CN105925854A - 一种优质铝钛硼细化剂及其制备方法 - Google Patents

一种优质铝钛硼细化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种优质铝钛硼细化剂的制备方法，制备的铝钛硼细化剂的质量百分比为：Ti为4.8~5.5%，B为0.8~1.2%，铝为余量。该中间合金的制备方法包括根据化学反应方程式计算出二次加料所需的氟硼酸钾和氟钛酸钾，加料方式是分2次加料。两次加料中氟盐的配比为氟钛酸钾在第一次和第二次加料中的质量比为1.09~1.52，氟硼酸钾在第一次和第二次加料中的质量比为0~0.2。但要始终保证第二次加料中氟硼酸钾和氟钛酸钾的质量比为1.05:1。将配好的氟钛酸钾和氟硼酸钾均匀混合、烘干，分两次匀速加入到纯铝熔体中，静置一段时间后，搅拌3~5分钟后，加氟化钙2~5分钟后除水渣浇注成棒。

Description

一种优质铝钛硼细化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金熔炼技术领域，具体涉及一种优质铝钛硼细化剂及其制备方法。
背景技术
由于铝具有较好的抗疲劳性能和成型性能、耐腐蚀性能和良好的导电性能，所以铝合金产品广泛应用于汽车制造、航空航天材料、包装材料、建筑材料等工业领域，然而想要获得具有综合性能比较好的铝合金产品，对于铝合金材料的晶粒细化是比较切实可行的方法。而主要细化晶粒的方法有：动力学法和外来形核法。动力学法是用使用不同的振动方法使熔体金属在凝固过程中不断的熔断，而这些熔断的小碎块充当了形核核心的作用，这样也能达到晶粒细化的目的，一般我们能看到的工业上使用的动力学方法有热对流法、机械搅拌法、超声波震荡法、电磁搅拌等。但这些方法对设备要求高、操作复杂且细化效果也不稳定。而外来形核法是向熔体中加入形核剂，让熔体凝固过程中按照异质形核的方式生长，最终达到晶粒细化的效果，细化剂主要是以中间合金的方式来应用。目前市场上常见的细化剂合金主要有Al-Ti合金、Al-Ti-B合金、Al-Ti-C合金等。这种方法效果稳定、操作简单且作用快，成为细化晶粒的主流研究方向。
目前常用的细化剂主要有Ti-B系列（英国专利1413848），Al-Ti-B中间合金（如美国专利3857705）等。这类细化剂主要缺点就是TiB2相的尺寸及形貌难以控制。国内目前开发的许多细化剂中TiB2粒子尺寸偏大，在使用过程中易发生聚集、沉淀等现象，大大降低了细化剂的细化效果。另外国内的A1-Ti-B-稀土RE晶粒细化剂及其制备方法(CN102424923A)、一种快速凝固Al-Ti-B-Sc中间合金细化剂及其制备方法（CN103589916A）、Al-Ti-B晶粒细化剂的制备方法（CN 1605642）等。而这类细化剂主要是通过施加新工艺如电磁搅拌和快速凝固等手段来使第二相达到细小弥散的目的，以及通过添加新的合金元素来制备新型细化剂。
现有的发明优点是制备的细化剂组织和细化效果好，缺点是并不容易应用到实际生产中，同时添加新的合金元素虽然简单但是会增加制备成本。企业生产主要是连铸连轧，注重效率和成本。因此，在传统简单的氟盐法制备铝钛硼中间合金的基础上，通过改变加料比例来制备含有更加细小TiB2相的细化剂是非常有意义的。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服上述技术的不足和缺陷，提供一种通过新加料比例来制备优质铝钛硼细化剂的制备方法。缩短在细化剂制备过程中TiB2粒子在熔体中的停留时间，以获得尺寸更加细小TiB2粒子，从而提高细化剂的细化效果。
技术方案：
一种优质铝钛硼细化剂，该铝钛硼细化剂的成分及质量百分比为：
Ti 4.8~5.5%；
B 0.8~1.2%；
余量为Al及制备过程中不可避免的杂质。
所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）备料：氟硼酸钾、氟钛酸钾和纯铝；
（2）使用高纯石墨坩埚将纯铝在电阻炉中熔化并升温至800℃；
（3）将氟钛酸钾和氟硼酸钾均匀混合、烘干，分两次匀速加入到纯铝熔体中，两次加入氟硼酸钾和氟钛酸钾的量根据化学反应式6KBF4+3K2TiF6+10Al=3TiB2+9KAlF4+K3AlF6和3K2TiF6+13Al=3TiAl3+3KAlF4+K3AlF6 计算得出；
（4）将熔体静置，搅拌3～5分钟；
（5）加入氟化钙，静置2～5分钟，除水渣，浇注成棒。
在所述步骤（3）中，优先确定两次加料中氟硼酸钾的投料质量比为0~0.2，即氟硼酸钾在第二次加料中的投料质量为所需氟硼酸钾总量的83.3%~100%。
在所述步骤（3）中，始终保证第二次加料中氟硼酸钾和氟钛酸钾的质量比为1.05:1；通过氟硼酸钾来确定两次加料中的氟钛酸钾的比例；氟钛酸钾的第一次投料量和第二次投料量的质量比为1.09~1.52。
在所述步骤（3-5）中，保持熔体温度750~800℃。
在所述步骤（3）中，加料总时间为5～8分钟；在所述步骤（4）中，静置10～18分钟。
