CN104946920B

CN104946920B - 一种晶粒细化剂的制备方法

Info

Publication number: CN104946920B
Application number: CN201510334357.8A
Authority: CN
Inventors: 王顺成; 宋东福; 徐静; 郑开宏
Original assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: CN104946920A

Abstract

本发明公开了一种晶粒细化剂的制备方法，由以下步骤组成：按配比混合铝粉、钛粉或锆粉、TiB₂粉或ZrB₂粉，将混合粉冷等静压成预制坯，对预制坯抽真空脱气和加热，将预制坯热挤压成晶粒细化剂。采用本发明可以制备Al‑Ti‑B和Al‑Zr‑B晶粒细化剂。本发明方法可以使TiB₂、ZrB₂粒子均匀分布在晶粒细化剂中，晶粒细化剂具有更强的晶粒细化能力和更高的洁净度，且制备过程不会对环境造成污染。

Description

一种晶粒细化剂的制备方法

技术领域

本发明属于晶粒细化剂制备技术领域。

背景技术

Al-Ti-B和Al-Zr-B分别是铝、镁合金熔铸生产中常用的晶粒细化剂，被誉为铝、镁合金加工行业的“味精”，可细化铝、镁合金的晶粒，可以提高铝、镁合金铸锭的塑性加工性能和产品的力学性能。这两种晶粒细化剂的共同特点都是以铝为基体和载体，将TiB₂、ZrB₂粒子和Ti、Zr元素加入到铝、镁合金熔体中，利用TiB₂、ZrB₂粒子作为晶粒异质形核的基底以及TiB₂、ZrB₂粒子与Ti、Zr元素之间的交互作用，达到晶粒细化的目的。

近年来，随着我国高端铝、镁合金产品的发展，如易拉罐、双零箔、复印件感光鼓、计算机硬盘、智能手机外壳等，对晶粒细化剂的质量也要求越来越高：一是要求晶粒细化剂具有更强的晶粒细化能力，从而可以使铝、镁合金铸锭和产品获得更加细小的晶粒组织，进一步提高铝、镁合金铸锭的塑性加工性能和产品的力学性能；二是要求晶粒细化剂的TiB₂和ZrB₂粒子分布更加均匀，不能有粗大的粒子团聚块存在，以避免高光亮、高精密的铝、镁合金深加工产品的表面产生砂眼、针孔等缺陷；三是要求晶粒细化剂具有更高的洁净度，Fe、Si、V和K等杂质元素的含量要求更低，不能含有粗大的金属或非金属夹杂物，以避免加入晶粒细化剂后对铝、镁合金熔体造成二次污染。

目前，主要采用氟盐铝热反应法制备Al-Ti-B和Al-Zr-B晶粒细化剂，该方法以氟硼酸钾、氟钛酸钾或氟锆酸钾为原料，将氟盐混合物加入到铝熔体中，通过反应生成含有TiB₂粒子和Ti元素或ZrB₂粒子和Zr元素的合金液，然后再将合金液连铸连轧成晶粒细化剂。但该方法还存在以下几个

问题：（1）由于TiB₂、ZrB₂粒子的数量众多且尺寸细小，粒子之间具有很强的亲和性，再加上合金液凝固过程中存在非平衡凝固特性，最终导致晶粒细化剂中不可避免地还存在TiB₂或ZrB₂粒子的偏析团聚，而TiB₂、ZrB₂粒子的偏析团聚不仅会降低晶粒细化剂的晶粒细化能力，还会导致铝、镁合金深加工产品的表面产生砂眼、针孔等缺陷，无法满足高光亮、高精密的铝、镁合金深加工产品的生产需要；（2）由于需要使用大量的氟硼酸钾、氟钛酸钾或氟锆酸钾，氟盐铝热反应会产生大量含氟化氢的烟雾和氟铝酸钾熔渣，因而会造成严重的环境污染；（3）由于氟盐铝热反应会产生大量的氟铝酸钾熔渣，而氟铝酸钾熔渣在合金液中很难去除干净，使晶粒细化剂中不可避免地含有氟铝酸钾夹杂物，并增加Fe、Si、V和K等杂质元素的含量，使晶粒细化剂的洁净度很难获得进一步的提高。

发明内容

针对现有技术存在的问题与不足，本发明提供一种晶粒细化剂的制备方法，可以解决TiB₂和ZrB₂粒子的偏析团聚问题，使TiB₂和ZrB₂粒子均匀分布在晶粒细化剂中，晶粒细化剂具有更强的晶粒细化能力和更高的洁净度，且制备过程不会对环境造成污染。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

