CN101838751A

CN101838751A - 控制TiB2颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法

Info

Publication number: CN101838751A
Application number: CN201010110167A
Authority: CN
Inventors: 张新明; 陈学敏; 李建国; 刘超文; 李赛毅
Original assignee: Xinxing Chemical Metallurgical Material (Shenzhen) Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Sunxing Light Alloy Materials Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: CN101838751B

Abstract

本发明涉及一种控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，包括如下步骤：加热盛放于所述感应电炉中的液态铝，使所述感应电炉及所述液态铝在设定温度保持第一设定时间；加入合金材料，包括氟钛酸钾和氟硼酸钾；所述感应电炉的线圈保持其流过电流，作用于所述感应电炉内部的液态合金，并使其在所述设定温度上维持第二设定时间。实施本发明的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，具有以下有益效果：在上述炉体内部有多个交变磁场叠加，使得上述炉体内部各部分均受到磁场力的作用，使得TiB₂颗粒团平均名义直径更为细小，进而提高铝钛硼合金对铝或铝合金的晶粒细化能力。

Description

控制TiB2颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，更具体地说，涉及一种控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法。

背景技术

铝钛硼合金是一种目前在全球范围内铝材加工中普遍使用并最为有效的细化铝及铝合金晶粒的中间合金。在铝或铝合金中加入上述铝钛硼合金，可以使得该铝或铝合金的晶粒细化，从而使得其屈服强度、压延塑性及韧脆转折温度等性能都有极大的提高，可以在众多领域中使用，例如航空领域等等。目前在全球范围内普遍使用并且有效实现工业化铝钛硼中间合金制造方法是氟钛酸钾氟硼酸钾铝热反应法，这种方法产生大量的TiB₂作为晶粒细化后的铝或铝合金的晶核。在铝钛硼合金中，TiB₂以颗粒团的形式存在，其本身的平均名义直径越细小，其对铝或铝合金的晶粒细化能力就越能得到提升。而提升铝钛硼对铝及铝合金的细化能力，使我们在铝加工中得到更为细小的晶粒组织，从而使得被加工的铝材具备更大的屈服强度，更优的压延塑性以及更低的韧脆转折温度。因此，人们总是希望得到的铝钛硼合金中的TiB₂颗粒团平均名义直径较为细小。但是，在现有技术中，通常是在外部加热的坩埚或单频(通常是工频)感应电炉中进行上述氟钛酸钾氟硼酸钾铝热反应的，其产生出来的铝钛硼合金中的TiB₂颗粒团平均名义直径由于上述反应过程中通过其自身的运动及碰撞而变得较大，从而使得被这种具有较大的TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金细化后的铝或铝合金的晶粒尺寸较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中铝钛硼合金中的TiB₂颗粒团平均名义直径较大从而使得该铝钛硼对铝或铝合金的晶粒细化能力不好的缺陷，提供一种使得得到的铝钛硼合金中TiB₂颗粒团平均名义直径较小的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，包括如下步骤：

A)加热盛放于所述感应电炉中的液态铝，使所述感应电炉及所述液态铝在设定温度保持第一设定时间；

B)加入合金材料，包括氟钛酸钾和氟硼酸钾；

C)所述感应电炉的线圈保持其流过电流，作用于所述感应电炉内部的液态合金，并使其在所述设定温度上维持第二设定时间。

在本发明所述的方法中，所述步骤A)中的设定温度包括790-850℃；所述第一设定时间包括3-8分钟。

在本发明所述的方法中，所述铝、氟钛酸钾、氟硼酸钾的重量比为1000∶250∶125。

在本发明所述的方法中，所述步骤C)中所述第二设定时间为40-90分钟。

在本发明所述的方法中，所述氟钛酸钾和氟硼酸钾为粉状。

在本发明所述的方法中，所述感应电炉包括多个线圈，所述步骤C)中进一步包括在所述每个线圈上分别施加产生不同电磁场的、不同频率的电流。

在本发明所述的方法中，所述线圈包括流过第一频率电流的第一线圈、流过第二频率电流的第二线圈和流过第三频率电流的第三线圈；所述第一频率包括50Hz，所述第二频率包括500-1200Hz，所述第三频率包括1500-2500Hz。

在本发明所述的方法中，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈具有不同的直径且分别以所述感应炉炉体为圆心同心设置并包围所述感应电炉炉体；所述第三线圈靠近所述炉体外表面，所述第一线圈远离所述炉体外表面，所述第二线圈位于所述第一线圈和第三线圈之间；所述第一线圈与所述炉体轴向外表面、第一线圈和第二线圈以及第二线圈和第三线圈之间在其截面上保持一设定距离，所述设定距离包括5-15厘米。

