CN105132766B - Al‑Ta‑Zn中间合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Al‑Ta‑Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分含量的组元组成：Ta 0.6‑20%，Zn 0.5‑9%,其余为Al。同时，本发明提供了其制备方法，本发明制备的Al‑Ta‑Zn中间合金，TaAl_3‑xZn_x粒子尺寸细化小、在基体中分布均匀，加入到待细化的铝或铝合金中后Ta元素分布均匀，因此能够避免大粒子尺寸可能带来的各种问题。

Description

Al-Ta-Zn中间合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于细化铝或铝合金中α-Al晶粒的铝基中间合金细化剂及其制备方法，具体涉及一种Al-Ta-Zn中间合金及其制备方法，属于金属合金材料技术领域。

背景技术

为了改善和提高材料的表面质量、组织结构、成型工艺性能、耐腐蚀性能及力学性能等，一些铸造或变形铝合金需要向熔体中添加微量的中间合金以对组织结构进行晶粒细化。Al-Ti中间合金是一种常用的铝合金用晶粒细化剂，其中的Ti元素主要以TiAl₃化合物粒子的方式存在，在晶粒细化过程中，Al-Ti中间合金加入到待处理的铝合金熔体中后，TiAl₃化合物作为固体粒子被释放到铝熔体中，在凝固时起到铝晶粒形核基底的作用。

目前市场上常见的Al-Ti中间合金产品所含的TiAl₃粒子为块状或长条状，由于在Al-Ti中间合金制备过程中TiAl₃化合物很容易长大，TiAl₃粒子尺寸一般为数十微米甚至可达数100微米以上。如此之大的TiAl₃粒子尺寸会导致能够充当形核基底的粒子数量大大减少，必然会带来晶粒细化效率的大大降低；大尺寸TiAl₃粒子易导致钛元素在铝基体中分散不均匀，导致细化后的铝合金晶粒组织不均匀；此外，因TiAl₃较脆，细化后合金所残留的大尺寸块状或长条状TiAl₃粒子在受力时易断裂破碎，产生的微观裂纹在应力集中作用下会在合金基体内扩展，导致合金力学性能下降。

发明内容

针对以上技术中存在的不足，本发明提供了一种Al-Ta-Zn中间合金，该中间合金中含有尺寸细小，分布均匀的TaAl_3-xZn_x (0<x<0.2)化合物粒子，将中间合金加入到待细化的铝合金熔体中后，这些粒子起到铝晶粒形核基底的作用，使中间合金产生高效的晶粒细化作用，在一些场合可作为Al-Ti中间合金的替代品。

本发明还公开了该中间合金的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种Al-Ta-Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分含量的组元组成：

Ta 0.6-20%，Zn 0.5-9%, 其余为Al。

上述中间合金中，Ta元素主要以TaAl_3-xZn_x (0<x<0.2)化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中。

如上所述的Al-Ta-Zn中间合金，所述的TaAl_3-xZn_x化合物粒子为多面体或球状，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸在0.1-3微米范围内。

如以上所述Al-Ta-Zn中间合金的制备方法，包括如下以下步骤：

（1）按所欲做Al-n%Ta-k%Zn（含Ta和Zn质量百分含量分别为n%、k%）中间合金的总质量m克及其成分比例称取原料纯铝、K₂TaF₇粉末和纯锌，其中纯铝质量为m (1-0.0075n-0.01k)克，K₂TaF₇质量为0.02169mn克，纯锌质量为0.01mk克；

（2）将纯铝在熔化炉内熔化至680-730℃得到纯铝熔体，然后加入纯锌；

（3）待纯锌完全熔化后，将K_２TaF₇加入上述铝-锌熔体中进行反应５-１５分钟；

（4）将上述步骤中反应后的合金熔体上层不同于合金的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-Ta-Zn中间合金。

如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，原料K₂TaF₇为粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-50微米。

如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，将K₂TaF₇分批加入铝-锌熔体中，每批K_２TaF₇的质量是铝-锌熔体质量的5-10%，每批次加入后反应5-15分钟，然后再加入下一批。

如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，将K_２TaF₇加入铝-锌熔体后，在熔体反应过程中用碳棒进行搅拌，搅拌速率为80-200转/分钟。

