CN101705395A - 含钒的铝及铝合金及其制备方法 - Google Patents

含钒的铝及铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

含钒的铝及铝合金，其化学成分包括钒，钒的重量百分数为0.01～1％，钒的存在形式至少为VCx，VNx，V(Cx，N1-x)，V(Cx，N1-x)+VNx，V(Cx，N1-x)+VCx中的一种，所述VC x和VNx中，0＜x≤1，所述V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1。上述含钒的铝及铝合金的制备方法有两种，第一制备方法的工艺步骤：(1)配料，(2)熔化，(3)浇铸凝固。第二种制备方法的工艺步骤：(1)配料，(2)混料与成型，(3)熔化与浇铸。

Description

含钒的铝及铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝及铝合金领域，涉及含钒的铝及铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有一系列的优点，铝铸件已广泛应用于工业各个领域。但受铸造铝合金机械性能低劣的影响，铝铸件一般只能在低负载下使用，其应用受到了限制。上世纪六十年代后，铝及铝合金的工业生产中广泛应用Al-Ti-B中间合金作为其晶粒细化剂，以提高其机械性能，但因添加细化剂而产生的TiB2粒子会在铝液中聚集、沉淀，不仅导致对铝及铝合金晶粒的细化效果的衰退，特别是对含Zr、Cr的铝合金时，易造成TiB2粒子“中毒”，甚至失去对铝及铝合金的细化效果，而且由于TiB2粒子团尺寸较大，不利于铝箔等制品的后续加工等等因素，使铝及铝合金综合性能的提高有限。随着工业的发展，对铸铝合金的机械性能要求越来越高，而现有的工业纯铝及铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金等铝合金的机械性能仍难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供含钒的铝及铝合金及其制备方法，以获得机械性能高的新型铝及铝合金。
本发明所述含钒的铝及铝合金，其化学成分包括钒，钒的重量百分数为0.01～1％，钒的存在形式为VCx，VNx，V(Cx，N1-x)，V(Cx，N1-x)+VNx，V(Cx，N1-x)+VCx中的至少一种，所述的VCx和VNx中，0＜x≤1，V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1。
本发明所述含钒的铝，优选以下组分及其含量：
含钒铝的组分及各组分的重量百分数为：0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在铝中至少有一种存在。
本发明所述含钒的铝合金，包括含钒铝硅合金、含钒铝铜合金、含钒铝镁合金，优选以下组分及其含量：
含钒铝硅合金的组分及各组分的重量百分数为：4～22％Si，0～3.5％Cu，0～1.3％Mg，0～0.9％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝硅合金中至少有一种存在；
含钒铝铜合金的组分及各组分的重量百分数为：4.0～11％Cu，0～2.0％Si，0～0.25％Mg，0～1.2％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝铜合金中至少有一种存在；
含钒铝镁合金的组分及各组分的重量百分数为：4.5～11.0％Mg，0～1.3％Si，0～1.5％Zn，0～1.4％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝镁合金中至少有一种存在。
本发明所述含钒的铝及铝合金，其制备方法有以下两种。
1、第一种制备方法的工艺步骤：
(1)配料
原料为铝或铝合金和钒源，按照上述含钒的铝或铝合金的化学成分计算和秤量所述原料；
(2)熔化
将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中并通入惰性气体或加入步骤(1)计量好的覆盖剂，然后加热使其形成650℃～1200℃的熔融铝液或铝合金液，再将步骤(1)中计量好的钒源加入铝液或铝合金液中搅拌均匀后于650℃～1200℃保温0.1～2小时；
(3)浇铸凝固
将步骤(2)制备的合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到含钒的铝或铝合金；
上述方法中，所述钒源为VCx、VNx、V(Cx，N1-x)粉末中的至少一种，VCx和VNx中，0＜x≤1，V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1；
上述方法中，所述钒源还可以是用于铝及铝合金的含钒细化剂，所述用于铝及铝合金的含钒细化剂，其组分均包括铝和钒，根据是否含碳或/和氮，有以下三种类型：
第一种含钒细化剂的组分及各组分的重量百分数为：铝1～99％，钒0.7～82.5％，碳0.1～17.0％；
第二种含钒细化剂的组分及各组分的重量百分数为：铝1～99％，钒0.7～81％，氮0.1～21.5％；
