CN104942292B - 一种铝钛硼合金杆的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钛硼合金杆的制备方法，属于细化剂材料制备领域，其特征在于所述铝钛硼合金杆是由铝钛硼合金粉热挤压而成，包括以下步骤：制备铝钛硼合金液，将铝钛硼合金液雾化成粉，对铝钛硼合金粉进行筛选，将铝钛硼合金粉冷等静压成预制坯，对预制坯抽真空脱气和加热，将预制坯热挤压成铝钛硼合金杆。本发明由于采用粉末热挤压法制备铝钛硼合金杆，克服了传统连铸连轧铝钛硼合金杆的TiAl₃相尺寸粗大和TiB₂粒子团聚的问题。采用本发明制备的铝钛硼合金杆TiAl₃相尺寸细小、TiB₂粒子分布均匀，具有更强的晶粒细化能力。

Description

一种铝钛硼合金杆的制备方法

技术领域

本发明属于细化剂材料制备领域，具体涉及一种铝钛硼合金杆的制备方法。

背景技术

铝钛硼合金杆是纯铝及铝合金半连续铸造和连续铸轧生产中必不可少的细化剂，使用方法是通过自动喂杆机将铝钛硼合金杆连续加入到纯铝及铝合金半连续铸造和连续铸轧的流槽里，细化纯铝及铝合金半连续铸锭和连续铸轧板带坯的晶粒，提高铸锭和板带坯的塑形加工性能。

现有铝钛硼合金杆主要采用连铸连轧工艺生产，即将铝钛硼合金液直接连铸连轧成铝钛硼合金杆。由于铝钛硼合金液凝固过程中存在非平衡凝固特性，再加上铝钛硼合金液中TiB₂粒子数量众多且粒子之间具有很强的亲和性，导致连铸连轧铝钛硼合金杆的TiAl₃相呈粗大的块状，TiB₂粒子则呈团聚状。TiAl₃相尺寸粗大和TiB₂粒子团聚不仅会降低铝钛硼合金杆的晶粒细化能力，TiB₂粒子团聚还会使深加工后的纯铝及铝合金产品表面产生砂眼、针孔等缺陷。

随着近年来我国高精密、高光亮纯铝及铝合金型材、管材、棒材、板带箔材的发展，对铝钛硼合金杆的质量也要求越来越高，不仅要求铝钛硼合金杆具有更强的晶粒细化能力，还要求TiAl₃相尺寸细小，TiB₂粒子分布均匀，不可以存在任何TiB₂粒子的偏析团聚问题。由于现有连铸连轧铝钛硼合金杆仍然存在TiAl₃相尺寸粗大和TiB₂粒子团聚问题，导致现有连铸连轧铝钛硼合金杆仍然不能够满足一些高精密、高光亮纯铝及铝合金产品的生产需要。

中国专利CN102367534A公开了一种用复合晶粒细化剂制备铸造铝合

金的方法，其技术方案是采用雾化法分别制备Al-Ti-B-C和Cu-P合金粉，然后再将两种合金粉混合成复合细化剂用于细化铸造铝合金，其主要目的是解决两种细化剂的比例配比问题。

中国专利CN102776422A公开了一种高效镁合金晶粒细化剂及其制备方法，其技术方案是采用雾化法或球磨法制备Al-C-Si-Ca-Re粉末状细化剂，其主要目的是解决石墨C粉的加入问题。

中国专利CN1312396A公开了一种铝合金用的快速凝固颗粒金属细化变质剂的生产方法，其技术方案是采用机械振动加水淬法或高压气体喷吹雾化法或机械离心雾化法制备Al-Ti-B-Sr等粉末状细化变质剂，其主要目的是减少或消除粗大的第二相。

