CN101928862B - 一种铝-硼-碳-氮中间合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属金属材料领域，涉及一种用于细化镁及镁合金的铝-硼-碳-氮中间合金及其制备方法。本发明铝-硼-碳-氮中间合金，包含铝、硼、碳元素，其特征是它还含有氮元素，各组分的质量百分比为：铝94.00％-99.00％，硼0.10％-4.00％，碳0.10％-2.00％，氮0.01％-0.50％。铝-硼-碳-氮中间合金的制备方法是：首先将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1000-1200℃，然后依次加入经过预热的铝-硼和铝-碳中间合金，此过程中持续向铝液中吹入经干燥处理过的纯氮气，在1200-1400℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。所制备的铝-硼-碳-氮中间合金对镁及镁合金具有明显的晶粒细化效果。
Description
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及一种用于细化镁及镁合金晶粒的铝-硼-碳-氮中间合金及其制备方法。
背景技术
镁及其合金具有密度小、比强度和比刚度高等优点，在需要轻量化及节能减排的交通运输、航空航天等领域得到越来越广泛的应用，成为继钢铁和铝合金之后的第三大金属材料。但是，由于镁的晶体结构为密排六方，其滑移系较少，这导致它的塑性变形能力很差，从而在很大程度上限制了镁合金的应用。研究发现，细小的等轴晶粒可以改善镁合金的塑性变形能力，同时以细晶强化的方式提高其强度。因此晶粒细化对于镁合金的发展具有非常重要的作用。
镁合金按照是否含有铝元素分为两大类，即含铝的镁合金与不含铝的镁合金。对于不含铝的镁合金，加入锆即能显著细化其晶粒；对于含铝的镁合金，自从20世纪30年代开始，人们逐渐提出了一些针对该类合金的晶粒细化方法，主要有包括：过热处理法、无水氯化铁法、加碳法(如石墨粉、碳化物、碳酸盐、六氯乙烷等)、加入形核颗粒(Al4C3、TiB2、AlN、AlB2等)和溶质元素(Ca、Sr、Ti、Sm、Ce、La、Y等)法。但是以上方法都存在一些缺点，如过热处理法使合金的氧化加剧，无水氯化铁法降低合金的耐蚀性，加碳法晶粒细化效果不稳定，等等。申请号为200810049548.X中国专利报道了一种镁合金用含氮细化剂的制备方法，即通过向铝镁熔体中加入一定量的Mg3N2粉末从而原位生成镁的异质形核衬底AlN。但由于Mg3N2粉末为外加，使之加入困难且分散不均匀，从而影响细化效果。申请号为200910060406.8的中国专利报道了一种镁及镁合金晶粒细化剂Mg-TiB2的制备方法，即将钛粉、硼粉和镁粉干混、压块、烘干后烧结得到。但该方法制备工艺复杂，制备周期较长，且原材料成本较高。因此，找到一种无污染、细化效果显著且稳定、适合工业化生产的含铝的镁合金晶粒细化剂具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能有效细化镁及镁合金晶粒的铝-硼-碳-氮中间合金，同时提供一种生产成本低、工艺简便、适合工业化生产的制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种铝-硼-碳-氮中间合金，包含铝、硼、碳元素，其特征是它还含有氮元素，各组分的质量百分比为：铝94.00-99.00，硼0.10-4.00，碳0.10-2.00，氮0.01-0.50；随成分变化，该中间合金中含有弥散分布的微米级Al3BC、Al4C3、AlB2粒子；微量氮元素掺杂到这些粒子中，此外还生成少量AlN粒子。这些粒子均可作为镁的良好异质形核衬底。
上述铝-硼-碳-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：10％-80％的铝-硼中间合金、10％-20％的铝-碳中间合金(以铝-硼中间合金、铝-碳中间合金和纯铝三种原料为基数基础)、余为纯铝，其次为经干燥处理过的纯氮气；其中所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1％-5％，所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为1％-10％；
(2)将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1000-1200℃，依次加入经过预热的铝-硼和铝-碳中间合金，加入过程中持续向铝液中吹入氮气，在1200-1400℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
用该方法制备的铝-硼-碳-氮中间合金的质量百分比为：铝94.00-99.00，硼0.10-4.00，碳0.10-2.00，氮0.01-0.50。
