CN105886880B - 一种低碳铁铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低碳铁铝合金及其制备方法。其技术方案是：先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3~5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.5~2)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以5~30℃/min的升温速率升温至1550~1700℃，保温5~60分钟，随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。本发明制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。

Description

一种低碳铁铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铁铝合金技术领域。尤其涉及一种低碳铁铝合金及其制备方法。
背景技术
铁铝金属间化合物主要包括Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等五种典型结构，其中受人关注的主要是Fe3Al和FeAl基金属间化合物。由于铁铝金属间化合物具有优异的抗高温氧化、耐热腐蚀和抗硫化腐蚀的性能，而且还具有密度低、比强度高、耐磨性好和成本低廉等一系列优点。铁铝合金作为新一代中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等，被广泛用于熔炉装置、热交换管道、汽车阀门、熔盐设备等高温恶劣环境中。
目前，铁铝合金的加工方法主要包括熔铸法和粉末冶金方法。熔铸法主要包括真空中频感应熔铸、高频感应加热熔铸和电子束加热熔铸等方法，还包括先在空气中感应熔炼后再电渣重熔的方法。由于铁铝合金中Al含量远远高于传统合金，Al与Fe的熔点相差较大；加之铁铝合金的形成过程会放出大量的热，致使熔池温度急剧上升引起过热，使得浇铸过程中容易引入氢原子，铸锭中产生大量孔洞。
采用粉末冶金法制备铁铝合金的方法通常通过Fe粉和Al粉、或者预合金粉末经过无压或加压等工艺烧结而成。由于Fe和Al的扩散系数相差很大，将Fe和Al元素粉末压坯，进行无压反应烧结时，烧结体将因为科肯塔尔现象产生大量孔隙和体积膨胀；并且含Al量越高，无压烧结膨胀现象越严重。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种低碳铁铝合金的制备方法，所制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和无膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3～5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.5～2)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以5～30℃/min的升温速率升温至1550～1700℃，保温5～60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
所述刚玉粉中的Al2O3含量≥99wt％；粒径为1～100μm。
所述石墨粉中的C含量≥98wt％；粒径为1～200μm。
所述高纯铁粉中的Fe含量≥99wt％；粒径为50～500μm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
高温下高纯铁粉将熔化成铁液，继而混合粉中的石墨(C)和刚玉(Al2O3)亦溶于铁液中，分别形成[C]、[Al]和[O]。其中，[C]和[O]反应形成的CO气体随着流动的氩气而离开反应体系，导致铁液中[C]和[O]形成CO气体的反应持续进行，而铁液中[O]的消耗会导致刚玉(Al2O3)持续溶于铁液并提供大量的[Al]，由此生成一种铁铝合金。在反应进行中，石墨中的碳也会部分溶入铁铝合金，最终形成一种低碳铁铝合金。在整个反应进程中，反应体系处于静态加热并通入了流动的氩气，相关反应进行程度平稳，反应热很快由流动的氩气带出体系，避免了因冷却过程在合金中出现孔洞的现象出现。同时，整个反应是液相反应控制过程，亦避免了粉末冶金制备铁铝合金时出现体积膨胀的问题发生。
本发明制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量75～80wt％，Al含量12～20wt％，C含量3～5wt％，Si含量0.1～0.5wt％。该低碳铁铝合金可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
因此，本发明制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述刚玉粉中的Al2O3含量≥99wt％；粒径为1～100μm。
所述石墨粉中的C含量≥98wt％；粒径为1～200μm。
所述高纯铁粉中的Fe含量≥99wt％；粒径为50～500μm。
实施例1
一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3.5～4)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.6～1.8)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以5～15℃/min的升温速率升温至1550～1600℃，保温5～20分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量75～77wt％，Al含量12～14wt％，C含量4.2～5wt％，Si含量0.4～0.5wt％。
实施例2
一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(4.5～5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.7～1.9)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以15～20℃/min的升温速率升温至1600～1650℃，保温20～40分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量76～78wt％，Al含量13～15wt％，C含量4.0～4.8wt％，Si含量0.32～0.42wt％。
实施例3
一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(4～4.5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.8～2)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以20～30℃/min的升温速率升温至1650～1700℃，保温40～60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量77～79wt％，Al含量14～17wt％，C含量3.3～4.2wt％，Si含量0.2～0.35wt％。
实施例4
一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3～3.5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.5～1.7)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以20～30℃/min的升温速率升温至1650～1700℃，保温40～60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量78～80wt％，Al含量16～20wt％，C含量3～3.5wt％，Si含量0.1～0.25wt％。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
高温下高纯铁粉将熔化成铁液，继而混合粉中的石墨(C)和刚玉(Al2O3)亦溶于铁液中，分别形成[C]、[Al]和[O]。其中，[C]和[O]反应形成的CO气体随着流动的氩气而离开反应体系，导致铁液中[C]和[O]形成CO气体的反应持续进行，而铁液中[O]的消耗会导致刚玉(Al2O3)持续溶于铁液并提供大量的[Al]，由此生成一种铁铝合金。在反应进行中，石墨中的碳也会部分溶入铁铝合金，最终形成一种低碳铁铝合金。在整个反应进程中，反应体系处于静态加热并通入了流动的氩气，相关反应进行程度平稳，反应热很快由流动的氩气带出体系，避免了因冷却过程在合金中出现孔洞的现象出现。同时，整个反应是液相反应控制过程，亦避免了粉末冶金制备铁铝合金时出现体积膨胀的问题发生。
本具体实施方式制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下：Fe含量75～80wt％，Al含量12～20wt％，C含量3～5wt％，Si含量0.1～0.5wt％。该低碳铁铝合金可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
因此，本具体实施方式制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。

Claims (5)

1.一种低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于：先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3～5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.5～2)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同；然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以5～30℃/min的升温速率升温至1550～1700℃，保温5～60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
2.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述刚玉粉中的Al2O3含量≥99wt％；粒径为1～100μm。
3.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述石墨粉中的C含量≥98wt％；粒径为1～200μm。
4.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述高纯铁粉中的Fe含量≥99wt％；粒径为50～500μm。
5.一种低碳铁铝合金，其特征在于所述低碳铁铝合金是根据权利要求1～4项中任一项所述的低碳铁铝合金的制备方法所制备的低碳铁铝合金。
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