CN115287503A

CN115287503A - 一种铝铍中间合金及其制备方法

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Publication number: CN115287503A
Application number: CN202210964985.4A
Authority: CN
Inventors: 徐小峰; 程龙; 姜朋飞; 秦明升
Original assignee: Shanghai Taiyang Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Taiyang Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2042-08-12
Also published as: CN115287503B

Abstract

本发明涉及一种铝铍中间合金及其制备方法，所述铝铍中间合金的原料包含0.05‑0.4重量份的锡，0.05‑0.3重量份的锌，1‑5重量份的铍，93‑98重量份的铝。铝铍中间合金是首先将铍‑锡‑锌混合熔体，与铝熔体混合均匀，进行自然冷却降温，待熔体降温至850‑900℃时，进行快速冷却至室温，得到所述铝铍中间合金。本发明首先在铍熔体中掺入少量的锡和锌，共同作用下得到了混合均匀的铍‑锡‑锌混合熔体，锡和锌的加入，降低了混合熔体的熔融温度，以和铝熔体更好，更均匀的完成混合。本发明还采用自然冷却‑快速冷却的两段式冷却工艺，减少了铍的偏析，使铝铍中间合金表现出优异的力学性能和抗应力松弛性能。

Description

一种铝铍中间合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金领域，具体涉及一种铝铍中间合金及其制备方法。

背景技术

中间合金是以一种金属为基体，将一种或者几种单质加入其中，以解决该金属单质易烧损、高熔点不易熔入、密度大易偏析等问题或者用来改善合金性能的特种合金，是一种添加型的功能材料。

铝基中间合金主要是用来调整铝熔体成分的一种添加剂产品，它是将一些融化温度较高的金属元素，用熔融法和铝生产中间体，这种中间体的熔化温度显著降低，从而使一些熔解温度较高的金属元素在较低的温度下加入到铝液当中，以调整熔体的元素含量。铝铍能显著改善合金的组织结构，细化晶粒，增加强度，改善铝或镁的清洁、流动性、耐腐蚀性。

铝铍合金按照其中铍的含量分为铍基铝合金和铝基铍合金，其中含铍量较低的成为铝基铍合金，也称之为铝铍合金，含铍量低于5％的称为铝铍中间合金，一般用于其他合金材料的添加材料。一般商品化的有Al-Be-1，Al-Be-3，Al-Be-5，其中铍含量分别在0.9-1.2％，2-4％，4-6％，根据不同需求可以选择不同铍含量的铝铍中间合金。铝铍中间合金主要适用于铝合金、镁合金熔炼中，可以改善镁和铝的清洁、流动性、耐腐蚀性，保护镁和铝的氧化及燃烧，减少元素的氧化损失，改善合金的组织结构，细化晶粒，增加强度。

目前现有技术中，铝铍中间合金的制备工艺主要是将铍和铝的熔体在炉中，在保护剂或者保护气氛下作用下进行熔融混合得到。但是铍和铝的熔点差异较大，铍的熔点在1280℃，而铝的熔点为660℃。并且通过铍铝的相图可知，其合金在650℃附近实际是发生了共晶反应，并不是纯相材料。熔炼时间和凝固时间的长短对铝铍中间合金的性能具有影响。在超过铝的熔点后，熔炼时间越长，氧化铝的含量就会越高，金属氧化物夹渣的形成，会影响铝铍中间合金作为添加剂的性能，降低了合金的致密性、延展性、硬度。但是熔炼时间过短，会使铝铍中间合金中的铍颗粒大小不均，并且可能伴有微气孔的缺陷，对合金的性能有所影响。凝固时间过短，会出现各项异性的粗颗粒或者片状组织，并且也会产生微气孔的缺陷；凝固时间过长，会发生铍和铝的两相分离，产生枝晶，偏析的现象，造成性能变劣，甚至无法使用。

因此亟需开发一种新的铝铍中间合金的制备方法，减少制备工艺中的枝晶、偏析现象，减少中间合金中氧化物的夹渣，改善铍在铝基体中分散情况，以提升铝铍中间合金作为其他铝合金制备时的添加剂的性能。