在本发明所述的方法中，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈按照设定方式同时流过其对应频率的电流或两两或单独流过其对应的电流。

实施本发明的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，具有以下有益效果：由于在其使用的感应电炉炉体外部设置有多个线圈，而且这些线圈流过的电流的频率各不相同。于是，在上述炉体内部有多个交变磁场叠加，使得上述炉体内部各部分均受到磁力的作用，使得得到的铝钛硼合金中TiB2颗粒团平均名义直径较为细小，进而提高铝钛硼合金对铝或铝合金的晶粒细化能力。

附图说明

图1是本发明控制TiB2颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法实施例中的熔炼流程图；

图2是所述实施例中所使用的感应电炉的轴向剖面结构示意图；

图3是图2中的A-A向剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，图1揭示了控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法流程。其包括如下步骤：

步骤S11加入液态金属铝：在本步骤中，将铝金属放入上述感应电炉中，准备进行下一步，制备需要的铝钛硼合金。在本实施例中，加入的是液态的铝，即在其他地方或设备中将铝熔化后在放入上述炉体内，这样，在本实施例中就不需要用该感应电炉使得金属铝熔化，而是只需要保持上述液态铝的状态或温度即可。当然，在其他实施例中，也可以加入固态的铝，不过此时，就需要在本步骤之后，再加上一个步骤，使得加入的铝熔化，同时，该步骤还会持续较长时间。

步骤S12升温加热：在本实施例中，本步骤就是使得上述感应电炉开始工作，加热上述液态铝，使其保持在规定的温度范围内，并使上述感应电炉及其中的液态铝的温度保持在设定的范围内保持第一设定时间。在本实施例中，上述设定温度(规定的温度)是800度；而上述第一设定时间是6分钟。在其他实施例中，上述温度可以是790度到850度之间的任意一个值，而其第一设定时间可以是3-8分钟。

步骤S13加入合金化原料：在本步骤中，加入需要加入的合金成分，在本实施例中，按照事先设定，加入氟钛酸钾和氟硼酸钾，充分搅拌，并在上述感应电炉中保持一段时间，使得上述氟钛酸钾和氟硼酸钾充分与液态铝反应，得到液态合金。在本实施例中，上述加入感应电炉的铝、氟钛酸钾、氟硼酸钾的重量比是1000∶250∶125。在本实施例中，上述氟钛酸钾和氟硼酸钾均为粉状。

步骤S14反应，控制TiB₂颗粒团平均名义直径：当加入上述合金材料后，这些合金材料与铝液开始反应，得到液态合金；同时，将上述液态合金在上述感应电炉保持一段时间(即第二设定时间)，在本实施中，上述第二设定时间为60分钟。而在其他实施例中，上述第二设定时间也可以是30-90分钟。此时，由于在上述感应电炉中存在变化的电磁场，且该电磁场是多个交变电磁场的叠加，所以，上述处于炉体中液态合金在上述感应电炉中受到电磁场的作用而形成其截面为多个波峰的液面，从而使得其每一部分都受到上述三个线圈产生的电磁力的组合的或单独的作用，在得到充分的电磁搅拌的同时使其中TiB₂颗粒团平均名义直径受到控制。值得一提的是，在上述感应电炉中，其线圈的驱动频率越高，其产生的电磁场就越靠近线圈；同时线圈上的驱动频率越高，防止上述TiB₂颗粒团聚合的力量就越大，TiB₂颗粒团平均名义直径尺寸就越小。采用本发明本实施例中的感应电炉，可以使得到的铝钛硼合金中TiB₂颗粒团平均名义直径尺寸由采用现有技术中的感应电炉时的5微米下降到2微米左右，极大地提高了得到的铝钛硼合金在作为细化剂时对铝或铝合金的晶粒细化能力。

