CN106319275B

CN106319275B - 一种再生铝中富铁相的变质剂及变质方法

Info

Publication number: CN106319275B
Application number: CN201610924812.4A
Authority: CN
Inventors: 宋东福; 王顺成; 黄正华; 周楠; 郑开宏; 李继林; 徐静
Original assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2036-10-24
Also published as: CN106319275A

Abstract

一种再生铝中富铁相的变质剂及变质方法，变质剂由[Mn]剂和[B]剂组成。变质方法是：先将部分再生铝加热成熔体，接着加入[Mn]剂，待[Mn]剂熔化后，加入剩余的再生铝，然后加入[B]剂，待[B]剂熔化后，精炼，并静置一段时间后浇注，得到变质处理后的再生铝。本发明通过[Mn]剂能够置换富铁相中的Fe元素，改变富铁相的优势生长取向，从而消除针状β‑Fe相，同时通过[B]剂中的B既可以降低富铁相的形成温度，减少初生富铁相的生长时间和生长空间，又可以作为一种表面活性元素，在富铁相形成初期吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大，因此通过[Mn]剂和[B]剂的综合作用，不仅可以完全消除针状富铁相和初生铁相的存在，获得均匀的汉字状富铁相，且还可以大幅降低Mn的添加量以及大幅改善再生铝的机械性能和加工性能。

Description

一种再生铝中富铁相的变质剂及变质方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金中铁元素的变质剂及变质方法，具体是涉及一种再生铝中富铁相的变质剂及变质方法。

背景技术

Fe元素是再生铝中最为常见的杂质元素，在铝熔体中具有较高的溶解度，700℃、800℃时最大溶解度可高达2.5%和5.0%，但在室温下的固溶度很低，仅为0.05wt.%，其余铁相均以第二相的形式存在，通常称为富铁相。根据富铁相形态，大致可以分为两类，即α-Fe相和β-Fe相。其中β-Fe相主要以狭长针状形态分布在晶界中，受力时严重割裂基体，塑性急剧下降，同时影响铸锭品质及后续加工性能，极大制约了废铝的再生利用和铝资源的可持续发展。而α-Fe相呈汉字状、树枝等形态，割裂基体效应大幅减弱，改善合金延伸率，常作为基体的高温相和强化相，提高合金性能。

目前，国内外学者主要通过除铁或改变富铁相的形态来减缓其对再生铝合金性能的影响。其中改变富铁相形态不仅具有工艺简单、易操作、成本较低等优点，而且可将有害的杂质元素变成有益元素，实现杂质元素的综合利用，应用前景广泛。目前，常用于改善富铁相形态的方法有添加合金元素法，如Mn、Cr、Be、Co、Sr、Sc等元素；熔体处理法，如熔体保温、超声、电磁、机械振动等处理；改变冷却速度和后续热处理法。其中加Mn类元素，如Mn、Cr、Co等可抑制β-Fe相的形成，促使β-Fe相向α-Fe相转变，最为简单有效。但Mn的添加量通常要超过Fe含量的1.1倍，否则无法完全消除针状铁相，而此时容易形成粗大、致密的高熔点初生富铁相，同时较大幅度增加富铁相的体积分数，影响铝合金性能。

公开号为CN101899634A、名称为一种消除铝合金中针片状富Fe相的方法，公开了一种施加超声振动和添加合金元素Mn 相结合消除针状富Fe 相的方法。首先按Mn/Fe＝0.2～0.4 加入合金元素Mn，随后将过热铝合金液浇入到预设的盛浆容器内，启动超声振动0.2～8min，振动结束后。振动后的金属熔体成形得到的铝合金零件组织中富Fe相呈细小块状和颗粒状，合金的高温力学性能大幅提高，塑性韧性增强。

公开号为CN104278166A、名称为一种降低铝硅合金中铁相有害影响的方法，公开了一种熔体处理方法降低富铁相的危害。其过程为：将一部分含铁的过共晶铝-硅合金加热至过热状态，保温10min～30min后加入经预热剩余含铁的过共晶铝-硅合金，搅拌激冷、精炼、静置后浇注。经过该法所获合金中的针状铁相基本消失，拉伸强度和延伸率均有一定程度的提高。

上述CN101899634A涉及添加合金元素和超声振动技术相结合消除针片状铁相的方法，但该法需先将合金化后的铝熔体倒入预制的制浆容器中，并在制浆容器中实施超声振动，制浆容器需要加设加热和保温装置，工艺流程较为复杂，能耗、熔损较大。CN104278166A通过在过热熔体中加入固态合金，并辅以搅拌，从而达到激冷的效应，改善富铁相形态的目的，但现有研究结果表明过热剂搅拌激冷等措施仅能细化富铁相颗粒，无法达到消除针状铁相目的，性能改善较为有限，同时该法适用于小批量和实验室试验，不适于大规模工业化生产。因此，开发一种工艺简单、成本低廉的再生铝中杂质铁的变质剂和变质方法十分必要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种低成本、易操作，能够改善富铁相形态，消除针片状富铁相，提高合金的抗拉强度和延伸率的再生铝中富铁相的变质剂及变质方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的再生铝中富铁相的变质剂，其特点是：主要由[Mn]剂和[B]剂组成，所述[Mn]剂为Al-Mn中间合金或由Al-Mn中间合金与Al-Cr中间合金、Al-Co中间合金中的一种或两种组成，所述[B]剂为Al-B中间合金或KBF₄或Al-B中间合金与KBF₄的混合物。

其中，所述Al-Mn中间合金中Mn的含量为10～40%。所述Al-Cr中间合金中Cr的含量为10～40%。所述Al-Co中间合金中Co的含量为10～40%。所述Al-B中间合金中B的含量为1～5%。

