CN103060643A

CN103060643A - 一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103060643A
Application number: CN2011103245172A
Authority: CN
Inventors: 张中可; 门三泉; 车云
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: CN103060643B

Abstract

本发明公开了一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法，以质量分数计，该合金成分为Cu:3.9～5.0%，Mn:0.4～1.2%，Mg:0.2～0.8%，Cr:≤0.1%，Ni:≤0.1%，Zn:≤0.25%，Ti:≤0.15%，Ti+Zr≤0.2%，Si：≤1.2%，Fe：≤1.2%，氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]为炉料总质量的0.05～1%，其余为Al和不可避免的微量杂质。本发明的铝合金材料较一般铝合金材料具有更高的纯净度和性能。

Description

一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法。

背景技术

变质作用能够极大地提高铝合金的综合机械性能和化学稳定性指标，有时甚至是颠覆性的。能够产生变质作用的物质称为变质剂。

目前几乎所有的变质剂都集中在一种技术手段上：以铝为基体生产含有变质元素的中间合金，再在铝合金熔炼时把中间合金加入熔体中。

这一过程产生了两个于节能不利的环节：①含有高浓度变质元素的中间合金的熔铸环节，往往需要很高的温度(＞1000℃，如Al-Ti-B、Al-RE、Al-Si、Al-Sc、Al-V、Al-Cr、Al-Mn、Al-Co、Al-Ni、Al-W、Al-Zr等)；②铝合金熔炼时加入中间合金，“溶解”并“稀释”变质元素，再铸造。

对铝合金生产来说，上述过程相当于多了一个“熔炼-铸造”环节，而中间合金中大量的铝只起到储存变质元素的作用，其所消耗的能量完全是无效的。

在各种铝中间合金变质剂中，最具代表性的是Al-Ti-B线材和铝-稀土(RE)中间合金。随着研究的深入，越来越多的元素被发现具有变质作用，也就产生了越来越多的中间合金。对于铝合金冶炼工厂来说，为了专注于终端合金产品的生产，没有必要专门投资建中间合金生产线，而宁愿从市场采购中间合金。于是就有了专门生产铝中间合金的工厂，并形成了规模产业，目前全世界铝中间合金产业达到数十亿元。

基于铝中间合金的理论思维，作为变质剂加入的添加剂以下条件所限制：

(1)在高温下化学成分不变，在铝熔体中有足够的稳定性；

(2)添加剂的熔点应比铝的高；

(3)添加剂和铝的晶格在结构尺寸上应相适应；

(4)与被处理的熔体原子形成强而有力的吸附键。

这些限制条件，好象是专门为高温金属元素的铝中间合金量身定做的，因此限制了“变质”概念的内涵和外延。

同时，铝中间合金变质剂中的有效元素很难充分发挥作用。

尽管中间合金的基体也是铝，但生产中间合金时，高熔点元素、难溶解元素与铝发生合金化的过程是很难控制的：有效元素的偏析、铝的烧损量增加和大量杂质的混入，都在所难免。对于杂质限量要求极为严格的高性能合金生产，往往变质剂带入的杂质就足以使化学成份超过限制范围；同时，微观状态下大量聚集的有效变质元素仍然处于单质结晶团块状态，在熔融铝的温度下(＜800℃)根本无法完全溶解和熔化，只有表面极薄的膜层由于与铝可能产生合金化反应而起到部分变质作用，其余大量的聚集态都是怎么加进去就怎么存在，变质作用因而大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前铝合金变质剂和变质机理存在的缺陷，以氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]粉作为高效变质剂，以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中，通过与铝合金熔体发生化学反应或高温分解而释放出原子或离子状态的变质元素M，同时产生的N，可吸收和去除熔体中H和O等有害杂质元素，达到高效、均匀变质和净化熔体的目的，实现基体和金属化合物相的晶粒细化；并在铝合金生产中的取代中间合金，减少中间环节，节能降耗。