第一步：按配比混合铝粉、钛粉或锆粉、TiB₂粉或ZrB₂粉；

第二步：在170~200MPa的压力下，将上述混合粉冷等静压成预制坯，保压时间为10~20分钟；

第三步：对预制坯真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为20~30分钟；

第四步：将预制坯在430~450℃下加热3~4小时；

第五步：将预制坯热挤压成晶粒细化剂，挤压温度为430~450℃，挤压比为100~123，挤压速度为1.5~1.7米/分钟。

所述铝粉的粒径≤200微米，钛粉和锆粉的粒径≤50微米，TiB₂粉和ZrB₂粉的粒径≤2微米。

所述铝粉、钛粉和TiB₂粉的质量比为100:2.7~3.3:3.1~3.7，优选的质量比为100:3.0:3.4。

所述铝粉、锆粉和ZrB₂粉的质量比为100:0.7~0.9:5.0~6.0，优选的质量比为100:0.8:5.5。

所述真空脱气是将预制坯装入纯铝管、铝合金管或不锈钢管金属管内真空脱气，然后密封金属管，优选的金属管为壁厚5毫米的纯铝管。

采用本发明的方法可以制备Ti含量为4.5~5.5%、B含量为0.8~1.2%的Al-Ti-B晶粒细化剂和Zr含量为4.5~5.5%、B含量为0.8~1.2%的Al-Zr-B晶粒细化剂。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本发明可以防止TiB₂、ZrB₂粒子产生偏析团聚，使TiB₂、ZrB₂粒子均匀分布在晶粒细化剂中，晶粒细化剂具有更强的晶粒细化能力，可以使铝、镁合金铸锭和产品获得更加细小的晶粒组织，提高铸锭的塑性加工性能和产品的力学性能；又可以避免铝、镁合金深加工产品的表面产生砂眼、针孔等缺陷，满足高光亮、高精密的铝、镁合金深加工产品的生产需要。

（2）本发明制备过程中不会产生任何烟雾和熔渣，既不会对环境造成污染，又使晶粒细化剂具有更高的洁净度，晶粒细化剂中不含任何金属和非金属夹杂物，且Fe、Si、V和K等杂质元素的含量也更低。

附图说明

图1为实施例1制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的显微组织。

图2为传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的显微组织。

图3为添加了实施例1制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂后纯铝的晶粒组织。

图4为添加了传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂后纯铝的晶粒组织。

具体实施方式

实施例1

Ti含量为5%、B含量为1%的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的制备方法如下：

第一步：选用粒径≤200微米的铝粉、粒径≤50微米的钛粉和粒径≤2微米的TiB₂粉为原料，将铝粉、钛粉和TiB₂粉按质量比为100:3.0:3.4的比例装入滚筒式混料机里进行混合，混料机的转速为200转/分钟，混合时间为4小时，得到铝粉、钛粉和TiB₂粉的混合粉；

第二步：将上述混合粉装填到内径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15分钟；

第三步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的纯铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为25分钟，然后密封纯铝管；

第四步：将密封的纯铝管放入加热炉内，在440℃加热3.5小时；

第五步：取出预制坯放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成Al-5Ti-1B晶粒细化剂，挤压比为111，挤压温度为440℃，挤压速度为1.6米/分钟。

从图1可看到，本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂，TiB₂粒子和Ti粉都均匀分布在铝基体上，未见有粗大的TiB₂粒子团聚块存在。

从图2可看到，传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂，大部分TiB₂粒子都偏析成粗大的团聚块，并沿轧制方向呈条带状分布，Ti元素与Al还结合成了粗大的方块状TiAl₃相。

通过比较图1和图2可以看出，采用本发明制备Al-5Ti-1B晶粒细化剂，可以明显改善TiB₂粒子的分布均匀性，使TiB₂粒子均匀分布在铝基体中。

为了检验本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的晶粒细化能力，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，分别对本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂和传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的晶粒细化能力进行检测。

从图3可看到，添加了本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂后，纯铝的晶粒组织被细化为细小均匀的等轴晶，晶粒平均直径为67微米。

从图4可看到，添加了传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂后，纯铝的晶粒组织也被细化为等轴晶，但晶粒平均直径为97微米。

通过比较图3和图4可以看出，本发明制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂具有更强的晶粒细化能力，可以使纯铝的晶粒组织细化为尺寸更小的等轴晶。

为了检验本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂的洁净度，采用化学成分分析方法分别对本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂和传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂中的主要杂质元素Fe、Si、V和K的含量进行检测，结果如表1所示。

