CN101358308A - 一种铝-钛-碳-硼-氮中间合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于细化铝及铝合金的铝－钛－碳－硼－氮中间合金及其制备方法。其特征是各组分的质量百分比为铝89.00－97.00，钛1.00－10.00，碳0.02－1.00，硼0.02－1.00，氮0.01－0.20；其中含有弥散的微米级和亚微米级的TiC1－xNx和TiB2－yNy(x＜1，y＜2)粒子。制备方法是首先在感应炉中将纯铝、铝－碳和铝－硼中间合金熔化并升温至1000－1300℃，然后加入经渗氮处理的钛，保温并机械搅拌2－30分钟后，浇注成锭或制成线材。所制备的铝－钛－碳－硼－氮中间合金细化效果优于目前较好的铝－钛－碳和铝－钛－硼中间合金，且有强的抗衰退能力。

Description

一种铝-钛-碳-硼-氮中间合金及其制备方法
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及一种用于细化铝及铝合金晶粒的铝-钛-碳-硼-氮中间合金及其制备方法。
背景技术
目前铝合金的晶粒细化主要是采用添加中间合金的方法。自上世纪四十年代Cibula发现TiC及TiB2是铝的有效形核核心以来，铝-钛-硼和铝-钛-碳中间合金的研究都取得了较大的进展，尤其是铝-钛-硼中间合金已经实现了产业化的生产，广泛地用于铝及铝合金的细化处理。但是，由于铝-钛-硼中间合金中的硬质粒子TiB2存在严重的聚集倾向，特别是在铝箔材生产的过程中，这些尺寸较大的硬质粒子不仅在轧辊的表面产生划痕影响了设备的使用寿命，而且在铝箔表面造成针孔、裂纹等缺陷，降低了生产率，提高了生产成本。而由于碳与铝之间的润湿性极差，合金化困难，铝-钛-碳的发展比较缓慢。直到1985年，Banerji和Reif等学者才制备出了含有足量的TiC粒子且细化效果较好的铝-钛-碳中间合金。虽然铝-钛-碳中间合金中的TiC粒子不存在严重聚集问题，但是其形核粒子TiC不稳定，存在“自身中毒”现象，在铝熔体中容易与铝发生反应形成Al4C3，因此细化效果衰退比较快。于是，研究学者希望能制备出一种新型的中间合金，它能克服铝-钛-碳和铝-钛-硼两类中间合金的缺点，并能综合它们的优点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种对铝及铝合金具有较好细化效果，且生产成本低、适合工业化生产的铝-钛-碳-硼-氮中间合金及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种铝-钛-碳-硼-氮中间合金，包含铝、钛、碳、硼元素，其特征是它还含有氮元素，各组分的质量百分比为：铝89.00-97.00，钛1.00-10.00，碳0.02-1.00，硼0.02-1.00，氮0.01-0.20；该中间合金中含有弥散的微米级和亚微米级的TiC1-xNx和TiB2-yNy(x＜1，y＜2)粒子，这两种粒子相间分布，大小粒子有机组合，并且在TiC1-xNx粒子中还含有微量硼；此外，组织中还含有一定量的TiAl3相，起形核辅助作用。
上述铝-钛-碳-硼-氮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(wt.％)准备所需原料：1.00％-10.00％的铝-碳二元中间合金、1.00％-20.00％的铝-硼二元中间合金、1.00％-10.00％纯钛，余为纯铝，以及高纯氮气；其中所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为1.00％-10.00％，所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1.00％-5.00％。
(2)将称好的纯钛置于真空烧结炉中，密封抽真空，吹入氮气，通过流量计控制其流量，升温至700-900℃，在氮气气氛下渗氮处理0.5-15小时后，取出备用。
(3)将配好的纯铝、铝-硼和铝-碳中间合金一起置于中频炉中熔化至1000-1300℃，加入渗氮处理过的钛，保温并机械搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
用该方法制备的铝-钛-碳-硼-氮中间合金的组成为：
成分             质量百分含量
铝(Al)           89.00-97.00
钛(Ti)           1.00-10.00
碳(C)            0.02-1.00
硼(B)            0.02-1.00
氮(N)            0.01-0.20
利用本发明的方法制备出的铝-钛-碳-硼-氮中间合金中的粒子已经不是简单的TiC和TiB2粒子机械混合，利用渗氮处理的钛进行反应，形成了含有微量氮(N)的TiCxN1-x和TiB2-yNy(x＜1，y＜2)粒子，相比TiC(a＝0.433nm)，含有N的TiCxN1-x晶格尺寸变小与α-Al的(a＝0.405nm)更接近，更容易作为其形核衬底；同时TiCxN1-x的存在改善了TiB2-yNy粒子的聚集，而且两种粒子在形成的过程中产生了交互作用，在基体上相间分布，形成的大小粒子有机组合，在TiCxN1-x粒子中还含有微量的硼(B)。细化试验表明，具有这种显微组织的铝-钛-碳-硼-氮中间合金对铝合金具有良好的细化效果和强的抗衰退性能。为保证TiCxN1-x和TiB2-yNy粒子能够在铝熔体中同步生成，促使两种粒子之间产生交互作用，形成良好的有机组合，有利于两种形核衬底的共同作用，将经渗氮处理的钛加入到一定温度的含有铝-碳中间合金与铝-硼中间合金的熔体中，从而促使TiCxN1-x和TiB2-yNy同步形成，由于两者同时反应放热较多，反而也促进了碳(C)的吸收，反应较完全；制备的铝-钛-碳-硼-氮中间合金的具有良好的细化效果和强的抗衰退性能，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)首先按以下质量百分比准备原料：7.50％的铝-碳二元中间合金、15.00％的铝-硼二元中间合金、3.00％纯钛，余为纯铝，高纯氮气。其中所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为2.00％，所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1.00％。
(2)将称好的纯钛置于真空烧结炉中，密封抽真空，吹入氮气，通过流量计控制其流量，升温至850℃，在氮气气氛中进行渗氮处理1.5小时后，取出备用。
(3)将配好的纯铝、铝-硼和铝-碳中间合金一起置于中频炉中熔化至1100℃，加入渗氮处理过，保温并机械搅拌15分钟，浇注成锭或制成线材。
所制备铝-钛-碳-硼-氮中间合金的组成为：
成分         质量百分含量
铝(Al)       96.69
钛(Ti)       3.00
碳(C)        0.15
硼(B)        0.15
氮(N)        0.01-0.015
实施例2
(1)首先按以下质量百分比准备原料：6.00％的铝-碳二元中间合金、6.67％的铝-硼二元中间合金、5.00％的纯钛，余为纯铝，以及高纯氮气。其中所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为5.00％，所用的铝-硼中间合金的质量百分含量为3.00％。
(2)将称好的纯钛置于真空烧结炉中，密封抽真空，吹入氮气，通过流量计控制其流量，升温至900℃，在氮气气氛中进行渗氮处理5小时，然后取出备用。
(3)将配好的纯铝、铝-硼和铝-碳中间合金一起置于中频炉中熔化至1200℃，加入渗氮处理过的钛，保温并机械搅拌20分钟，浇注成锭或制成线材。
所制备铝-钛-碳-硼-氮中间合金的组成为：
成分           质量百分含量
铝(Al)         94.48
钛(Ti)         5.00
碳(C)          0.30
硼(B)          0.20
氮(N)          0.02-0.025
实施例3
(1)首先按以下质量百分比准备原料：10.00％的铝-碳二元中间合金、20.00％的铝-硼二元中间合金、9.00％的纯钛，余为纯铝，以及高纯氮气。其中所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为10.00％，所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为5.00％。
(2)将称好的纯钛置于真空烧结炉中，密封抽真空，吹入氮气，通过流量计控制其流量，升温至900℃，在氮气气氛中进行渗氮处理10小时，然后取出备用。
(3)将将配好的纯铝、铝-硼和铝-碳中间合金一起置于中频炉中熔化至1250℃，加入渗氮处理过的钛，保温并机械搅拌30分钟，浇注成锭或制成线材。
所制备铝-钛-碳-硼-氮中间合金的组成为：
成分          质量百分含量
铝(Al)        88.96
钛(Ti)        9.00
碳(C)         1.00
硼(B)         1.00
氮(N)         0.04-0.05