本发明的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，以质量分数计，该合金成分为Cu：3.9～5.0％，Mn：0.4～1.2％，Mg：0.2～0.8％，Cr：≤0.1％，Ni：≤0.1％，Zn：≤0.25％，Ti：≤0.15％，Ti+Zr≤0.2％，Si：≤1.2％，Fe：≤1.2％，氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]为炉料总质量的0.05～1％，其余为Al和不可避免的微量杂质。

本发明所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]是指几种过渡金属元素与NH₃形成的金属氨基配合物的一种或几种，其中M代表Cr、Zn、Cd、Cu、Co、Ni，Y包括Cl、F。

本发明中的氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]具体的是指[Cr(NH₃)₆]³⁺、[Zn(NH₃)₄]²⁺、[Cd(NH₃)₆]²⁺、[Cu(NH₃)₂]⁺、[Co(NH₃)₆]²⁺、[Cu(NH₃)₄]²⁺、[Co(NH₃)₆]³⁺或[Ni(NH₃)₆]²⁺和Cl^-或F^-组成的氨基配合物中的一种或几种。

本发明所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]的分子晶体聚集态颗粒度为20～325目。

本发明所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；

步骤二：往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～800℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤三：再按配方比例先加入步骤一选定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔体搅拌均匀；

步骤四：然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，熔体精炼在封闭环境中操作；

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。

步骤六：静置、调温至700～800℃，合金液倾倒出炉，进入下一工序。

本发明所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。

本发明达到的有益效果：

l、找到了一种新的高效变质剂：氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]，改变了传统铝合金变质剂的变质机理。

2、氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]以保护性气体流态化加入铝合金熔体，解决了工艺上的重大难颗。

3、不但提高了铝合金变质剂的变质效果，为生产中高效、高精度控制创造了条件，而且分子分解出的N能够吸收熔体中的H、O等有害元素，净化熔体，从而把变质剂与净化剂的作用有机结合在一起。

4、有效细化了铝基体晶粒和Fe、Si等金属化合物晶粒，显著提高了纯铝合金系强度和延伸率性能。

5、取代中间合金，使铝合金制造企业不再受制于中间合金生产商，有利于创建“近成型、短流程”的集约生产线，节能降耗，降低综合成本。

具体的反应方程式为：

Y_n[M(NH₃)_m]+e(高温)→M(原子态)+mH(原子态)+mN(原子态)+nY(原子态)

M+Al(液)→α(Al)共溶体→饱和共溶体→冷却→过饱和固溶体

M+Al(饱和共溶体)→M-Al(金属间化合物)

H(原子态)+H(铝熔体)→H₂(气体)

N(原子态)+H(铝熔体)→NH₃(气体)

N(原子态)+Al(液)→AlN(化合物)

具体实施方式

步骤一：按下表选定每元素和物质配方，并按配制的合金总量1000kg，推算出所需的每种物质的重量。

步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～800℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体氮气对熔体进行除气作业，同时使氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m](50目)以流态化方式随保护性气体氮气加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。

注：除步骤一中使用的物质、各物质的比例及实际配入的重量不同外，各实施例的其余步骤均完全一样。

Claims

1.一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，其特征在于：以质量分数计，该合金成分为Cu:3.9～5.0%，Mn:0.4～1.2%，Mg:0.2～0.8%，Cr:≤0.1%，Ni:≤0.1%，Zn:≤0.25%，Ti:≤0.15%，Ti+Zr≤0.2%，Si：≤1.2%，Fe：≤1.2%，氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]为炉料总质量的0.05～1%，其余为Al和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，其特征在于：氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]是指几种过渡金属元素与NH₃形成的金属氨基配合物的一种或几种，其中M代表Cr、Zn、Cd、Cu、Co、Ni，Y包括Cl、F。

3.根据权利要求1所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料，其特征在于：氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]的分子晶体聚集态颗粒度为20～325目。

4.一种如权利要求1～3所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使氨基配合物变质剂Y_n[M(NH₃)_m]以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕；

5.根据权利要求4所述的一种氨基配合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。