上述专利虽然都涉及到雾化法制备细化剂合金粉，但都没有涉及到铝钛硼合金杆的制备，而粉末状细化剂的使用很不方便，无法满足纯铝及铝合金半连续铸造和连续铸轧生产的需要。

发明内容

针对现有技术存在的问题与不足，本发明提供了一种铝钛硼合金杆的制备方法，可得到TiAl₃相尺寸细小、TiB₂粒子无团聚的铝钛硼合金杆，不仅提高了铝钛硼合金杆的晶粒细化能力，还可以满足高精密、高光亮纯铝及铝合金产品的生产需要。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是由铝钛硼合金粉热挤压而成，由以下步骤组成：

第一步：将铝锭加热熔化并升温至850~900℃，然后加入氟钛酸钾和氟硼酸钾，搅拌60~90分钟后，除去合金液表面的浮渣，得到铝钛硼合金液；

第二步：在氮气保护下将铝钛硼合金液雾化成粉，雾化温度为800~820℃下，雾化氮气的压力2~3MPa；

第三步：对铝钛硼合金粉进行筛选，得到粒径≤154微米的铝钛硼合金粉；

第四步：将铝钛硼合金粉冷等静压成预制坯，冷等静压压力为180~190MPa，保压时间为10~15分钟；

第五步：将预制坯装入金属管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为20~30分钟，然后将金属管密封；

第六步：对密封的金属管进行加热，加热温度为440~450℃，加热时间为3~4小时；

第七步：取出预制坯热挤压成铝钛硼合金杆，挤压温度为440~450℃，挤压比为100，挤压速度为1.5~1.7米/分钟。

所述铝锭与氟钛酸钾的质量比为100∶22.5~27.5，铝锭与氟硼酸钾的质量比为100∶9.2~13.7。

所述金属管为壁厚5毫米的纯铝管、铝合金管或不锈钢管，为了便于焊接密封，优选的金属管为壁厚5毫米的纯铝管。

本发明将铝钛硼合金液先雾化成粉，然后再热挤压成铝钛硼合金杆，由于雾化制粉是一种快速凝固工艺，铝钛硼合金液在高压氮气的喷射作用下先雾化成细小的微液滴，微液滴在飞行过程中冷却速度可高达10³~10⁵K/s，快速冷却可抑制微液滴内TiAl₃相的长大和TiB₂粒子的偏析团聚，当微液滴冷却凝固成粉，再热挤压成铝钛硼合金杆后， TiAl₃相和TiB₂粒子都均匀的分布铝钛硼合金杆中。

本发明的有益效果是：本发明克服了现有连铸连轧铝钛硼合金杆中TiAl₃相尺寸粗大和TiB₂粒子偏析团聚的问题，采用本发明制备的铝钛硼合金杆，TiAl₃相尺寸更加细小，TiB₂粒子分布均匀，不存在任何TiB₂粒子的团聚问题，具有更强的晶粒细化能力。

本发明制备的铝钛硼合金杆在实际应用中有以下两个显著的优点：

（1）与连铸连轧铝钛硼合金杆相比，由于本发明制备的铝钛硼合金杆具有更强的晶粒细化能力，可使纯铝及铝合金半连续铸造铸锭和连续铸轧板带坯获得更加细小的晶粒组织，从而可以进一步提高铸锭和板带坯的塑形加工性能。

（2）由于本发明制备的铝钛硼合金杆不存在任何TiB₂粒子的偏析团聚问题，可以避免纯铝及铝合金深加工材表面产生砂眼、针孔等缺陷，从而可以满足高精密、高光亮纯铝及铝合金产品的生产需要。