第三种含钒细化剂的组分及各组分的重量百分数为：铝1～98％，钒0.7～83％，氮0.1～20％，碳0.1～18％。
上述用于铝及铝合金的含钒细化剂中，钒的存在形式至少为：VCx，VNx，V(Cx，N1-x)，V(Cx，N1-x)+VN，V(Cx，N1-x)+VC中的一种，所述的VCx和VNx中，0＜x≤1，V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1。
上述方法中，所述覆盖剂为氯化钾、氯化钠、氯化锂、氟化钾、硫酸氢钠中的至少一种。
2、第二种制备方法的工艺步骤：
(1)配料
原料为铝或铝合金、钒盐和碳质还原剂，铝或铝合金、钒盐和碳质还原剂按照上述含钒的铝或铝合金的除氮以外的化学成分计算和秤量；
(2)混合与成型
将步骤(1)计量好的钒盐和碳质还原剂进行球磨，球磨时间以钒盐和碳质还原剂混合均匀为限，然后将混合均匀的钒盐和碳质还原剂压制成型或用铝箔包裹形成坯料；
(3)熔化与浇铸
将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中，或将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中并通入氮气，然后加热至650℃～1200℃形成铝液或铝合金液，再将步骤(2)制备的坯料加入铝液或铝合金液中并搅拌均匀，于650℃～1200℃保温0.1小时～2小时后浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到含钒的铝或铝合金；
上述方法中，所述钒盐为钒酸盐、偏钒酸盐、多聚钒酸盐中的至少一种，所述碳质还原剂为炭黑、活性炭、石墨、木炭粉、葡萄糖、蔗糖中的至少一种。
本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明所述含钒的铝及铝合金中，钒的存在形式为钒的碳化物或/和钒的氮化物或/和钒的碳氮化物，因而能有效地细化铝及铝合金晶粒，强化铝及铝合金，不会导致细化效果衰退，使铝及铝合金具有良好的综合机械性能。
2、本发明所述含钒铝合金的抗拉强度和延伸率相对于未含钒的同种铝合金有大幅度提高(见实施例13～15)。
3、本发明所述含钒的铝及铝合金中，由于引入了氮，不仅能提高晶粒细化效果，而且大大改善了合金中碳与铝的润湿性，有利于提高铝及铝合金的综合机械性能。
4、本发明所述方法工艺简单，原料易于获取，因而便于工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述含钒的铝及铝合金及其制备方法作进一步说明。各实施例中，所述“化学成分”中的百分数为重量百分数。
实施例1
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为工业纯铝粉1kg，含钒铝细化剂(化学成分：50.57％V-5.96％C-3.47％N-40％Al)0.2g。将计量好的铝粉置于加热炉中，并通入氩气保护，流量为1L/min，然后加热使其形成650℃的熔融铝液，再将所述含钒铝细化剂加入铝液中搅拌均匀后于650℃保温2h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为0.01％V-0.001％C-0.001％N-99.988％Al的含钒铝。
实施例2
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为工业纯铝粉35kg，VC粉0.4kg，覆盖剂氯化钠175g。将计量好的铝粉置于加热炉中，并加入覆盖剂氯化钠加以保护，然后加热使其形成1200℃的熔融铝液，再将VC粉加入铝液中搅拌均匀后于1200℃保温0.1h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为0.91％V-0.21％C-98.88％Al的含钒铝。
实施例3
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为工业纯铝粉35kg，VN粉0.4kg，覆盖剂氯化钠175g。将计量好的铝粉置于加热炉中，并加入覆盖剂氯化钠加以保护，然后加热使其形成1200℃的熔融铝液，再将VN粉加入铝液中搅拌均匀后于1200℃保温0.1h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为0.89％V-0.24％N-98.87％Al的含钒铝。
实施例4
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝硅合金(化学成分：22％Si，2％Cu，1％Mg，0.9％Mn，0.35％Ti，73.75％Al)99Kg，VN粉末1kg.将计量好的铝硅合金置于加热炉中，并通入氮气保护，流量为1L/min，然后加热使其形成800℃的熔融铝硅合金液，再将VN粉末加入铝硅合金液中搅拌均匀后于800℃保温1.5h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为21.78％Si-1.98％Cu-0.99％Mg-0.89％Mn-0.35％Ti-0.78％V-0.22％N-73.01％Al的含钒铝硅合金.