上述中间合金的制备方法中，将K_２TaF₇加入含锌的铝液后发生如下化学反应：

3K_２TaF₇ + (14-3x)Al + 3xZn = 6KF + 5AlF₃+ 3TaAl_3-xZn_x

其中的KF和AlF₃以液体形式漂浮于合金熔体上层，TaAl_3-xZn_x固体粒子进入铝熔体中。

以上制备方法中，由于铝液中含有的锌原子要参与TaAl_3-xZn_x粒子的形核和长大过程，使粒子形核机率增多而长大速率减缓，从而获得细小的TaAl_3-xZn_x粒子； 此外，通过控制K_２TaF₇尺寸、K_２TaF₇分批加入及进行熔体搅拌也能够进一步控制所生成的TaAl_3-xZn_x粒子的形核与长大过程，使之具有合适的细小粒子尺寸且在熔本中分布均匀。

本发明提供的Al-Ta-Zn中间合金，TaAl_3-xZn_x粒子尺寸细化小、在基体中分布均匀，加入到待细化的铝或铝合金中后Ta元素分布均匀，因此能够避免大粒子尺寸可能带来的各种问题。以相同的Ti和Ta原子数加入量进行比较，本发明提供的Al-Ta-Zn中间合金对铝的晶粒细化效率大大高于Al-Ti中间合金（图5和图6结果给出说明）且细化后的晶粒组织均匀。在某些需要Al-Ti中间合金进行晶粒细化的合金（如铝-锌合金）中，可用Al-Ta-Zn作替代，在满足其它物理或化学性能的前提下又能获得更理想的晶粒细化效果。对于一些含锌元素的铝合金使用Al-Ta-Zn中间合金进行晶粒细化可避免因加入中间合金带来的锌元素含量波动，保证细化前后的合金化学成分尽可能一致。

附图说明

图1 为实施例1所制Al-15Ta-2Zn中间合金的扫描电镜（SEM）低倍组织结构图。用扫描电镜附带的能谱仪分析表明图中白色粒子为TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)，灰色相为铝基体。X射线衍射分析表明TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)具有四方晶体结构。

图2为实施例1所制Al-15Ta-2Zn中间合金的扫描电镜（SEM）高倍组织结构图。图中白色粒子为TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)，灰色相为铝基体。

图3 为图1和图2中TaAl_3-xZn_x粒子的EDX图谱，表明粒子由Ta、Al、Zn元素

组成，大量分析表明其分子式为TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)。

图4为未细化工业纯铝（纯度为99.7wt.%）的晶粒组织宏观图。

图5 为添加实施例1所制备Al-15Ta-2Zn中间合金后工业纯铝（纯度为99.7wt.%）的宏观晶粒组织图。Ta原素的添加比例为：原子百分数为0.02%。

图6 为添加国内某公司所生产的Al-10Ti中间合金后工业纯铝（纯度为99.7wt.%）的晶粒组织宏观图。Ti原素的添加量为：原子百分数0.02%。

图4、5、6中晶粒细化除所用中间合金区别之外，其余条件完全相同。

图7 为图6中晶粒细化所用国内某公司所生产的Al-10Ti中间合金的扫描电镜组织结构照片。其中灰色相为基体铝，浅白色的粒子为TiAl₃。

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

Al-15Ta-2Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成：Ta 15%，Zn2%, 其余为Al。Ta元素主要以多面体或球状TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸一般在0.1-3微米范围内，其显微组织结构见图１和图２所示，图中白色粒子即为TaAl_3-xZn_x（图3为其能谱图）灰色物相是铝基体。

以上Al-15Ta-2Zn中间合金对工业纯铝产生显著的晶粒细化作用：未添加任何细化剂的工业纯铝（纯度99.7wt.%）晶粒直径平均约4mm（图4），添加钽元素原子数比例为0.02%的上述Al-15Ta-2Zn中间合金后的工业纯铝晶粒直径平均约0.4mm左右，且晶粒尺寸均匀（图5）。添加Ti原子数比例为0.02%的Al-10Ti中间合金后的工业纯铝晶粒尺寸不均匀，较大晶粒直径可达0.9mm左右（图6）。对比图5和图6可知Al-15Ta-2Zn的晶粒细化效率大大高于Al-10Ti中间合金且易获得均匀的晶粒组织。

制备2000克上述Al-15Ta-2Zn中间合金的过程如下：

（1）称取原料纯铝1735克、纯锌40克和K₂TaF₇ 650.7克；

（2）将纯铝和纯锌在熔化炉内熔化至680-730℃范围，得到铝熔体；

（3）纯锌熔化后，将上述K_２TaF₇分5批加入上述纯铝-锌熔体中进行反应，每批反应7分钟后再加入下一批，反应过程中用碳棒以90转/分钟的转速搅拌熔体。

（4） K_２TaF₇全部加入并反应后，将合金熔体上层不同于金属液的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-15Ta-2Zn中间合金。

