CN102719706A

CN102719706A - Zn-Al-Cr中间合金及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102719706A
Application number: CN2012102204042A
Authority: CN
Inventors: 王振卿; 杨中喜; 耿浩然
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: CN102719706B

Abstract

本发明涉及一种Zn-Al-Cr中间合金及其制备方法和应用，所述的Zn-Al-Cr中间合金包括以下质量百分比的组分：Cr：0.01-16wt.%；Al：8-50wt.%；余量为Zn；采用以下制备方法：按配比称取原料，取纯铝锭的50-90wt.%用感应电炉熔化，后把纯铬分批加入到铝熔体中，使之混熔后停止加热；把锌锭加入使之混溶，搅拌均有，浇铸即得。本发明还涉及在锌-铝合金晶粒细化中的应用。本发明还能降低锌-铝合金熔炼温度、减少熔炼、处理时间，从而大大降低生产成本。

Description

Zn-Al-Cr中间合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种Zn-Al-Cr中间合金及其制备方法，同时涉及了Zn-Al-Cr中间合金在Zn-Al合金晶粒细化中的应用，属于金属合金材料技术领域。

背景技术　

含铝量大于5wt.%的Zn-Al合金具有优良的力学、铸造工艺及机械加工工艺性能，市场应用前景广阔。然而这类合金在凝固过程中容易生成发达的初生α-Al树枝晶。对锌-铝合金中发达的α-Al树枝晶进行控制以减小晶粒尺寸、减少枝晶分枝数目甚至使其转变为尺寸细化小的等轴晶，会大大提高材料力学性能，同时也会减少组织中的缩孔、缩松及成分偏析等各种微结构缺陷。故实际生产中通常向锌-铝合金中添加晶粒细化剂以细化α-Al晶粒组织。

目前常用的锌-铝合金晶粒细化剂以铝基中间合金（如Al-Ti、Al-Sr中间合金）、盐类（如K₂TiF₆）、稀土为常见，这些细化剂在实际使用过程中会出现很多问题：稀土和铝基中间合金熔化温度大大高于锌-铝合金熔炼温度，为使细化剂熔入锌-铝合金并分布均匀，细化时需要提高熔炼温度或延长保温时间，这会大大提高生产成本；锌-铝合金（特别是铝含量较低时）加入铝基中间合金细化剂之后铝含量会产生较大的变化，进而可能会产生某些性能的改变；盐类加入锌-铝熔体中后有效细化元素的吸收不稳定，使加入量无法精确控制，且细化过程中会产生其它盐类化合物，成为锌-铝合金中的夹杂物而恶化其力学性能。故锌铝合金的实际生产中需要加入与自身熔化温度和化学成分相近的锌-铝基中间合金细化剂。

目前已经出现含有钛元素的锌-铝基Zn-Al-Ti-B、Zn-Al-Ti中间合金，但这些中间合金仍然存在一些问题。如：申请号为201110233071.2的中国发明专利给出了一种锌-铝-钛-硼中间合金，可用于细化锌-铝合金中的初生α-Al晶粒，但此发明需要用氟盐进行制备，制备过程中会释放出有毒气体或固体，污染环境且影响生产工人的身体健康，而且增加了废弃物处理的生产工序，同时所制备的中间合金基体中可能会因清渣不完全而残留固体氟盐化合物，这样的中间合金加入到待细化的锌-铝合金中后会降低其力学性能，或引发其它产品质量问题。此外，上述中间合金细化剂以含有钛元素为主，而锌铝合金往往会含有Si、Pb、Fe、Mn、Cu等元素，有些元素会与细化剂中的Ti元素发生反应而使细化剂的晶粒细化效果下降。如Si元素会在锌-铝合金熔体中与Ti元素或含Ti化合物反应生成对细化无效的Ti-Al-Si三元化合物而使含钛中间合金的晶粒细化效果下降甚至消失。因此，锌-铝合金的晶粒细化还需要不含钛元素的细化剂，以适应不同类型锌-铝合金的晶粒细化之需要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Zn-Al-Cr中间合金，该中间合金以锌-铝合金为基体，与锌-铝合金有相近的基体成分，相近的熔化温度，加入到铝含量高于5wt.%的锌-铝合金中后能够在短时间内迅速熔化释放出铬元素和含铬固体粒子而使其中的初生α-Al晶粒在凝固过程中发生细化。

