CN102776391B

CN102776391B - 一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法

Info

Publication number: CN102776391B
Application number: CN201210220434.3A
Authority: CN
Inventors: 王振卿; 杨中喜; 耿浩然
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN102776391A

Abstract

本发明提供了一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法，其方法如下：按下列质量百分比称取原料：纯锌锭40-80%，纯铝锭20-50%，纯铝粉0.1-20%,纯钛粉0.1-8%，纯硼粉0.05-3%；将纯钛粉、纯硼粉与纯铝粉用球磨机在氩气中球磨，至混合均匀，压制成块，用中频感应电炉熔化纯铝锭，把所得粉末压制块体压入铝液中熔解；然后对熔体进行充分搅拌，自然降温，再将纯锌锭加入，至全部熔化，搅拌均匀，浇入铸模即得。本无任何固、液、气体废弃物生成，无任何环境污染，同时还避免了用氟盐法制备中间合金时需要对熔渣进行处理带来的工序增加、生产周期增长和生产成本高的问题。

Description

一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法，属于金属合金材料技术领域。

背景技术

锌-铝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。含铝量低于5wt.%的亚共晶锌-铝合金基体由初生η-Zn晶粒和Zn-Al共晶组织构成，η-Zn晶粒在熔体中直接生成，很容易生成分枝发达、尺寸较大的树枝晶。而含铝量大于5wt.%的过共晶锌-铝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η-Zn或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-铝合金中添加细化剂以细化晶粒组织。

申请号为201110233071.2的中国专利公开了锌-铝-钛-硼中间合金及其制备方法，对锌-铝合金中发达的初生η-Zn或α-Al树枝晶都有较好的晶粒细化作用，并给出了一种用氟钛酸盐和氟硼酸盐在锌铝熔体中进行反应以制备该中间合金的工艺方法。这一制备工艺方法在反应过程中会释放出有毒的含氟气体和烟雾，对工人的身体健康产生危害，并污染工厂周围大气环境；同时，需要对反应过程中生成的KF、K₂AlF₆等氟盐熔渣进行除渣、存贮、运输等处理，增加了工序和工时，使生产成本明显增加；另外，原料中的一部分铝会进入K₂AlF₆等熔渣中而损失掉，进一步增加了生产成本；而且上述氟盐废弃物很有可能因除渣不完全而进入中间合金基体中，并随中间合金加入到待细化的锌-铝合金中而引发产品质量问题。

发明内容

为了解决上述用氟盐法制备锌-铝-钛-硼中间合金存在的问题，本发明提供了一种新型的锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按下列质量百分比称取原料：纯锌锭 40-80%，纯铝锭20-50%，纯铝粉4-6%, 纯钛粉0.1-8%，纯硼粉0.05-3%；

（2）将纯钛粉、纯硼粉与纯铝粉用球磨机在氩气中球磨，至三种粉末充分混合均匀，然后将混合粉末取出，用压力机在不低于5MPa的压力条件下压制成块，使每一压制块体的质量为10-1000克；

（3）用中频感应电炉熔化纯铝锭至1000-1150℃，将步骤（2）中所得粉末压制块体压入铝液中，块体加入铝液后发生化学反应并熔于铝液中；

（4）压制块体全部加入铝熔体后继续保温5-20分钟，然后对熔体进行充分搅拌，停止加热，自然降温至700-910℃，再将纯锌锭加入，调整电炉的功率大小使纯锌全部熔化并在550-780℃继续保温5-20分钟；

（5）对上述熔体充分搅拌使各组元混合均匀，然后浇入铸模中，冷却后即得锌-铝-钛-硼中间合金。

进一步的，所述的混合粉末中纯铝粉占纯铝粉、纯钛粉、纯硼粉三种粉末的总质量的最大百分含量不大于70%。

进一步的，纯铝粉的粒度大小为20-165μm，纯钛粉的粒度大小为1-150μm，纯硼粉的粒度大小为0.1-6μm。

用以上方法所得锌-铝-钛-硼中间合金的基体组织由锌和铝元素构成，钛和硼两种元素在反应过程中结合形成大小在0.1-3μm的TiB₂粒子，弥散分布于基体中；钛与硼元素的质量比大于2.215：1时，基体组织中除TiB₂粒子之外，还有TiAl_3-xZn_x(0.04<x<1.7)化合物；钛与硼的质量比小于2.215：1时，组织中除TiB₂之外还有AlB₂物相；钛与硼的质量比等于2.215：1时，锌-铝基体组织中只有TiB₂物相。

