CN101892404B - 一种锌-钛中间合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锌-钛中间合金的制备方法，用该方法制备的锌-钛中间合金可用于细化锌-铝合金的晶粒组织。制备方法为：将纯锌锭用感应电炉在坩埚内熔化至700-750℃，将占原料总质量0.3-1.5％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，温度保持在720-800℃；接着将剩余的纯钛分一至三次用钟罩压入上述金属液内部，温度保持在750-880℃；自然降温至660-750℃之后加入除渣剂，将合金液浇注入铸模中，凝固后即得到锌-钛中间合金。本发明的制备方法，可制备高含钛量(10wt.％)的锌-钛合金，时间大大缩短，大大减少了锌的氧化及蒸发导致的损耗，不需要复杂的设备，工艺简单，生产周期短，适合于规模化工业生产和应用。

Description

一种锌-钛中间合金的制备方法

技术领域

本发明属于金属合金材料的技术领域，特别涉及一种锌-钛中间合金的制备方法，用该方法制备的锌-钛中间合金可用于细化锌-铝合金的晶粒组织。

背景技术

含铝大于5wt.％的高铝锌-铝合金(以下称为锌-铝合金)具有优良的力学及加工性能，存在广阔的市场应用前景。但是锌-铝合金在凝固过程中容易生成发达的初生α-Al树枝晶，导致缩孔、缩松及晶内成分偏析缺陷，带来力学性能的下降和产品潜在的老化危险。为了克服以上问题，实际生产中需要向锌-铝合金中添加晶粒细化剂以细化晶粒。向锌-铝合金中添加锌-钛中间合金已经被发现具有很好的晶粒细化作用。

目前常见的文献报导的锌-钛合金的制备方法是将纯钛加入到锌液中保温反应熔炼得到。由于纯锌的熔点较低(419.5℃)，在空气中熔炼温度过高时易氧化、燃烧，超过900℃时又会气化，而纯钛的熔点高达1662℃，为使纯钛在锌液中充分和完全地溶解，需要将加入纯钛的锌液在750℃以下进行长时间保温。例如专利号为97109545.0的中国专利所引述的其它文献制备锌-钛合金的方法是：将纯钛加入700-750℃的锌液保温反应6小时可制备出Zn-2wt.％Ti合金，而同样方法制备Zn-5wt.％Ti则需要反应9小时。专利号为97109545.0的中国专利报导的制备锌-钛合金的方法是：将海绵钛加入到500-750℃的锌熔体中保温反应0.5-6小时，能制备含钛0.005-5wt.％的锌-钛合金。此方法的缺点是不能制备含钛量大于5wt.％的锌-钛合金；在较长的熔化反应时间内仍可能存在纯钛反应不完全的问题：制备含钛为0.5-2wt.％的锌-钛合金在反应1小时以上时才能保证纯钛完全反应、而制备含钛为3wt.％及以上的锌-钛合金在保温反应2小时的时候仍可能存在未反应的纯钛(见该专利文献之说明书表1)。

锌-钛合金的制备过程中若长时间保温反应会带来锌的氧化损耗增加及生产周期的大大延长，导致生产成本的大大提高。若锌-钛合金中残留有固体纯钛，添加到锌-铝合金中进行晶粒细化时纯钛会被转移到锌-铝合金中，对锌-铝合金的力学等性能带来不利影响。用锌-钛合金细化锌铝合金的细化效果在其它条件相同的条件下主要依赖于通过锌-钛合金添加的钛量，因此，使用含钛量相对较低的锌-钛合金进行锌-铝合金的晶粒细化会使锌-钛合金添加量增大，导致成本增加；同时，锌-钛合金添加量较多时会较大地改变被细化的锌-铝合金的成分比例，有可能带来锌-铝合金某些性能的改变，这是实际生产中所不允许的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述目前制备锌-钛合金所需反应时间长、及所制备锌-钛合金含钛量低的问题，提供一种短时间内制备高含钛量的锌-钛合金的方法。

本发明是通过以下方法实现的：

本发明公开了一种锌-钛中间合金的制备方法，其特征是采用以下步骤：

(1)按下列质量比例准备原料：纯钛，2-10％；其余为纯锌锭；

(2)将纯锌锭用感应电炉在坩埚内熔化至700-750℃，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量0.3-1.5％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热0.5-5分钟；感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内保持在720-800℃并将纯钛完全熔入锌液中为宜；

(3)接着将剩余的纯钛分一至三次用钟罩压入上述金属液内部，压入过程中及压入后保持加热，但要保持感应炉合适的功率，使金属液的温度保持在750-880℃；全部纯钛压入锌液后再继续加热1-10分钟，使纯钛全部熔解入锌液中；