本发明还提供了上述Zn-Al-Cr中间合金的制备方法和应用。

本发明的技术方案如下：

一种Zn-Al-Cr中间合金，包括以下质量百分比的组分：Cr：0.01-16wt.%；Al：8-50 wt.%；余量为Zn。

进一步的，Cr元素的存在形式为Zn、Al、Cr三种元素组成的三元化合物。

进一步的，所述三元化合物包括Cr₁₄（Zn，Al）₈₆、Cr（Zn，Al）₇、Cr（Zn，Al）₄ 或Cr（Zn，Al）₁₃中的一种或多种。

本发明还提供了Zn-Al-Cr中间合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取纯铝锭、纯铬和纯锌锭作为原料，备用；

（2）将50-90wt.%的纯铝锭用感应电炉熔化至900-1200℃，然后将纯铬分批加入到铝熔体中，继续反应3-20分钟使之完全混熔后停止加热；

（3）将剩余纯铝锭加入到上述铝铬合金熔体中，调节电炉的功率，使纯铝锭完全熔化并使熔体温度维持在800-910℃；

（4）将纯锌锭加入上述铝铬合金熔体中，调节电炉的功率，使纯锌锭完全熔化并使熔体温度维持在460-780℃；

（5）将上述合金熔体进行充分搅拌，浇入铸模，凝固后即得Zn-Al-Cr中间合金。

优选的，步骤（1）中纯铬的颗粒粒度为0.1-15mm。

本发明还提供了Zn-Al-Cr中间合金在锌-铝合金晶粒细化中的应用。

其优选的应用方法如下：将Zn-Al-Cr中间合金加入到铝含量高于5wt.%的锌-铝合金中用于细化其中的初生α-Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中间合金的加入量满足Cr元素在细化后锌-铝合金中的含量为0.01-0.2wt%。

采用本发明方法制备的Zn-Al-Cr中间合金中的铬元素在锌-铝基体中主要以Cr₁₄（Zn，Al）₈₆、Cr（Zn，Al）₇、Cr（Zn，Al）₄ 或Cr（Zn，Al）₁₃等三元化合物形式存在。将中间合金加入到锌-铝合金熔体内后，中间合金的锌-铝基体熔化并释放出上述三元化合物固体粒子和部分Cr元素原子，在锌-铝合金凝固过程中使初生α-Al因形核数目大大增多从而产生高效的细化作用。由于中间合金与锌-铝合金有相近的熔化温度，从而保证进行晶粒细化时中间合金加入到锌-铝合金中后能够迅速熔化并均匀分布，以降低锌-铝合金熔炼温度、减少熔炼、处理时间，从而大大降低生产成本。

附图说明

图1为未细化Zn-30Al合金在580℃浇注冷却后的光学显微镜照片。

图2为 Zn-30Al合金在580℃加入比例为0.5% 的Zn-45wt.%Al-10wt.%Cr中间合金并保温15分钟进行细化后的光学显微镜照片。

图1和图2中发亮的晶粒组织为初生α-Al，两图中除了未添加和添加Zn-45wt.%Al-10wt.%Cr中间合金的区别之外，其余冷却凝固和取样条件完全相同。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。

实施例1

Zn-45wt.%Al-10wt.%Cr中间合金的制备，其制备步骤如下：

（1）按下列质量比例称取原料：纯铝锭45%、纯铬10%、纯锌锭45%，备用；其中，纯铬的颗粒粒度平均为7mm；

（2）将70wt.%的纯铝锭用感应电炉熔化至1000-1200℃，将纯铬分批加入到铝熔体中，继续反应15分钟使纯铬完全熔入铝熔体中，停止加热；

（3）将剩余30wt.%的纯铝锭加入上述铝铬合金熔体，调节电炉的功率，使纯铝锭完全熔化并使合金熔体温度维持在830-910℃；

（4）将纯锌锭加入上述铝合金熔体中，调节电炉的功率，使纯锌锭完全熔化并使合金熔体温度维持在650-780℃；

（5）将上述合金熔体进行充分搅拌使各组元混合均匀，浇入铸模，凝固后即得Zn-45Al-10Cr中间合金。

上述Zn-45Al-10Cr中间合金对含铝量5wt.%以上的锌-铝合金中的初生α-Al晶粒有较好的细化效果。将其以0.5wt.%的比例加入到580℃的Zn-30Al合金熔体中保温15分钟后浇注，可使Zn-30Al合金凝固后的初生α-Al晶粒得到显著的细化：细化前初生α-Al树枝晶分枝发达、尺寸较大且极不均匀（见附图1），细化后初生α-Al晶粒变为尺寸较小的花瓣状或多面体粒子晶粒（见附图2）。