CN202010477768.3公开了一种铝铍合金粉末的制备，其实在真空环境下，利用电弧法是铝源熔融形成液膜，并且通过离心力使液膜破碎，该专利方法虽然能使铝铍合金融合更加均匀，但是所用真空熔炼设备内部还需要离心设备，操作复杂，成本高昂。

CN201610754243.3公开了一种低铍铝合金及其制备方法，其包含铍1-5wt％，铝中间合金93-98wt％，其他微量元素0.1-2wt％。其实通过调整微量元素的种类和比例，通过冷却水骤冷得到低铍铝合金。其直接使用冷却水骤冷，会出现导致合金性能变劣的粗颗粒，或者微气孔，因此该专利方法所得中间合金的韧性不足。

CN202110965607.3公开了一种低密度高模量的铝合金，其中铍占0.2-1.5％，Li占2.5-3.5％，Mn占1-3％，Mg占0.05-2％，Zr占0.05-0.15％，Sc占0.05-0.15％，余量为铝。其进过浇铸成型得到铸锭后，经过退火处理、热挤压变形、固溶处理、时效处理，得到低密度高模量的铝合金。其铸融工艺复杂，需要经过多次不同设备的处理，增加了生产企业运行成本和操作难度。

CN202110777069.5公开了一种铝铍中间合金的制备方法，所述制备方法没有使用真空炉，是用电炉在坩埚中进行融化，分批将预热的金属铍加入铝液深处，旋转融化。但是铍的熔点高达1280℃，600℃预热的金属铍加入铝液中，其温度无法是铍融化，该专利方法令人怀疑无法得到铝铍中间合金。

CN20201143840.5公开了一种铸造添加用镁铝铍中间合金的制备方法，是预热纯铝、纯镁和金属铍，之后加入3/4的预热纯铝，升温熔融得铝液，过热至高温，分批加入预热的金属铍并搅拌，金属铍全部熔融后加入余下的纯铝，纯铝全熔后再加入预热的纯镁。经过精炼，浇铸，得到镁铝铍中间合金。但是其没有对所得中间合金性质进行探究。

CN201910196180.8公开了一种铝铍中间合金线杆的制备方法，是铝水在氩气条件下，升温至730-750℃，加入铝铍10合金，升温至710-830℃，精炼，热轧，得到铍含量在0.1-5％的铝铍中间合金。该专利使用铝铍10合金(Be含量约10％)代替铍，避免了铝和铍熔点差异太大导致的缺陷。但是该专利所得中间合金性能仍有待提升。

铝铍中间合金常用于加入到镁合金和铝合金中，减少氧化夹渣，并使镁或铝氧化物膜层的致密性，但是，由于铝铍合金的熔点远高于镁和铝，因此使得加工困难，并且铝铍合金本身在加入到镁和铝熔体过程中容易被氧化，从而影响产品的延展性和硬度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝铍中间合金及其制备方法。由于铍和铝的熔点差异较大，常规熔炼方法存在凝固过程中的相分离，金属铍在铝熔体中分散不够均匀，并产生枝晶和偏析的现象，影响了合金的性能。本发明通过控制冷却速度，可以减少由于熔点差异带来的枝晶和偏析现象；但是冷却速度太快，又会导致合金中出现缩孔等铸造缺陷，从而显著降低了合金的拉伸强度，屈服强度等力学性能。本发明首先进行自然冷却过程，充分使熔体之间的铸造缺陷消除，之后再通过液氮的快速冷却过程，加快冷却，减少枝晶和偏析现象，最终得到性能优异的铝铍中间合金。

为了实现上述目的，本发明提供一种铝铍中间合金，其原料包含0.05-0.4重量份的锡，0.05-0.3重量份的锌，1-5重量份的铍，93-98重量份的铝。

锡是熔点较低的金属，利用锡的这个特点可以得到熔点相对低的合金，但是根据铍和锡的二元相图，其只能得到铍和锡的混合相。发明人在为了避免铍和铝的熔点差异太大，在铍-锡熔体中还加入一定量的锌，使铍-锡-锌的混合熔体能够充分分散均匀，得到相对均一的单相。