采用本发明方法所得锌-铝-钛-硼中间合金对亚共晶和过共晶锌-铝合金中的初生η-Zn和α-Al树枝晶具有高效的晶粒细化作用。制备过程中所用原料全部反应进入中间合金组织中，无任何固、液、气体废弃物生成，无任何环境污染，是一种环境友好型生产方法，同时还避免了用氟盐法制备中间合金时需要对熔渣进行处理带来的工序增加、生产周期增长和生产成本高的问题。

附图说明

图1 为未细化Zn-15Al合金的光学显微镜照片。

图2 为Zn-15Al合金加入0.5% 的Zn-46wt.%Al-6wt.%Ti-1wt.%B中间合金进行细化后的光学显微镜照片。

图3为未细化Zn-4Al合金在460℃浇注冷却后的光学显微镜照片。

图4为 Zn-4Al合金在460℃添加0.5% 的Zn-46wt.%Al-6wt.%Ti-1wt.%B中间合金进行细化后的光学显微镜照片。

图5为 Zn-4Al合金在460℃添加0.5% 的Zn-30wt.%Al-3wt.%Ti-2B中间合金进行细化后的光学显微镜照片。

图1、2中发亮的区域为初生α-Al晶粒，除了未添加和添加锌-铝-钛-硼中间合金的区别之外，获得图1、2晶粒组织的其余条件完全相同。

图3、4、5中发亮的区域为初生η-Zn晶粒，除了未添加和添加锌-铝-钛-硼中间合金的区别之外，获得图3、4、5晶粒组织的其余条件完全相同。

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

按如下步骤制备10公斤Zn-46wt.%Al-6wt.%Ti-1B中间合金：

（1）按照下述质量比例称取如下原料：纯锌锭 47%，纯铝锭40%，纯铝粉（粒度平均大小76μm）6%, 纯钛粉（粒度平均大小76μm）6%，纯硼粉（粒度平均大小4μm）1%；

（2）将所称取的钛粉、硼粉与铝粉用球磨机在氩气气氛中球磨2小时，使三种粉末充分混合均匀，然后将混合粉末取出，用压力机在压力为10MPa的条件下压制成块体，备用。其中，每一压制块体的质量为130克；

（3）用中频感应电炉熔化纯铝锭至1100℃，将步骤（2）中所得粉末压制块体压入铝液中，块体加入铝液后与铝液发生化学反应并全部熔于铝液中；

（4）压制块体全部加入铝熔体后继续保温10钟，然后对熔体进行充分搅拌，停止加热使熔体随炉自然降温至900℃，再将纯锌锭加入，调整电炉的功率大小使纯锌全部熔化并在650-780℃继续保温15分钟；

（5）对上述熔体充分搅拌后浇入铸模中，冷却后即得Zn-46wt.%Al-6wt.%Ti-1wt.%B中间合金。

此中间合金在锌-铝基体中含有TiB₂及TiAl_3-xZn_x(0.04<x<1.7)物相，以0.5wt.%的比例加入到580℃的Zn-15Al合金熔体中保温10分钟，可使Zn-15Al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（长可达200μm）且极不均匀（见附图1），细化后初生α-Al晶粒大多数变为分枝较少、尺寸较小（平均50μm以下）的花瓣状晶粒（见附图2）。

将此中间合金以0.5wt.%的比例加入到460℃的Zn-4Al合金熔体中保温10分钟, 可使Zn-4Al合金凝固后的初生η-Zn晶粒得到显著的细化：细化前初生η-Zn树枝晶分枝发达、粒度较大（可达300μm以上）且极不均匀（见附图3），细化后初生η-Zn晶粒变为分枝较少、粒度较小（大多在40μm以下）且均匀的花瓣状或离散粒子状晶粒（见附图4）。

实施例2

按如下步骤制备5公斤Zn-30wt.%Al-3wt.%Ti-2B中间合金：

（1）按照上述中间合金化学成分的质量比例称取如下原料：纯锌锭 65%，纯铝锭24%，纯铝粉（粒度平均大小76μm）6%, 纯钛粉（粒度平均大小76μm）3%，纯硼粉（粒度平均大小1μm）2%；

（2）将所称取的钛粉、硼粉与铝粉用球磨机在氩气气氛中球磨1小时，使三种粉末充分混合均匀，然后将混合粉末取出，用压力机在压力为15MPa的条件下压制成块体，备用。其中，每一压制块体的质量为55克；