Claims (2)

1.一种铝-钛-碳-硼-氮中间合金，包含铝、钛、碳、硼元素，其特征是它还含有氮元素，各组分的质量百分比为：铝89.00％-97.00％，钛1.00％-10.00％，碳0.02％-1.00％，硼0.02％-1.00％，氮0.01％-0.20％。
2.根据权利要求1所述的铝-钛-碳-硼-氮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原料：1.00％-10.00％的铝-碳二元中间合金、1.00％-20.00％的铝-硼二元中间合金、1.00％-10.00％纯钛，余为纯铝，以及高纯氮气；其中所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为1.00％-10.00％，所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1.00％-5.00％
Figure A2008101398560002C1
(2)将称好的纯钛置于真空烧结炉中，密封抽真空，吹入氮气，通过流量计控制其流量，升温至700-900℃，在氮气气氛下渗氮处理0.5-15小时后，取出备用
Figure A2008101398560002C2
(3)将配好的纯铝、铝-硼和铝-碳中间合金一起置于中频炉中熔化至1000-1300℃，加入渗氮处理过的钛，保温并机械搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
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Assignee: Shandong Al&Mg Melt Technology Co., Ltd.

Assignor: Shandong University

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Denomination of invention: Aluminium-titan-carbon-boron-nitrogen intermediate alloy and preparation method thereof

Granted publication date: 20091230

License type: Exclusive License

Open date: 20090204

Record date: 20110325