附图说明

图1为实施例1的铝钛硼合金杆横截面500倍的显微组织扫描电镜图。

图2为实施例1的铝钛硼合金杆横截面2000倍的显微组织扫描电镜图。

图3为实施例1的铝钛硼合金杆纵截面500倍的显微组织扫描电镜图。

图4为实施例1的铝钛硼合金杆纵截面2000倍的显微组织扫描电镜图。

图5为传统连铸连轧的铝钛硼合金杆横截面500倍的显微组织扫描电镜图。

图6为传统连铸连轧的铝钛硼合金杆纵截面500倍的显微组织扫描电镜图。

图7为添加了实施例1的铝钛硼合金杆后纯铝的宏观晶粒组织图。

图8为添加了传统连铸连轧的铝钛硼合金杆后纯铝的宏观晶粒组织图。

具体实施方式

实施例1

采用本发明制备Ti元素含量为5%、B元素含量为1%的铝钛硼合金杆，主要设备为中频感应熔炼炉、雾化制粉机、震动筛选机、冷等静压机和卧式挤压机，制备方法如下：

第一步：在中频感应炉内加热熔化铝锭并升温至875℃，然后再加入铝锭质量25%的氟钛酸钾和11.5%的氟硼酸钾，搅拌80分钟后，除掉合金液表面的浮渣，得到铝钛硼合金液；

第二步：将铝钛硼合金液转移到雾化制粉机内，在氮气保护下将铝钛硼合金液雾化成粉，雾化温度为810℃，雾化氮气压力为2.5MPa；

第三步：用100目的震动筛选机对铝钛硼合金粉进行筛选，得到粒径≤154微米的铝钛硼合金粉；

第四步：将粒径≤154微米的铝钛硼合金粉装填到内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎密封后放入冷等静压机内，在185MPa压力下冷等静压成预制坯，保压时间为12分钟；

第五步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为25分钟，然后将铝管密封；

第六步：将密封的铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为445℃，加热时间为3.5小时；

第七步：取出预制坯，将其放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成直径10毫米的铝钛硼合金杆，挤压温度为445℃，挤压比为100，挤压速度为1.6米/分钟。

从图1至图4可看到，本实施例的铝钛硼合金杆的横截面和纵截面上TiAl₃相和TiB₂粒子都分布均匀，TiAl₃相为细小的块状和条状，尺寸小于5微米，未见TiB₂粒子存在偏析团聚现象。

图5和图6分别为传统连铸连轧的铝钛硼合金杆横截面和纵截面放大500倍的显微组织扫描电镜图，铝钛硼合金杆的成分组成及质量为5%的Ti、1%的B，余量为Al。从图5和图6可看到，传统连铸连轧铝钛硼合金杆的横截面和纵截面上TiAl₃相都呈粗大的方块状，TiAl₃相的最大尺寸达到20微米，TiB₂粒子都呈团聚状分布，其中纵截面上TiB₂粒子团聚块沿轧制方向上呈条带状分布。

通过比较图1至图6可以看出，采用本发明制备的铝钛硼合金杆的TiAl₃相尺寸更加细小，TiB₂粒子分布均匀，未见TiB₂粒子存在团聚现象。

为了检验本实施例铝钛硼合金杆的晶粒细化能力，根据中华人民共和国有色金属行业标准YS/T 447.1－2011提供的晶粒细化能力试验方法，分别对本实施例铝钛硼合金杆和连铸连轧铝钛硼合金杆的晶粒细化能力进行检测。

从图7可看到，添加了本实施例的铝钛硼合金杆后，纯铝的晶粒被细化至平均直径为75微米的等轴晶。

从图8可看到，添加了传统连铸连轧的铝钛硼合金杆后，纯铝的晶粒被细化至平均直径为98微米的等轴晶。

通过比较图7和图8可以看出，采用本发明制备的铝钛硼合金杆比传统连铸连轧的铝钛硼合金杆具有更强的晶粒细化能力。

实施例2

采用本发明制备Ti元素含量为4.5%、B元素含量为0.8%的铝钛硼合金杆，主要设备为中频感应熔炼炉、雾化制粉机、震动筛选机、冷等静压机和卧式挤压机，制备方法如下：

第一步：在中频感应炉内加热熔化铝锭并升温至850℃，然后再加入铝锭质量22.5%的氟钛酸钾和9.2%的氟硼酸钾，搅拌60分钟后，除掉合金液表面的浮渣，得到铝钛硼合金液；