表1 Al-5Ti-1B晶粒细化剂中主要杂质元素的含量（质量%）

方法	Fe	Si	V	K
					本发明	0.04	0.02	0	0
传统氟盐铝热反应法	0.11	0.09	0.02	0.03

从表1可看到，本实施例制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂中，Fe含量为0.04%，Si含量为0.02%，不含V和K，杂质元素含量都低于传统氟盐铝热反应法制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂，说明本发明制备的Al-5Ti-1B晶粒细化剂具有更高的洁净度。

实施例2

Ti含量为4.5%、B含量为0.8%的Al-4.5Ti-0.8B晶粒细化剂的制备方法如下：

第一步：选用粒径≤200微米的铝粉、粒径≤50微米的钛粉和粒径≤2微米的TiB₂粉为原料，将铝粉、钛粉和TiB₂粉按质量比为100:2.7:3.1的比例装入滚筒式混料机里进行混合，混料机的转速为150转/分钟，混合时间为5小时，得到铝粉、钛粉和TiB₂粉的混合粉；

第二步：将上述混合粉装填到内径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170MPa压力下冷等静压成预制坯，保压时间为20分钟；

第三步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的纯铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为20分钟，然后密封纯铝管；

第四步：将密封的纯铝管放入加热炉内，在430℃加热4小时；

第五步：取出预制坯放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成Al-5Ti-1B晶粒细化剂，挤压温度为430℃，挤压比为123，挤压速度为1.7米/分钟。

实施例3

Zr含量为5%、B含量为1%的Al-5Zr-1B晶粒细化剂的制备方法如下：

第一步：选用粒径≤200微米的铝粉、粒径≤50微米的锆粉和粒径≤2微米的ZrB₂粉为原料，将铝粉、锆粉和ZrB₂粉按质量比为100:0.8:5.5的比例装入滚筒式混料机里进行混合，混料机的转速为200转/分钟，混合时间为4小时，得到铝粉、锆粉和ZrB₂粉的混合粉；

第四步：将密封的存铝管放入加热炉内，在440℃加热3.5小时；

第五步：取出预制坯放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成Al-5Zr-1B晶粒细化剂，挤压温度为440℃，挤压比为111，挤压速度为1.6米/分钟。

实施例4

Zr含量为5.5%、B含量为1.2%的Al-5.5Zr-1.2B晶粒细化剂的制备方法如下：

第一步：选用粒径≤200微米的铝粉、粒径≤50微米的锆粉和粒径≤2微米的ZrB₂粉为原料，将铝粉、锆粉和ZrB₂粉按质量比为100:0.9:6.0的比例装入滚筒式混料机里进行混合，混料机的转速为250转/分钟，混合时间为3小时，得到铝粉、锆粉和ZrB₂粉的混合粉；

第二步：将上述混合粉装填到内径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200MPa压力下冷等静压成预制坯，保压时间为10分钟；

第三步：拆开橡胶筒，将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的纯铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为30分钟，然后密封纯铝管；

第四步：将密封的存铝管放入加热炉内，在450℃加热3小时；

第五步：取出预制坯放入内径100毫米的卧式挤压机料筒内热挤压成Al-5.5Zr-1.2B晶粒细化剂，挤压温度为450℃，挤压比为100，挤压速度为1.5米/分钟。

Claims

1.一种晶粒细化剂的制备方法，其特征在于由以下步骤组成：

第一步：按配比混合铝粉、钛粉或锆粉、TiB₂粉或ZrB₂粉；

第四步：将预制坯在430~450℃下加热3~4小时；

2.根据权利要求1所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述铝粉的粒径≤200微米，钛粉和锆粉的粒径≤50微米，TiB₂粉和ZrB₂粉的粒径≤2微米。

3.根据权利要求1所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述铝粉、钛粉和TiB₂粉的质量比为100:2.7~3.3:3.1~3.7。

4.根据权利要求1或3所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述铝粉、钛粉和TiB₂粉的质量比为100:3.0:3.4。

5.根据权利要求1所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述铝粉、锆粉和ZrB₂粉的质量比为100:0.7~0.9:5.0~6.0。

6.根据权利要求1或5所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述铝粉、锆粉和ZrB₂粉的质量比为100:0.8:5.5。

7.根据权利要求1所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述真空脱气是将预制坯装入纯铝管、铝合金管或不锈钢管金属管内真空脱气，然后密封金属管。

8.根据权利要求7所述的晶粒细化剂的制备方法，其特征在于所述金属管为壁厚5毫米的纯铝管。