实施例5
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝硅合金(化学成分：22％Si，2％Cu，1％Mg，0.9％Mn，0.35％Ti，73.75％Al)100Kg，含钒细化剂(化学成分：50.57％V-5.96％C-3.47％N-40％Al)20g。将计量好的铝硅合金置于加热炉中，并通入氮气保护，流量为1L/min，然后加热使其形成800℃的熔融铝硅合金液，再将所述含钒细化剂加入铝硅合金液中搅拌均匀后于800℃保温1.5h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为22％Si-2％Cu-1％Mg-0.9％Mn-0.35％Ti-0.01％V-0.001％C-0.001％N-73.738％Al的含钒铝硅合金。
实施例6
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝铜合金(化学成分：8％Cu，1.0％Si，0.25％Mg，1.2％Mn，0.15％Ti，89.4％Al)2kg，含钒细化剂(化学成分：71.48％V-6.73％C-11.79％N-10％Al)0.4g，覆盖剂氯化钾或氯化锂10g。将计量好的铝铜合金置于加热炉中，加入氯化钾或氯化锂予以保护，然后加热使其形成900℃的熔融铝铜合金液，再加入含钒细化剂并搅拌均匀后于900℃保温1h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为8％Cu-1％Si-0.25％Mg-1.2％Mn-0.15％Ti-0.014％V-0.001％C-0.002％N-89.383％Al的含钒铝铜合金。
实施例7
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝镁合金(化学成分：4.5％Mg，0.7％Si，1.5％Zn，1.4％Mn，0.2％Ti，91.7％Al)9.9kg，覆盖剂硫酸氢钠或氟化钾5g，V(C0.9N0.1)粉末0.1kg。将计量好的铝镁合金置于加热炉中，加入覆盖剂硫酸氢钠或氟化钾加以保护，然后加热使其形成900℃的熔融铝镁合金液，再将V(C0.9N0.1)粉末加入铝镁合金液中搅拌均匀后于900℃保温1h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为4.45％Mg-0.69％Si-1.49％Zn-1.39％Mn-0.2％Ti-0.81％V-0.17％C-0.02％N-90.78％Al的含钒铝镁合金。
实施例8
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝镁合金(化学成分：4.5％Mg，0.7％Si，1.5％Zn，1.4％Mn，0.2％Ti，91.7％Al)9.9kg，覆盖剂硫酸氢钠或氟化钾5g，VN粉末0.1kg。将计量好的铝镁合金置于加热炉中，加入覆盖剂硫酸氢钠或氟化钾加以保护，然后加热使其形成900℃的熔融铝镁合金液，再将VN粉末加入铝镁合金液中搅拌均匀后于900℃保温1h，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为4.45％Mg-0.69％Si-1.49％Zn-1.39％Mn-0.2％Ti-0.79％V-0.21％N-90.78％Al的含钒铝镁合金。
实施例9
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝镁合金(化学成分：4.5％Mg，0.7％Si，1.5％Zn，1.4％Mn，0.2％Ti，91.7％Al)1kg，含钒细化剂(化学成分：50.57％V-5.96％C-3.47％N-40％Al)0.2g，覆盖剂硫酸氢钠或氟化钾5g.将计量好的铝镁合金置于加热炉中，加入硫酸氢钠或氟化钾予以保护，然后加热使其形成900℃的熔融铝镁合金液，再加入含钒细化剂搅拌均匀后于900℃保温lh，继后将合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为4.5％Mg-0.7％Si-1.5％Zn-1.4％Mn-0.2％Ti-0.01％V-0.001％C-0.001％N-91.688％Al的含钒铝镁合金.