在完成上述步骤S14后，感应电炉中得到铝钛硼就可以通过轧制或其他工序制成铝钛硼合金线，用于添加在铝或铝合金中。

在本实施例中，该方法的一个重要的特点就是其使用的感应电炉，该感应电炉的线圈及其驱动电流的结构与参数直接关系到使用该方法取得铝钛硼合金中TiB₂颗粒团的平均名义直径大小。如图2和图3所示，该感应电炉包括炉体1以及设置在炉体1外表面的线圈2。其中，上述炉体1用于盛放需要熔炼的金属，炉体1包括一个外壁11及该外壁所形成的一个盛放金属的空间12；上述线圈设置在炉体1的外壁11的外部，并在炉体1的轴向(即图1中剖开方向)上以不同的直径包围上述外壁11。在工作时，上述线圈2在控制装置(图中未示出)的控制或驱动下，流过交变电流，该交变电流在上述空间12内形成变化的磁场，炉体1的空间12内的金属感应到上述交变电流产生的磁场，其切割上述磁场的磁力线并在该金属表面产生涡电流。由于金属具有一定的电阻，电流流过电阻而发热，并使该金属发热或熔化；同时上述磁场还对其中的的物体产生一定的作用力，由于在本实施例中上述合金为熔体，在上述磁场的作用下，该熔体的受力部分将会产生一定的位移，当这种移动的位置较大时，会在熔体表面形成波峰和波谷。在本实施例中，如图1所示，上述线圈2中包括了3个单独的线圈，其分别为第一线圈21、第二线圈22以及第三线圈23。同时，在本实施例中，上述控制装置输出到上述每个线圈流过的驱动电流的频率是各不相同。当然，在其他实施例中，上述线圈也不一定就是3个，也可以是别的数目，例如，2个或4个。不同的线圈数量及其中流过电流的频率不一样，使得上述炉体1中的空间12中磁场的强度及其变化程度不一样。

如上所述，上述线圈2包括第一线圈21、第二线圈22和第三线圈23；其中，上述第一线圈21流过电流的频率为第一频率，第二线圈22流过电流的频率为第二频率，第三线圈23流过电流的频率为第三频率。在本实施例中，上述第一频率为50Hz，第二频率为1000Hz，第三频率为2100Hz。而在其他实施例中，上述第二频率也可以在500-1200Hz之间调整，第三频率也可以在1500-2500Hz之间调整。这样的频率选取使得上述线圈2在上述炉体1内的交变磁场及其磁力较为有利于减小铝钛硼合金中TiB₂颗粒之间的凝聚力，使在反应中形成的TiB₂颗粒团的平均名义直径得到控制。在第一实施例中，通过试验得知，采用上述设置的感应电炉可以将上述铝钛硼合金中TiB₂颗粒团平均名义直径4-5微米降低到1.8-2微米左右。

由电磁感应原理可以知道，在线圈中通过电流时会产生穿过该线圈的磁场，变化的电流将产生变化的磁场；这些磁场的分布及强度不仅与线圈的形状相关，还与其中流过的电流频率相关。通常，流过线圈的电流频率越高，其靠近线圈位置产生的磁力线就越密集，相应而言，这些位置所受到的磁力就越大。对于50Hz的工频而言，其线圈中受到上述磁力作用较大的位置是在线圈的中心位置，而对于1000Hz左右的电流产生的磁场，其作用力较大的部分(即磁力线较为密集部分)就不在其线圈的中心部分，而在以该线圈中心位置为轴、更加靠近线圈的对称位置(由其截面来看，就是对称于线圈中心轴的左右的位置)；2100Hz的电流产生的磁场，其作用力较大的部分(即磁力线较为密集部分)与上述1000Hz左右的电流相似，不过其位置更加靠近该线圈。而且，上述作用力较大位置在其截面上来看也不是一个点，而是一个范围。这样，在上述通过不同频率电流的三个线圈的作用下，上述炉体1内的基本上任何位置均可受到一定强度的磁力的作用。而一定强度的磁力的作用可以减少上述TiB₂颗粒的聚合的趋势，从而使得在反应中形成的TiB₂颗粒团平均名义直径受到控制。通过上面的描述可以得知，在本实施例中采用三个以不同的直径分别包围上述炉体1的线圈，使得上述感应电炉的炉体1内的液态合金在其横截面上的各个位置都受到上述线圈产生的电磁力作用，减少TiB₂颗粒的聚合的趋势，从而使得其平均名义直径受到控制，即TiB₂颗粒团的平均名义直径仍然呈正态分布，但其中心的尺寸因受到控制而降低。