进一步地，所述铝铍中间合金，其原料包含0.1-0.2重量份的锡，0.2-0.4重量份的锌，1-5重量份的铍，93-98重量份的铝，≤0.3重量份的其他成分。

进一步地，所述铝铍中间合金是首先将铍、锡和锌的混合熔体和铝熔体混合均匀得到混合熔体，制备得到。

更进一步地，混合熔体冷却是自然冷却-急速冷却的降温阶段。

本发明的铝铍中间合金还有≤0.3wt％的其他成分；所述其他成分例如铁、硅、铜、镍等杂质元素，为原料中不可避免地带入的杂质。

本发明第二个目的是提供上述铝铍中间合金的制备方法，包括以下步骤：

(S1)在熔炼炉中，将规定质量份的铍加热至熔融，搅拌条件下，分批加入规定质量份的锡粉和锌粉，加入完毕待全部金属熔融，得到铍-锡-锌混合熔体；

(S2)将规定质量份的铝加热至熔融，得到铝熔体，并且将铝熔体升温至1100-1200℃；

(S3)将步骤(S1)所得铍-锡-锌混合熔体缓慢加入到步骤(S2)所得铝熔体，期间一直保持搅拌，在1100-1200℃全部熔融，清除表面浮渣，加入精炼剂，保温精炼3-5h，得到混合熔体；

(S4)混合熔体加入到带有冷却装置的铸模中，首先进行自然冷却降温，待熔体降温至850-900℃时，开启冷却装置使降温速率为60-100℃/min，进行快速冷却至室温，得到所述铝铍中间合金。

所述快速冷却是通过铸模的空腔循环冷却装置实现，冷却介质为液氮，能够提供60-100℃/min的冷却速率。本发明采用先自然冷却，在相对缓慢的冷却速率下充分使熔体之间的铸造缺陷消除，抑制不连续的沉淀；当冷却至850-900℃时，改为快速冷却，有利于减少铍的偏析。但是降温速率不能过快，否则可能导致合金中微观晶相的破坏，而使得其机械性能变差。

进一步地，步骤(S3)中，所述精炼剂为六氯乙烷，加入量为全部混合熔体(铍-锡-锌混合熔体和铝熔体的总和)的0.1-1wt％。

进一步地，步骤(S1)至步骤(S4)中均在惰性气氛下进行，所述惰性气氛是氩气和氮气中的一种或者二者的混合气体。

进一步地，所用金属原料，即金属铍，金属锡，金属锌，金属铝，在进行加热熔融前，需要除去表面的氧化物等杂质。

相对于现有技术，本发明取得了以下技术进步：

一、本发明首先在铍熔体中掺入少量的锡和锌，共同作用下得到了混合均匀的铍-锡-锌混合熔体，锡和锌的加入，降低了混合熔体和熔融温度，以和铝熔体更好，更均匀的完成混合，冷却制备得到铝铍中间合金。

二、本发明制备工艺中，采用自然冷却-快速冷却的两段式冷却工艺，通过对开始快速冷却的时机，快速冷却的降温速率进行筛选，减少了铍的偏析，使铝铍中间合金表现出优异的抗应力松弛性能。

附图说明

图1是实施例1所得铝铍中间合金锭照片。

具体实施方式

实施例1

(S1)在熔炼炉中，将5质量份的铍加热至熔融，搅拌条件下，分三批共加入0.2质量份锡粉和0.2质量份锌粉，加入完毕待全部金属熔融，得到铍、锡和锌的混合熔体；

(S2)将95质量份的铝锭加热至熔融，得到铝熔体，并将铝熔体温度升温至1100℃；

(S3)将步骤(S1)所得铍、锡和锌的混合熔体缓慢加入到步骤(S2)所得铝熔体，期间一直保持搅拌，在1100℃全部熔融，清除表面浮渣，保温精炼5h，得到混合熔体；

(S4)混合熔体加入到带有空腔循环冷却装置的铸模中，首先进行自然冷却降温，待熔体降温至850℃时，开启液氮循环冷却装置使降温速率为60℃/min，进行快速冷却至室温，得到所述铝铍中间合金。

对铝铍中间合金化学成分以及杂质，按照GB/T 20975规定进行测试，为了测试铝铍中间合金的偏析情况，对所得合金锭，分别在合金中心区、上层、下层，两个外侧，一共五个区域，每个区域取3个试样，测试Be元素含量，计算平均值，计算五个区域Be元素含量最高值和最低值的差值，所得结果如下表1所示：