实施例10
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝铜合金(化学成分：8％Cu，1.0％Si，0.25％Mg，1.2％Mn，0.15％Ti，89.4％Al)109g，偏钒酸铵或多聚钒酸铵粉末2.5g，活性炭或石墨粉1g。将计量好的偏钒酸铵或多聚钒酸铵粉末、活性炭或石墨粉进行研磨至混合均匀，然后将混合均匀的原料用铝箔包裹形成坯料。将计量好的铝铜合金置于加热炉中加热形成700℃熔融铝铜合金液，然后将所述坯料加入700℃的熔融铝铜合金液中，搅拌均匀后升温至1000℃保温40min，保温结束后浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面氧化皮，即得到化学成分为7.9％Cu-0.99％Si-0.25％Mg-1.19％Mn-0.15％Ti-0.99％V-0.23％C-88.3％Al的含钒铝铜合金。
实施例11
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝铜合金(化学成分：8％Cu，1.0％Si，0.25％Mg，1.2％Mn，0.15％Ti，89.4％Al)99g，钒酸铵粉末2g，炭黑或木炭粉0.7g。将计量好的钒酸铵粉末、炭黑或木炭粉进行研磨至混合均匀，然后将混合均匀的原料压制成型并烘干，压坯尺寸为Φ1.0cm×2.0cm。将计量好的铝铜合金置于加热炉中并通入氮气，流量为3L/min，然后加热至1200℃形成熔融铝铜合金液，再将压坯加入1200℃熔融铝铜合金液中，搅拌均匀后于1200℃保温0.1h，保温结束后浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为7.91％Cu-0.99％Si-0.25％Mg-1.19％Mn-0.15％Ti-0.87％V-0.03％C-0.21％N-88.4％Al的含钒铝铜合金。
实施例12
本实施例所用原料及工艺步骤如下：
原料为铝硅合金(化学成分：22％Si，2％Cu，1％Mg，0.9％Mn，0.35％Ti，73.75％Al)700g，偏钒酸钠粉末12.2g，葡萄糖5g，蔗糖5g。将计量好的偏钒酸钠粉末、葡萄糖、蔗糖进行滚动球磨，球料质量比为6∶1，球磨时间以原料混合均匀为限(约2小时)，然后将混合均匀的原料用铝箔包裹形成坯料。将计量好的铝硅合金置于加热炉中，加热形成650℃的熔融铝硅合金液，然后将所述坯料加入650℃的熔融铝硅合金液中，搅拌均匀后于650℃保温2h，保温结束后浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到化学成分为21.8％Si-1.98％Cu-0.99％Mg-0.89％Mn-0.35％Ti-0.72％V-0.17％C-73.1％Al的含钒铝硅合金。
实施例13
按照GB/T228-2002的要求，分别截取相同尺寸的实施例5所制备的含钒铝硅合金(22％Si，2％Cu，1％Mg，0.9％Mn，0.35％Ti，0.01％V，0.001％C，0.001％N，73.738％Al)试样和铝硅合金(22％Si，2％Cu，1％Mg，0.9％Mn，0.35％Ti，73.75％Al)试样(试样尺寸为5mm×5mm×20mm).将所截取的两种试样在日本鸟津AG-10TA型电子万能试验机上进行拉伸试验，加载速率为2mm/min，试验结果：含钒铝硅合金的抗拉强度达350MPa，延伸率达8％；铝硅合金的抗拉强度为180MPa，延伸率为5％.
