂；

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钾和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约30分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例5

中间合金的配方：

    成分           含量(wt％)

    铝(Al)            87.85

    钛(Ti)             8.00

    碳(C)              0.10

    锶(Sr)             4.00

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至730℃，加入活化剂：

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钾和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约20分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例6

中间合金的配方：

    成分          含量(wt％)

    铝(Al)          85.45

    钛(Ti)          10.00

    碳(C)            3.50

    镁(Mg)           1.00

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至830℃，加入活化剂；

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钠和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约15分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。实施例7

中间合金的配方：

    成分         含量(wt％)

    铝(Al)         90.98

    钛(Ti)          7.00

    碳(C)           1.50

    镁+铈(Mg+Ce)    0.50

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至780℃，加入活化剂；

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钾和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约25分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

实施例8

中间合金配方：

    成分          含量(wt％)

    铝(Al)           89.65

    钛(Ti)            5.00

    碳(C)             1.00

    钙+锶+镧(Ca+Sr+La)4.30

制备工艺为：

  ①按配方比例配好原料备用；

  ②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至800℃，加入活化剂；

  ③约2分钟后同时加入氟钛酸钠和石墨粉，并加入混合盐覆盖剂，保持反应约15分钟；

  ④除渣，浇铸成锭，即得到中间合金。

Claims (2)

1、一种含钛、碳的铝基中间合金，其特征在于该合金的组成为：

成分         含量(wt％)

铝(Al)       85.45-96.70

钛(Ti)           1-10

碳(C)          0.1-3.5

活化剂(X)      0.00-4

其中的活化剂为铈、镧、钙、锶、镁中的任何一种或几种。

2、一种制备如权利要求1所述的中间合金的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

①按配方比例配好原料备用；

②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至750-850℃，按比例加入活化剂；

③1-3分钟后，按比例加入氟钛酸盐和碳粉，并加入覆盖剂，保持反应10-30分钟；

④除渣，浇铸成锭，即得到产品中间合金。