优点及效果：本发明的创新之处在于氟硼酸钾和氟钛酸钾在两次加料中采用新的比例，并不需要额外引进新的合金元素及工艺手段，制备工艺成本低、操作简单、实用。另外通过新加料比例的制备方法，可以大大缩短TiB2粒子在熔体中的停留时间，使其没有充足的时间长大，从而获得尺寸更加细小的TiB2粒子，其平均等效圆直径约为50~80纳米；细小的TiB2粒子有更慢的下沉速度，从而缓解其聚集、沉淀等问题。同时，在电磁、机械等搅拌下，TiB2粒子可以有更弥散的分布。整个工艺与企业实际工艺接近，可以更好的应用到实际生产中。
附图说明：
图1为传统工艺制备的铝钛硼细化剂扫描组织；
图2为实施例1中制备铝钛硼细化剂的扫描组织；
图3为实施例2中制备铝钛硼细化剂的扫描组织；
图4～图7为三组细化剂对高纯铝细化处理后高纯铝的宏观组织，依次为：
图4 未细化高纯铝；
图5 传统工艺细化剂细化；
图6 实施例1细化剂细化；
图7实施例2细化剂细化；
图8为未细化及三组细化剂分别细化后高纯铝的晶粒度。
具体实施方式：
本发明是由如下方案实施的：
一种优质铝钛硼细化剂，该铝钛硼细化剂的成分及质量百分比为：
Ti 4.8~5.5%；
B 0.8~1.2%；
余量为Al及制备过程中不可避免的杂质。
所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）备料：氟硼酸钾、氟钛酸钾和纯铝；
（2）使用高纯石墨坩埚将纯铝在电阻炉中熔化并升温至800℃；
（3）将氟钛酸钾和氟硼酸钾均匀混合、烘干，分两次匀速加入到纯铝熔体中，两次加入氟硼酸钾和氟钛酸钾的量根据化学反应式6KBF4+3K2TiF6+10Al=3TiB2+9KAlF4+K3AlF6和3K2TiF6+13Al=3TiAl3+3KAlF4+K3AlF6 计算得出；
（4）将熔体静置，搅拌3～5分钟；
（5）加入氟化钙，静置2～5分钟，除水渣，浇注成棒。
在所述步骤（3）中，优先确定两次加料中氟硼酸钾的投料质量比为0~0.2，即氟硼酸钾在第二次加料中的投料质量为所需氟硼酸钾总量的83.3%~100%。
在所述步骤（3）中，始终保证第二次加料中氟硼酸钾和氟钛酸钾的质量比为1.05:1；通过氟硼酸钾来确定两次加料中的氟钛酸钾的比例；氟钛酸钾的第一次投料量和第二次投料量的质量比为1.09~1.52。
在所述步骤（3-5）中，保持熔体温度750~800℃。
在所述步骤（3）中，加料总时间为5～8分钟；在所述步骤（4）中，静置10～18分钟。
结合本发明内容进一步描述，并提供实施例进一步说明：
实施例1
（1）按生成重量百分比Ti为5%，B为1%，铝为余量分别称取氟硼酸钾66.3g、氟钛酸钾132.5g和纯铝552.3g。
（2）按第一次和第二次加料的质量比为1:5，将称好的氟硼酸钾分成2份；按第一次和第二次加料的质量比为1.52:1，将称好的氟钛酸钾分成2份。
（3）将每次加料所需的氟硼酸钾和氟钛酸钾均匀混合、并在80℃的干燥箱内烘干。
（4）利用高纯石墨坩埚，将工业纯铝在电阻炉中熔化并升温至800℃。
（5）第一次加料，将配好的混合氟盐利用漏斗以匀速加料7分钟，加料时用石墨棒搅拌，加料后静置15分钟。
（6）搅拌3分钟后除水渣。
（7）第二次加料同样将配好的混合氟盐利用漏斗以匀速加料7分钟，加料时用石墨棒搅拌。加料后静置15分钟。
（8）搅拌3分钟后除水渣后，加氟化钙打渣。静置2分钟后浇注成棒。
将所制备的细化剂进行金相实验，通过场发射扫描电镜观察其显微组织，发现与传统工艺相比，大块的TiB2粒子及团块减少，平均尺寸更加细小。同时对比图5、图6，实例1中制备的中间合金细化效果更好。
实施例2
（1）按生成重量百分比Ti为5%，B为1%，铝为余量分别称取氟硼酸钾67.81g、氟钛酸钾135.6g和纯铝565.1g。
（2）按第一次和第二次加料的质量比为0:1，将称好的氟硼酸钾分成2份；按第一次和第二次加料的质量比为1.09:1，将称好的氟钛酸钾分成2份。
（3）将每次加料所需的氟硼酸钾和氟钛酸钾均匀混合、并在80℃的干燥箱内烘干。
（4）利用高纯石墨坩埚，将工业纯铝在电阻炉中熔化并升温至800℃。
（5）第一次加料，将配好的混合氟盐利用漏斗以匀速加料7分钟，加料时用石墨棒搅拌，加料后静置15分钟。
（6）搅拌3分钟后除水渣。
（7）第二次加料同样将配好的混合氟盐利用漏斗以匀速加料7分钟，加料时用石墨棒搅拌。加料后静置15分钟。
（8）搅拌3分钟后除水渣后，加氟化钙打渣。静置2分钟后浇注成棒。
将所制备的铝钛硼细化剂进行金相实验、成分分析和细化实验，通过场发射扫描电镜观察其显微组织，发现与传统工艺相比，大块的TiB2粒子及团块基本消失，平均尺寸更加细小，其平均等效圆直径约为50~80纳米之间；同时，由于比较慢的加料速度使得氟盐的烧损减少、实收率升高。然后在730℃下细化高纯铝，细化剂的添加量为0.2%，保温2~3分钟后浇注到环模内凝固。通过，图5、图6、图7可以看出，相比于传统工艺制备的细化剂，实例1和实例2中制备的细化剂细化效果更好，实例2中制备铝钛硼细化剂的细化性能较传统工艺提高约10%。