(4)然后停止加热，合金液自然降温至660-750℃之后加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛成分在合金液中混合均匀，去除浮渣后将合金液浇注入铸模中，凝固后即得到锌-钛中间合金。

更优选的，所述步骤(1)中纯钛的质量百分比为5-10％。

更优选的，步骤(2)中，所述温度保持在720-750℃。

更优选的，步骤(3)中，所述温度保持在800-880℃；继续加热时间为5-10分钟。

本发明制备锌-钛中间合金的方法采用先在相对较低温度的锌液中添加少量钛(1.5wt.％以内)，然后迅速升高温度并快速反应的工艺。先添加的少量钛熔解后很快有一部分会偏析聚集到锌液表面形成一定厚度的富钛液层，对锌液起到很好的保护作用，能够阻止锌的氧化和燃烧。由于感应电炉有很快的加热速度，及纯钛与锌液接触后反应也会迅速释放出热量，所以纯钛加入锌液后可在短时间内很快升高到相对较高的温度，这会使纯钛在锌液中迅速熔解。采用分批加入纯钛可以防止因一次加入钛过多导致熔体局部放热太多引起金属液温度太高产生锌的燃烧和气化问题。本专利所给工艺可在不到20分钟的熔化时间内制备含钛量高达10wt.％的锌-钛合金，且反应完全，不会残留未反应的纯钛。由于时间较短，大大减少了锌的氧化损耗。本方法不需要复杂的设备，工艺简单，生产周期短，适合于规模化工业生产和应用。

通过以上制备方法所得锌-钛中间合金中含有Zn₃Ti、Zn₁₆Ti及Zn₅Ti、Zn₇Ti、Zn₈Ti化合物，可用于细化含铝5-50wt.％的锌-铝合金中的α-Al晶粒。将该中间合金加入到待细化的锌-铝合金液中后，其中的纯锌及部分锌钛化合物会在1-30分钟内熔化并释放出以溶质形式存在的钛元素，这些钛元素及部分可能未熔化的锌钛化合物会在锌-铝合金凝固过程中起到细化α-Al晶粒的作用。

附图说明

图1为未细化Zn-25wt.％Al合金的光学显镜组织。

图2为添加0.5％的Zn-6％Ti中间合金进行细化后Zn-25wt.％Al合金的光学显微镜组织。

图1和图2中发亮的区域为α-Al晶粒。除了未添加和添加锌-钛中间合金的区别之外，获得图1和图2中的组织的其余条件完全相同。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例：

实施例1

按下列质量比例配料：94％纯锌，6％纯钛；用中频感应电炉在石墨粘土坩埚内将纯锌熔化至740℃左右，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量1.5％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热4分钟。感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内迅速升高至780℃并将纯钛完全熔入锌液中为宜。接着，将剩余纯钛分两批(分别为2％，2.5％)用钟罩压入合金液，压入纯钛过程中及压入后的6分钟内保持合适的感应炉功率，控制熔体温度在840℃左右。在上述加热时间内纯钛全部熔解后停止加热，让合金液温度自然下降到670-720℃，加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛组元在合金液中混合均匀，去掉浮渣后将合金液浇注入铸模中，冷却后即得Zn-6wt.％Ti中间合金。用X射线衍射及扫描电镜分析表明该Zn-6wt.％Ti中间合金中没有未反应的纯钛、钛的氧化物或锌的氧化物，主要物相为Zn、Zn₁₆Ti、Zn₁₀Ti、Zn₈Ti、Zn₇Ti、Zn₃Ti、Zn₅Ti。

上述所得Zn-6wt.％Ti中间合金以0.5wt.％的添加量加入到570℃的Zn-25wt.％Al合金中保温10分钟，然后对合金液进行充分搅拌，再浇注入铁模中冷却，可将Zn-25wt.％Al的α-Al相由包含大量二次(甚至三次)枝晶、总长度可达300微米以上的发达树枝晶(见图1)细化为直径在30-80微米、均匀分布的等轴晶粒和不含二次枝晶的花瓣状晶粒(见图2)。