实施例2

Al-8Ta-8Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成：Ta 8%，Zn 2%,其余为Al。此中间合金与实施例1所制备的中间合金相比较，除了TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)化合物粒子的数量减少之外，其余组织结构特征相同，对纯铝的晶粒细化效率（相同的Ta元素添加量得到的细化效果）相近。

制备2000克上述Al-8Ta-8Zn中间合金的过程如下：

(1) 称取原料纯铝1720克、纯锌160克和K₂TaF₇ 347克；

(2)将纯铝和纯锌在熔化炉内熔化至690-730℃范围，得到铝熔体；

(3)将上述K_２TaF₇分3批加入上述铝熔体中进行反应，每批反应10分钟后再加入下一批，反应过程中用碳棒以180转/分钟的转速搅拌熔体。

(4)K_２TaF₇全部加入并反应后，将合金熔体上层不同于金属液的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-8Ta-8Zn中间合金。

实施例3

Al-6Ta-5Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成：Ta 6%，Zn 5%，其余为Al。此中间合金与实施例1所制备的中间合金相比较，除了TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)化合物粒子的数量减少之外，其余组织结构特征相同，对纯铝的晶粒细化效率（相同的Ta元素添加量得到的细化效果）相近。

制备1000克上述Al-6Ta-5Zn中间合金的过程如下：

(1) 称取原料纯铝905克，纯锌50克和K₂TaF₇ 130.2克；

（2）将纯铝和纯锌在熔化炉内熔化至680-730℃范围，得到含锌铝熔体；

（3）将上述K_２TaF₇分2批加入上述纯铝熔体中进行反应，每批反应14分钟后再加入下一批，反应过程中用碳棒以150转/分钟的转速搅拌熔体。

（4） K_２TaF₇全部加入并反应后，将合金熔体上层不同于金属液的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-6Ta-5Zn中间合金。

实施例4

Al-1Ta-1Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成：Ta 1%，Zn 1%，其余为Al。此中间合金与实施例1所制备的中间合金相比较，除了TaAl_3-xZn_x(0<x<0.2)化合物粒子的数量减少之外，其余组织结构特征相同，对纯铝的晶粒细化效率（相同的Ta元素添加量得到的细化效果）相近。

制备2000克上述Al-1Ta-1Zn中间合金的过程如下：

（１）称取原料纯铝1965克，纯锌20克和K₂TaF₇ 43.38克；

（２）将纯铝和纯锌在熔化炉内熔化至680-730℃范围，得到含锌铝熔体；

（３）将上述K_２TaF₇一次全部加入上述纯铝熔体中进行反应10分钟，反应过程中用碳棒以 100转/分钟的转速搅拌熔体。

（４）K_２TaF₇全部反应后，将合金熔体上层不同于金属液的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-1Ta-1Zn中间合金。

Claims (5)

1.一种Al-Ta-Zn中间合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组元：

Ta 0.6-20%，Zn 0.5-9%, 其余为Al；Ta元素以TaAl_3-xZn_x化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中，其中，0<x<0.2。

2.根据权利要求1所述的Al-Ta-Zn中间合金，其特征在于，所述的TaAl_3-xZn_x化合物粒子为多面体或球状，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸在0.1-3微米范围内。

3.一种权利要求1或2中任一项所述的Al-Ta-Zn中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按质量比称取原料：若制备Al-n%Ta-k%Zn中间合金，其原料及质量比如下：纯铝：K₂TaF₇粉：纯锌=(1-0.0075n-0.01k)： 0.02169n：0.01k；其中，Ta和Zn在Al-n%Ta-k%Zn中间合金中的质量百分含量分别为n%、k%；

（2）将纯铝在熔化炉内熔化至680-730℃得到纯铝熔体，然后加入纯锌；

（3）待纯锌完全熔化后，将K₂TaF₇分批加入铝-锌熔体中，每批K_２TaF₇的质量是铝-锌熔体质量的5-10%，每批次加入后反应5-15分钟，然后再加入下一批；

（4）将上述步骤中反应后的合金熔体上层不同于合金的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-Ta-Zn中间合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述原料K₂TaF₇为粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-50微米。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（３）中将K_２TaF₇加入铝-锌熔体后，在熔体反应过程中用碳棒进行搅拌，搅拌速率为80-200转/分钟。