实施例14
按照GB/T228-2002的要求，分别截取相同尺寸的实施例6所制备的含钒铝铜合金(8％Cu，1％Si，0.25％Mg，1.2％Mn，0.15％Ti，0.01％V，0.001％C，0.001％N，89.388％Al)试样和铝铜合金(8％Cu，1.0％Si，0.25％Mg，1.2％Mn，0.15％Ti，89.4％Al)试样(试样尺寸为5mm×5mm×20mm)。将所截取的两种试样在日本鸟津AG-10TA型电子万能试验机上进行拉伸试验，加载速率为2mm/min，试验结果：含钒铝铜合金的抗拉强度达380MPa，延伸率达10.3％；铝铜合金的抗拉强度为200MPa，延伸率为7％。
实施例15
按照GB/T228-2002的要求，分别截取相同尺寸的实施例9所制备的含钒铝镁合金(4.5％Mg，0.7％Si，1.5％Zn，1.4％Mn，0.2％Ti，0.01％V，0.001％C，0.001％N，91.688％Al)试样和铝镁合金(4.5％Mg，0.7％Si，1.5％Zn，1.4％Mn，0.2％Ti，91.7％Al)试样(试样尺寸为5mm×5mm×20mm)。将所截取的两种试样在日本鸟津AG-10TA型电子万能试验机上进行拉伸试验，加载速率为2mm/min，经试验结果：含钒铝镁合金的抗拉强度达375MPa，延伸率达9％；铝镁合金的抗拉强度为220MPa，延伸率为6％。
上述实施例13～15表明，本发明所述含钒铝合金的抗拉强度和延伸率相对于未含钒的同种铝合金有大幅度提高。

Claims (4)

1.含钒的铝及铝合金，其特征在于所述含钒的铝及铝合金中，含有重量百分数0.01～1％的钒，钒的存在形式为VCx，VNx，V(Cx，N1-x)，V(Cx，N1-x)+VNx，V(Cx，N1-x)+VCx中的至少一种，所述的VCx和VNx中，0＜x≤1，所述的V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1。
2.根据权利要求1所述的含钒的铝及铝合金，其特征在于：
所述含钒的铝的组分及各组分的重量百分数为：0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在铝中至少有一种存在；
所述含钒的铝合金包括含钒铝硅合金、含钒铝铜合金、含钒铝镁合金，其组分及各组分的重量百分数如下：
含钒铝硅合金的组分及各组分的重量百分数为：4～22％Si，0～3.5％Cu，0～1.3％Mg，0～0.9％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝硅合金中至少有一种存在；
含钒铝铜合金的组分及各组分的重量百分数为：4.0～11％Cu，0～2.0％Si，0～0.25％Mg，0～1.2％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝铜合金中至少有一种存在；
含钒铝镁合金的组分及各组分的重量百分数为：4.5～11.0％Mg，0～1.3％Si，0～1.5％Zn，0～1.4％Mn，0～0.4％Ti，0.01～1％V，0～0.25％C，0～0.25％N，余量为Al，其中，碳、氮在所述铝镁合金中至少有一种存在。
3.一种含钒的铝及铝合金的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
(1)配料
原料为铝或铝合金和钒源，按照权利要求1或2所述含钒的铝或铝合金的化学成分计算和秤量所述原料；
(2)熔化
将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中并通入惰性气体或加入步骤(1)计量好覆盖剂，然后加热使其形成650℃～1200℃的熔融铝液或铝合金液，再将步骤(1)中计量好的钒源加入铝液或铝合金液中搅拌均匀后于650℃～1200℃保温0.1～2小时；
(3)浇铸凝固
将步骤(2)制备的合金液浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到含钒的铝或铝合金；
所述钒源为VCx、VNx、V(Cx，N1-x)粉末中的至少一种，或为用于铝及铝合金的含钒细化剂，VCx和VNx中，0＜x≤1，V(Cx，N1-x)中，0＜x＜1；
所述覆盖剂为氯化钾、氯化钠、氯化锂、氟化钾、硫酸氢钠中的至少一种。
4.一种含钒的铝及铝合金的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
(1)配料
原料为铝或铝合金、钒盐和碳质还原剂，铝或铝合金、钒盐和碳质还原剂按照权利要求1或2所述含钒的铝或铝合金的除氮以外的化学成分计算和秤量；
(2)混合与成型
将步骤(1)计量好的钒盐和碳质还原剂进行球磨，球磨时间以钒盐和碳质还原剂混合均匀为限，然后将混合均匀的钒盐和碳质还原剂压制成型或用铝箔包裹形成坯料；
(3)熔化与浇铸
将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中，或将步骤(1)计量好的铝或铝合金置于加热炉中并通入氮气，然后加热至650℃～1200℃形成铝液或铝合金液，再将步骤(2)制备的坯料加入铝液或铝合金液中并搅拌均匀，于650℃～1200℃保温0.1小时～2小时后浇铸成铸锭，冷却至室温后去掉铸锭表面的氧化皮，即得到含钒的铝或铝合金；
所述钒盐为钒酸盐、偏钒酸盐、多聚钒酸盐中的至少一种，所述碳质还原剂为炭黑、活性炭、石墨、木炭粉、葡萄糖、蔗糖中的至少一种。
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