实施例2

按下列质量比例配料：97％纯锌，3％纯钛；用中频感应电炉在石墨粘土坩埚内将纯锌熔化至730℃左右，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量1％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热5分钟。感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内迅速升高至760℃左右并将纯钛完全熔入锌液中为宜。接着，将剩余纯钛用钟罩压入其中，压入纯钛过程中及压入后的5分钟内保持合适的感应炉功率，控制熔体温度在810℃左右。在上述加热时间内纯钛全部熔解后停止加热，让合金液温度自然下降到660-690℃，加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛两种成分在合金液中混合均匀，去掉浮渣后将合金液浇注入铸模中，冷却后即得Zn-3wt.％Ti中间合金。用X射线衍射及扫描电镜分析表明该Zn-3wt.％Ti中间合金中没有未反应的纯钛、钛的氧化物或锌的氧化物，所含主要物相是Zn、Zn₁₆Ti。

上述所得Zn-3wt.％Ti中间合金与实施例1中所得Zn-6wt.％Ti中间合金以相等的钛量加入Zn-25wt.％Al合金中，可达到相同的晶粒细化效果。

实施例3

按下列质量比例配料：90％纯锌，10％纯钛；用中频感应电炉在石墨粘土坩埚内将纯锌熔化至740℃左右，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量1％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热4分钟。感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内迅速升高至780℃左右并将纯钛完全熔入锌液中为宜。接着，将剩余纯钛分三批(分别为2％，3％，4％)用钟罩压入合金液，压入纯钛过程中及压入后的10分钟内保持合适的感应炉功率，控制熔体温度在850℃左右。在上述加热时间内纯钛全部熔解后停止加热，让合金液温度自然下降到690-750℃，加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛两种成分在合金液中混合均匀，去掉浮渣后将合金液浇注入铸模中，冷却后即得Zn-10wt.％Ti中间合金。用X射线衍射及扫描电镜分析表明该Zn-10wt.％Ti中间合金中没有未反应的纯钛、钛的氧化物或锌的氧化物，所含主要物相是Zn、Zn₃Ti、Zn₅Ti、Zn₁₆Ti、Zn₁₀Ti、Zn₈Ti、Zn₇Ti。

上述所得Zn-10wt.％Ti中间合金与实施例1中所得Zn-6wt.％Ti中间合金以相等的钛量加入Zn-25wt.％Al合金中，可达到相同的晶粒细化效果。

实施例4

按下列质量比例配料：92％纯锌，8％纯钛；用中频感应电炉在石墨粘土坩埚内将纯锌熔化至720℃左右，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量0.4％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热2分钟。感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内迅速升高至750℃并将纯钛完全熔入锌液中为宜。接着，将剩余纯钛分三批(分别为1.5％，2.5％，3.6％)用钟罩压入合金液，压入纯钛过程中及压入后的10分钟内保持合适的感应炉功率，控制熔体温度在840℃左右。在上述加热时间内纯钛全部熔解后停止加热，让合金液温度自然下降到680-730℃，加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛两种成分在合金液中混合均匀，去掉浮渣后将合金液浇注入铸模中，冷却后即得Zn-8wt.％Ti中间合金。用X射线衍射及扫描电镜分析表明该Zn-8wt.％Ti中间合金中没有未反应的纯钛、钛的氧化物或锌的氧化物，所含主要物相是Zn、Zn₃Ti、Zn₅Ti、Zn₈Ti、Zn₁₀Ti、Zn₇Ti、Zn₁₆Ti。

上述所得Zn-8wt.％Ti中间合金与实施例1中所得Zn-6wt.％Ti中间合金以相等的钛量加入Zn-25wt.％Al合金中，可达到相同的晶粒细化效果。

Claims (3)

1.一种锌-钛中间合金的制备方法，其特征是采用以下步骤：

(1)按下列质量比例准备原料：纯钛，2-10％；其余为纯锌锭；

(2)将纯锌锭用感应电炉在坩埚内熔化至700-750℃，然后迅速提高感应炉的功率，并将占原料总质量0.3-1.5％的纯钛用钟罩压入纯锌熔体中，继续保持加热0.5-5分钟；感应炉的功率大小以将熔体温度在上述时间内温度保持在750-800℃并将纯钛完全熔入锌液中为宜；

(3)接着将剩余的纯钛分一至三次用钟罩压入上述金属液内部，压入过程中及压入后保持加热，但要保持感应炉合适的功率，使金属液的温度保持在750-880℃；全部纯钛压入锌液后再继续加热1-10分钟，使纯钛全部熔解入锌液中；

(4)然后停止加热，合金液自然降温至660-750℃之后加入除渣剂，并用碳棒进行搅拌，在除渣的同时使锌与钛成分在合金液中混合均匀，去掉浮渣后将合金液浇注入铸模中，凝固后即得到锌-钛中间合金。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述纯钛的质量百分比为5-10％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述温度保持在800-880℃；继续加热时间为5-10分钟。

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