表1铝铍中间合金成分分析

实施例2

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于加入0.1质量份锡粉和0.3质量份锌粉。对实施例2制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表2所示：

表2铝铍中间合金成分分析

实施例3

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于加入0.15质量份锡粉和0.25质量份锌粉。对实施例3制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表3所示：

表3铝铍中间合金成分分析

实施例4

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于(S4)中，待熔体降温至900℃时，开启液氮循环冷却装置使降温速率为100℃/min，结果如下表,4所示：

表4铝铍中间合金成分分析

对比例1

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于加入0.4质量份锡粉，不加入锌粉。对比例1制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表5所示：

表5铝铍中间合金成分分析

对比例2

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于加入0.4质量份锌粉，不加入锡粉。对比例2制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表6所示：

表6铝铍中间合金成分分析

对比例3

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于步骤(S4)中，混合熔体加入到铸模中，进行自然冷却降温至室温，得到铝铍中间合金。即不进行液氮的快速冷却降温。对比例3制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表7所示：

表7铝铍中间合金成分分析

对比例4

其他条件和操作，与实施例1相同，区别在于步骤(S4)中，混合熔体加入到带有空腔循环冷却装置的铸模中，开启液氮循环冷却装置使降温速率为60℃/min，进行快速冷却至室温，得到所述铝铍中间合金。即不进行空气冷却降温。

对比例4制备得到的铝铍中间合金化学成分进行测试，结果如下表8所示：

表8铝铍中间合金成分分析

应用例

对上述实施例和对比例所得铝铍中间合金进行以下性能测试，结果如下表9所示：

拉伸强度：根据标准GB/T 228.1-2010进行测试。

屈服强度：根据标准GB/T 228.1-2010进行测试。

抗应力松弛性能：根据GB/T 2039进行测试，加载应力800MPa，测试合金在250℃应力松弛100h后，测试初始应力和经过100h后的剩余应力，按照以下公式计算得到：

其中σ⁰表示初始应力，σ^t表示经过t时间(100h)的剩余应力。松弛率越小，表示合金的抗应力松弛性能越好。

表9铝铍中间合金性能测试

可以看出，本发明得到的铝铍中间合金综合性能优异，铍的偏析现象很少，力学强度高，而且具有优异的抗应力松弛性能。

Claims

1.一种铝铍中间合金，其特征在于，原料包含0.05-0.4重量份的锡，0.05-0.3重量份的锌，1-5重量份的铍，93-98重量份的铝。

2.根据权利要求1所述的铝铍中间合金，其特征在于，所述铝铍中间合金，其原料包含0.1-0.2重量份的锡，0.2-0.4重量份的锌，1-5重量份的铍，93-98重量份的铝，≤0.3重量份的其他成分。

3.根据权利要求1所述的铝铍中间合金，其特征在于，所述铝铍中间合金是首先将铍、锡和锌的混合熔体，与铝熔体混合均匀，冷却制备得到。

4.根据权利要求3所述的铝铍中间合金，其特征在于，所述冷却是自然冷却-急速冷却的降温阶段。

5.权利要求1-4任一项所述铝铍中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S3)将步骤(S1)所得铍、锡和锌的混合熔体缓慢加入到步骤(S2)所得铝熔体，期间一直保持搅拌，在1100-1200℃全部熔融，清除表面浮渣，加入精炼剂，保温精炼3-5h，得到混合熔体；

(S4)混合熔体加入到带有冷却装置的铸模中，首先进行自然冷却降温，待熔体降温至850-900℃时，进行快速冷却至室温，得到所述铝铍中间合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述快速冷却是通过铸模的空腔循环冷却装置实现，冷却介质为液氮，快速冷却的降温速率为60-100℃/min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，进一步地，步骤(S3)中，所述精炼剂为六氯乙烷，加入量为全部混合熔体(铍-锡-锌混合熔体和铝熔体的总和)的0.1-1wt％。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(S1)至步骤(S4)中均在惰性气氛下进行，所述惰性气氛是氩气和氮气中的一种或者二者的混合气体。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所用金属原料，即金属铍，金属锡，金属锌，金属铝，在进行加热熔融前，除去表面的氧化物等杂质。