Claims (6)

1.一种优质铝钛硼细化剂，其特征在于：该铝钛硼细化剂的成分及质量百分比为：
Ti 4.8~5.5%；
B 0.8~1.2%；
余量为Al及制备过程中不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）备料：氟硼酸钾、氟钛酸钾和纯铝；
（2）使用高纯石墨坩埚将纯铝在电阻炉中熔化并升温至800℃；
（3）将氟钛酸钾和氟硼酸钾均匀混合、烘干，分两次匀速加入到纯铝熔体中，两次加入氟硼酸钾和氟钛酸钾的量根据化学反应式6KBF4+3K2TiF6+10Al=3TiB2+9KAlF4+K3AlF6和3K2TiF6+13Al=3TiAl3+3KAlF4+K3AlF6 计算得出；
（4）将熔体静置，搅拌3～5分钟；
（5）加入氟化钙，静置2～5分钟，除水渣，浇注成棒。
3.根据权利要求2所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，优先确定第一次加料与第二次加料中氟硼酸钾的投料质量比为0~0.2，即氟硼酸钾在第二次加料中的投料质量为所需氟硼酸钾总量的83.3%~100%。
4.根据权利要求2所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，始终保证第二次加料中氟硼酸钾和氟钛酸钾的质量比为1.05:1，通过氟硼酸钾来确定两次加料中的氟钛酸钾的比例；氟钛酸钾的第一次投料量和第二次投料量的质量比为1.09~1.52。
5.根据权利要求2所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）-（5）中，保持熔体温度750~800℃。
6.根据权利要求2所述的优质铝钛硼细化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，加料总时间为5～8分钟；在所述步骤（4）中，静置10～18分钟。
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