在利用本发明的方法制备的铝-硼-碳-氮中间合金中发现一种新的镁的异质形核衬底Al3BC(a＝0.3491nm，c＝1.154nm)，其与α-Mg(a＝0.3209nm，c＝0.5221nm)具有相同的晶体结构和相近的晶格常数。同时，该中间合金中含有的不是简单的Al3BC、Al4C3、AlB2粒子，而是形成了Al3(B，C，N)、Al4(C，N)3、Al(B，N)2粒子。与原来的粒子相比，氮元素的掺杂改善了粒子性质使其更容易作为镁的异质形核衬底。此外，各种粒子都是在熔体中通过原位反应生成的，且反应过程中存在交互作用，使其在基体上分布均匀，这都提高了中间合金的晶粒细化效率。细化试验表明，该铝-硼-碳-氮中间合金具有良好的晶粒细化效果。将中间合金加入到镁合金熔体中后，其中所含有的大量粒子在合金凝固时就可作为镁的异质形核衬底，从而达到高效细化镁合金晶粒的目的。因该中间合金为锭状或线材，所以加入量易于控制，且操作简便、细化效果稳定、制备工艺简单，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好所需原料：26.7％的铝-硼中间合金、12％的铝-碳中间合金、61.3％纯铝，以及经干燥处理过的纯氮气；其中所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为3％，所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为5％。
(2)将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1000℃，依次加入经过预热的铝-硼和铝-碳中间合金，加入过程中持续向铝液中吹入氮气，在1200℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
按照上述配比和工艺制备的铝-硼-碳-氮中间合金，其化学成分的质量百分比组成为：硼0.80，碳0.60，氮0.01-0.03，余量为铝。
实施例2
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：30％的铝-硼中间合金、15％的铝-碳中间合金、55％纯铝，以及经干燥处理过的纯氮气；其中所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1％，所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为8％。
(2)将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1200℃，依次加入经过预热的铝-硼和铝-碳中间合金，加入过程中持续向铝液中吹入氮气，在1350℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
按照上述配比和工艺制备的铝-硼-碳-氮中间合金，其化学成分的质量百分比组成为：硼0.30，碳1.20，氮0.08-0.10，余量为铝。
实施例3
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：60％的铝-硼中间合金、10％的铝-碳中间合金、30％纯铝，以及经干燥处理过的纯氮气；其中所用铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为5％，所用铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为5％。
(2)将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1100℃，依次加入经过预热的铝-硼和铝-碳中间合金，加入过程中持续向铝液中吹入氮气，在1250℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
按照上述配比和工艺制备的铝-硼-碳-氮中间合金，其化学成分的质量百分比组成为：硼3.00，碳0.50，氮0.05-0.07，余量为铝。
Claims (2)
1.一种铝-硼-碳-氮中间合金，包含铝、硼、碳元素，其特征是它还含有氮元素，氮掺杂于Al3BC、Al4C3、AlB2粒子，形成Al3(B，C，N)、Al4(C，N)3、Al(B，N)2粒子；各组分的质量百分比为：铝94.00％-99.00％，硼0.10％-4.00％，碳0.10％-2.00％，氮0.01％-0.50％。
2.一种权利要求1所述的铝-硼-碳-氮中间合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)首先按10％-80％的铝-硼中间合金、10％-20％的铝-碳中间合金、余为纯铝的质量百分比准备好原料，以及经干燥处理过的纯氮气；其中，铝-硼中间合金中硼的质量百分含量为1％-5％，铝-碳中间合金中碳的质量百分含量为1％-10％；
(2)将纯铝置于中频炉中熔化并加热至1000-1200℃，依次加入经过预热的铝-硼中间合金和铝-碳中间合金，加入过程中持续向铝液中吹入氮气，在1200-1400℃下保温并搅拌2-30分钟后浇注成锭或制成线材。
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