实施例2

Zn-35wt.%Al-5wt.%Cr中间合金的制备，其步骤如下：

(1) 按下列质量比例称取原料：纯铝锭35%、纯铬5%、纯锌锭60%，备用；其中，

纯铬的颗粒粒度平均为3mm；

(2) 将80wt.%的纯铝锭用感应电炉熔化至950-1200℃，然后将纯铬分批加入到铝熔体中，继续反应5分钟使纯铬完全熔入铝熔体中，停止加热；

(3) 将剩余20wt.%的纯铝锭加入上述铝铬合金熔体，然后调节电炉的功率，使纯铝锭完全熔化并使合金熔体温度维持在800-910℃；

(4) 将纯锌锭加入上述铝合金熔体中，然后调节电炉的功率，使纯锌锭完全熔化并使合金熔体温度维持在600-730℃；

(5) 将上述合金熔体进行充分搅拌使各组元混合均匀，然后浇入铸模，凝固后即得Zn-35Al-5Cr中间合金。此中间合金与实施例1中的中间合金对锌-铝合金有类同的晶粒细化效果。

实施例3

Zn-25wt.%Al-4wt.%Cr中间合金的制备，其步骤如下：

(1) 按下列质量比例称取原料：纯铝锭25%、纯铬4%、纯锌锭71%，备用；其中，纯铬的颗粒粒度平均为5mm；

(2) 将80wt.%的纯铝锭用感应电炉熔化至950-1200℃，然后将纯铬分批加入到铝熔体中，继续反应10分钟使纯铬完全熔入铝熔体中，停止加热；

(3) 将剩余20wt.%的纯铝锭加入上述铝铬合金熔体，然后调节电炉的功率，使纯铝锭完全熔化并使合金熔体温度维持在850-910℃；

(4) 将纯锌锭加入上述铝合金熔体中，然后调节电炉的功率至合适大小，使纯锌锭完全熔化并使合金熔体温度维持在560-730℃；

(5) 将上述合金熔体进行充分搅拌使各组元混合均匀，然后浇入铸模，凝固后即得Zn-25Al-4Cr中间合金。此中间合金与实施例1中的中间合金对锌铝合金有类同的晶粒细化效果。

实施例4

Zn-10wt.%Al-2wt.%Cr中间合金的制备，其步骤如下：

（1）按下列质量比例称取原料：纯铝锭10%、纯铬2%、纯锌锭88%，备用；其中，纯铬的颗粒粒度平均为10mm；

(2) 将75wt.%的纯铝锭用感应电炉熔化至1000-1200℃，然后将纯铬分批加入到铝熔体中，继续反应15分钟使纯铬完全熔入铝熔体中，停止加热；

(3) 将剩余25wt.%的纯铝锭加入上述铝铬合金熔体，然后调节电炉的功率，使纯铝锭完全熔化并使合金熔体温度维持在850-910℃；

(4) 将纯锌锭加入上述铝合金熔体中，然后调节电炉的功率至合适大小，使纯锌锭完全熔化并使合金熔体温度维持在500-700℃；

(5) 将上述合金熔体进行充分搅拌使各组元混合均匀，然后浇入铸模，凝固后即得Zn-10Al-2Cr中间合金。此中间合金与实施例1中的中间合金对锌铝合金有类同的晶粒细化效果。

Claims

1.一种Zn-Al-Cr中间合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Cr：0.01-16wt.%；Al：8-50 wt.%；余量为Zn。

2.根据权利要求1所述的Zn-Al-Cr中间合金，其特征在于，Cr元素的存在形式为Zn、Al、Cr三种元素组成的三元化合物。

3.根据权利要求2所述的Zn-Al-Cr中间合金，其特征在于，所述三元化合物包括Cr₁₄（Zn，Al）₈₆、Cr（Zn，Al）₇、Cr（Zn，Al）₄ 或Cr（Zn，Al）₁₃中的一种或多种。

4.一种权利要求1-3中任一项所述的Zn-Al-Cr中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）称取纯铝锭、纯铬和纯锌锭作为原料，备用；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中纯铬的颗粒粒度为0.1-15mm。

6.权利要求1-3中任一项所述的Zn-Al-Cr中间合金在锌-铝合金晶粒细化中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：将Zn-Al-Cr中间合金加入到铝含量高于5wt.%的锌-铝合金中用于细化其中的初生α-Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中间合金的加入量满足Cr元素在细化后锌-铝合金中的含量为0.01-0.2wt%。