（3）用中频感应电炉熔化纯铝锭至1100℃，将步骤（2）中所得粉末压制块体依次压入铝液中，块体加入铝液后与铝液发生化学反应并全部熔于铝液中；

（4）压制块体全部加入铝熔体后继续保温20钟，然后对熔体进行充分搅拌，停止加热使熔体随炉自然降温至910℃，再将纯锌锭加入，调整电炉的功率大小使纯锌全部熔化并在560-750℃继续保温5分钟；

（5）对上述熔体充分搅拌后浇入铸模中，冷却后即得Zn-30wt.%Al-3wt.%Ti-2wt.%B中间合金细化剂。

此中间合金在锌-铝基体中含有TiB₂及AlB₂物相，适于细化亚共晶锌-铝合金中的初生η-Zn晶粒。将此合金以0.5wt.%的比例加入到460℃的Zn-4Al合金熔体中保温10分钟, 可使Zn-4Al合金凝固后的初生η-Zn晶粒得到显著的细化，细化后初生η-Zn晶粒变为分枝较少、粒度较小（大多在30μm以下）且均匀的离散粒子状晶粒（见附图5）。

实施例3

按如下步骤制备10公斤Zn-40wt.%Al-4wt.%Ti-0.5B中间合金：

（1）按照上述中间合金化学成分的质量比例称取如下原料：纯锌锭 55.5%，纯铝锭36%，纯铝粉（粒度平均大小76μm）4%, 纯钛粉（粒度平均大小76μm）4%，纯硼粉（粒度平均大小6μm）0.5%；

（2）将所称取的钛粉、硼粉与铝粉用球磨机在氩气气氛中球磨3小时，使三种粉末充分混合均匀，然后将混合粉末取出，用压力机在压力为10MPa的条件下压制成块体，备用。其中，每一压制块体的质量为85克；

（3）用中频感应电炉熔化纯铝锭至1000℃，将步骤（2）中所得粉末压制块体依次压入铝液中，块体加入铝液后与铝液发生化学反应并全部熔于铝液中；

（4）压制块体全部加入铝熔体后继续保温10钟，然后对熔体进行充分搅拌，停止加热使熔体随炉自然降温至870℃，再将纯锌锭加入，调整电炉的功率大小使纯锌全部熔化并在620-750℃继续保温15分钟；

（5）对上述熔体充分搅拌后浇入铸模中，冷却后即得Zn-40wt.%Al-4wt.%Ti-0.5wt.%B中间合金细化剂。

此中间合金在锌-铝基体中含有TiB₂及TiAl_3-xZn_x(0.04<x<1.7)物相。对亚共晶和过共晶锌-铝合金中的初生η-Zn或α-Al晶粒有较好的细化效果。

实施例4

按如下步骤制备5公斤Zn-35wt.%Al-4.43wt.%Ti-2B中间合金：

（1）按照上述中间合金化学成分的质量比例称取如下原料：纯铝锭30%，纯铝粉（粒度平均大小30μm）5%, 纯钛粉（粒度平均大小70μm）4.43%，纯硼粉（粒度平均大小1μm）2%，余量为纯锌锭；

（2）将所称取的钛粉、硼粉与铝粉用球磨机在氩气气氛中球磨2小时，使三种粉末充分混合均匀，然后将混合粉末取出，用压力机在压力为15MPa的条件下压制成块体，备用。其中，每一压制块体的质量为57.15克；

（3）用中频感应电炉熔化纯铝锭至1150℃，将步骤（2）中所得粉末压制块体依次压入铝液中，块体加入铝液后与铝液发生化学反应并全部熔于铝液中；

（4）压制块体全部加入铝熔体后继续保温20钟，然后对熔体进行充分搅拌，停止加热使熔体随炉自然降温至850℃，再将纯锌锭加入，调整电炉的功率大小使纯锌全部熔化并在580-730℃继续保温5分钟；

（5）对上述熔体充分搅拌后浇入铸模中，冷却后即得Zn-35wt.%Al-4.43wt.%Ti-2B中间合金细化剂。

此中间合金在锌-铝基体中含有TiB₂物相，对亚共晶锌-铝合金中的初生η-Zn晶粒有较好的细化效果。

Claims

1.一种锌-铝-钛-硼中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（5）对上述熔体充分搅拌使各组元混合均匀，然后浇入铸模中，冷却后即得锌-铝-钛-硼中间合金；

所述的混合粉末中纯铝粉占纯铝粉、纯钛粉、纯硼粉三种粉末的总质量的最大百分含量不大于70%。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纯铝粉的粒度大小为20-165μm，纯钛粉的粒度大小为1-150μm，纯硼粉的粒度大小为0.1-6μm。