第二步：将铝钛硼合金液转移到雾化制粉机内，在氮气保护下将铝钛硼合金液雾化成粉，雾化温度为800℃，雾化氮气压力为2MPa；

第三步：用100目的震动筛选机对铝钛硼合金粉进行筛选，得到粒径≤154微米的铝钛硼合金粉；

第四步：将粒径≤154微米的铝钛硼合金粉装填到内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎密封后放入冷等静压机内，在180MPa压力下冷等静压成预制坯，保压时间为10分钟；

第五步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为20分钟，然后将铝管密封；

第六步：将密封的铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为440℃，加热时间为3小时；

第七步：取出预制坯，将其放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成直径10毫米的铝钛硼合金杆，挤压温度为440℃，挤压比为100，挤压速度为1.7米/分钟。

实施例3

采用本发明制备Ti元素含量为5.5%、B元素含量为1.2%的铝钛硼合金杆，主要设备为中频感应熔炼炉、雾化制粉机、震动筛选机、冷等静压机和卧式挤压机，制备方法如下：

第一步：在中频感应炉内加热熔化铝锭并升温至900℃，然后再加入铝锭质量27.5%的氟钛酸钾和13.7%的氟硼酸钾，搅拌90分钟后，除掉合金液表面的浮渣，得到铝钛硼合金液；

第二步：将铝钛硼合金液转移到雾化制粉机内，在氮气保护下将铝钛硼合金液雾化成粉，雾化温度为820℃，雾化氮气的压力为3MPa；

第三步：用100目的震动筛选机对铝钛硼合金粉进行筛选，得到粒径≤154微米的铝钛硼合金粉；

第四步：将粒径≤154微米的铝钛硼合金粉装填到内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎密封后放入冷等静压机内，在190MPa压力下冷等静压成预制坯，保压时间为15分钟；

第五步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为30分钟，然后将铝管密封；

第六步：将密封的铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为450℃，加热时间为4小时；

第七步：取出预制坯，将其放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成直径10毫米的铝钛硼合金杆，挤压温度为450℃，挤压比为100，挤压速度为1.5米/分钟。

Claims (4)

1.一种铝钛硼合金杆的制备方法，其特征在于所述铝钛硼合金杆是由铝钛硼合金粉热挤压而成，由以下步骤组成：

第一步：将铝锭加热熔化并升温至850~900℃，然后加入氟钛酸钾和氟硼酸钾，搅拌60~90分钟后，除去合金液表面的浮渣，得到铝钛硼合金液；

第二步：在氮气保护下将铝钛硼合金液雾化成粉，雾化温度为800~820℃下，雾化氮气的压力为2~3MPa；

第三步：对铝钛硼合金粉进行筛选，得到粒径≤154微米的铝钛硼合金粉；

第四步：将铝钛硼合金粉冷等静压成预制坯，冷等静压压力为180~190MPa，保压时间为10~15分钟；

第五步：将预制坯装入金属管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为20~30分钟，然后将金属管密封；

第六步：对密封的金属管进行加热，加热温度为440~450℃，加热时间为3~4小时；

第七步：取出预制坯热挤压成铝钛硼合金杆，挤压温度为440~450℃，挤压比为100，挤压速度为1.5~1.7米/分钟。

2.根据权利要求1所述的一种铝钛硼合金杆的制备方法，其特征在于所述铝锭与氟钛酸钾的质量比为100∶22.5~27.5。

3.根据权利要求1所述的一种铝钛硼合金杆的制备方法，其特征在于所述铝锭与氟硼酸钾的质量比为100∶9.2~13.7。

4.根据权利要求1所述的一种铝钛硼合金杆的制备方法，其特征在于所述金属管为壁厚5毫米的纯铝管、壁厚5毫米的铝合金管或壁厚5毫米的不锈钢管。