如图2、3所示，在第一实施例中，上述第一线圈21、第二线圈22和第三线圈23以不同的直径分别包围上述炉体1中外壁11的整个轴向外表面(即图1中由上至下的方向)；其中，第三线圈23最为靠近炉体1的外壁11外表面，但与外壁11保持一设定距离(即第三线圈的半径大于炉体外壁11的半径)；而第二线圈22包围在上述第三线圈23的外部，由其截面来看，上述第三线圈23与第二线圈22之间存在一设定的距离(即第二线圈的半径大于第三线圈的半径)；而第一线圈21围绕在上述第二线圈22外部，同样，由其截面来看，上述第一线圈21与第二线圈22之间存在一设定的距离(即第一线圈的半径大于第二线圈的半径)。同时，上述三个线圈分别被固定在上述炉体1上，每个线圈的导线或铜线外部分别设置有防止线圈之间短路或拉弧的绝缘层。在本实施例中，上述每个线圈在横截面上的距离为8厘米，在其他实施例中，每个线圈之间的距离也可以在5-15厘米之间调整。具体而言，上述三个线圈之间及线圈与炉体外壁11之间在横截面上的距离设置不仅可以使得线圈之间可以相互绝缘，减少其相互之间的耦合(包括热耦合)，同时，由于调整了上述线圈之间的距离，实际上也调整了上述线圈与炉体1之间的位置关系，从而改变了该线圈产生的电磁场穿过上述炉体1的位置，使得炉体1中的液态合金受到其电磁力作用的位置有所改变。因此，也可以通过调整上述线圈的位置来在一定程度上使得上述炉体1内的液态合金受到上述线圈产生的电磁场的作用力更加均匀。这样的设置不仅使得上述线圈2可以充分地将其磁场分布在上述空间12内，更加有效地加热上述空间12内的金属，而且将频率最低的线圈放在最外面，也可以有效地减少线圈对外的电磁干扰。

在本实施例中，上述炉体1的主体部分碳化硅(SiC)构成。以便于上述多个线圈产生的电磁场可以有效地作用于盛放在其中的液态合金上。

在本实施例中，该感应电炉还包括并接在第一线圈21上的第一(补偿)电容(图中未示出)、并接在第二线圈22上的第二(补偿)电容(图中未示出)和并接在第三线圈23上的第三(补偿)电容(图中未示出)。其中，所述第一补偿电容值为90μF，第二补偿电容值为720μF，第三补偿电容值为1200μF。在其他实施例中，上述第一补偿电容值也可以在40-120μF之间调整，第二补偿电容值也可以400-1000μF之间调整，第三补偿电容值也可以在800-1800μF之间调整。采用补偿电容的目的在于减少交流电流在通过上述各线圈时的波形畸变，提高功率因数，同时也减少了该感应电炉对外部交流电源的污染。

在本实施例中，该感应电炉还包括一个控制柜(图中未示出)，以及设置在上述控制柜中、分别于上述第一线圈21、第二线圈22及第三线圈23端点连接的线圈驱动控制装置(图中未示出)。同时工作的三个线圈使得上述空间12内的磁场强度得到进一步的加强，同时其交变频率进一步加大，减少了TiB₂颗粒聚合的趋势，控制了TiB₂颗粒团平均名义直径。此外，在其他实施例中，上述三个线圈也可以不是同时通电工作的，该三个线圈可以单个轮流通电工作或两两轮流通电工作。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

B)加入合金材料，包括氟钛酸钾和氟硼酸钾；

2.根据权利要求1所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述步骤A)中的设定温度包括790-850℃；所述第一设定时间包括3-8分钟。

3.根据权利要求2所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述铝、氟钛酸钾、氟硼酸钾的重量比为1000∶250∶125。

4.根据权利要求3所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述步骤C)中所述第二设定时间为40-90分钟。

5.根据权利要求4所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述氟钛酸钾和氟硼酸钾为粉状。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述感应电炉包括多个线圈，所述步骤C)中进一步包括在所述每个线圈上分别施加产生不同电磁场的、不同频率的电流。

7.根据权利要求6所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述线圈包括流过第一频率电流的第一线圈、流过第二频率电流的第二线圈和流过第三频率电流的第三线圈；所述第一频率包括50Hz，所述第二频率包括500-1200Hz，所述第三频率包括1500-2500Hz。

8.根据权利要求7所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈具有不同的直径且分别以所述感应炉炉体为圆心同心设置并包围所述感应电炉炉体；所述第三线圈靠近所述炉体外表面，所述第一线圈远离所述炉体外表面，所述第二线圈位于所述第一线圈和第三线圈之间；所述第一线圈与所述炉体轴向外表面、第一线圈和第二线圈以及第二线圈和第三线圈之间在其水平截面上保持一设定距离，所述设定距离包括5-15厘米。

9.根据权利要求8所述的控制TiB₂颗粒团平均名义直径的铝钛硼合金制备方法，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈按照设定方式同时流过其对应频率的电流或两两或单独流过其对应的电流。