本发明所述的再生铝中富铁相的变质方法，其特点是包括以下步骤：

（1）将60～70%再生铝加热至400℃后保温10～30分钟，再升温至760～800℃；

（2）加入250℃的Mn/Fe原子比为0.3～0.65的[Mn]剂，缓慢搅拌；

（3）待[Mn]剂熔化后，加入剩余的30～40%再生铝，促使熔体温度降至710～720℃；

（4）加入B/Fe原子比为1/120～1/40的 [B]剂，缓慢搅拌；

（5）待[B]剂熔化后，精炼，并静置0.5～4小时后浇注，得到变质处理后的再生铝。

本发明由于采用了[Mn]剂和[B]剂作为再生铝中富铁相的变质剂主要组成，通过[Mn]剂能够置换富铁相中的Fe元素，改变富铁相的优势生长取向，从而消除针状β-Fe相，同时通过[B]剂中的B既可以降低富铁相的形成温度，减少初生富铁相的生长时间和生长空间，又可以作为一种表面活性元素，在富铁相形成初期吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大，因此通过[Mn]剂和[B]剂的综合作用，不仅可以完全消除针状富铁相和初生铁相的存在，获得均匀的汉字状富铁相，而且还可以大幅降低Mn的添加量，由传统的超过1.1倍降低至0.65倍以下，同时大幅改善再生铝的机械性能和加工性能，适合于工业化生产。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相图谱。

图2为本发明实施例2的金相图谱。

图3为本发明实施例3的金相图谱。

具体实施方式

本发明所述的再生铝中富铁相的变质剂，主要由[Mn]剂和[B]剂组成，所述[Mn]剂为Al-Mn中间合金或由Al-Mn中间合金与Al-Cr中间合金、Al-Co中间合金中的一种或两种组成，所述[B]剂为Al-B中间合金或KBF₄或Al-B中间合金与KBF₄的混合物。其中，所述Al-Mn中间合金中Mn的含量为10～40%。所述Al-Cr中间合金中Cr的含量为10～40%。所述Al-Co中间合金中Co的含量为10～40%。所述Al-B中间合金中B的含量为1～5%。

本发明采用[Mn]剂和[B]剂作为再生铝中富铁相的变质剂主要组成。其中，[Mn]剂的主要作用是：Mn、Cr、Co与Fe元素原子半径相近，4种元素的原子直径分别为：0.132nm、0.127 nm、0.126 nm和0.127 nm，其中Mn与Fe的原子半径相差最大，约为4%，属于极易与Fe形成置换固溶体的元素。因此，加入上述3种元素最主要的目的是置换富铁相中的Fe元素，改变富铁相的优势生长取向，从而消除针状β-Fe相，由于3种元素在改善富铁相形态的作用机理相似，因此，统称为[Mn]剂。而Cr、Co对于富铁相的变质效果更为显著，且可用[Mn]=Mnwt%+2Cr wt%+3wt Co%公式计算[Mn]剂的含量，但研究表明较低的 Cr和Co 添加量即会引起初生硅的析出，因此，Cr的添加量为0～0.1%，Co的添加量为0～0.03%。[B]剂中的有效成分是B，B的加入一方面可以减低富铁相的形成温度，减少初生富铁相的生长时间和生长空间；另一方面，B作为一种表面活性元素，富铁相形成初期吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大。因此，通过[Mn]剂和[B]剂的综合作用，不仅可以完全消除针状富铁相和初生铁相的存在，获得均匀的汉字状富铁相，而且还可以大幅降低Mn的添加量，由传统的超过1.1倍降低至0.65倍以下，同时大幅改善再生铝的机械性能和加工性能，适合于工业化生产。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明选用含铁量为1.2%的再生铝，化学成分见表1。

表1 再生铝的成分（wt.%）

编号	Si	Fe	Mg	Mn	Cr	Co	Cu	B	Zn	其它	Al
												1#	7.28	1.22	0.38	0.021	0.013	0.003	0.013	0.001	0.020	≤0.1	余量
2#	9.37	1.22	0.25	0.019	0.010	0.003	1.67	0.001	0.786	≤0.1	余量
												3#	10.86	1.22	0.24	0.022	0.011	0.002	1.71	0.001	0.837	≤0.1	余量

实施例1

（1）将70%的1#成分再生铝加热至400℃后保温10分钟，再升温至800℃；

（2）加入250℃的Mn/Fe原子比为0.65的[Mn]剂，且添加的[Mn]剂为Al-30%Mn，添加量约为1#再生铝总量的2.6%，缓慢搅拌；

（3）待[Mn]剂熔化后，加入剩余的1#成分再生铝，促使熔体温度降至710～720℃；

（4）加入B/Fe原子比为1/120的 [B]剂，且添加的[B]剂为Al-3%B，添加量约为1#再生铝总量的0.27%，缓慢搅拌；

（5）待[B]剂熔化后，精炼，并静置2小时后浇注，得到变质处理后的再生铝铸件。

如图1所示，变质处理后的铸件金相中未发现针片状、粗大初生富铁相形态，均以等轴树枝状和汉字状形式存在，Mn添加量减少41%，铸件力学性能和延伸率分别提高23.8%和112%。

实施例2

（1）将70%的2#成分再生铝加热至400℃后保温30分钟，再升温至780℃；

（2）加入250℃的Mn/Fe原子比为0.45的[Mn]剂，且添加的[Mn]剂为Al-40%Mn和Al-10%Cr，添加量分别为1#再生铝总量的1.2%、0.35%，缓慢搅拌；

（3）待[Mn]剂熔化后，加入剩余的3#成分再生铝，促使熔体温度降至710～720℃；

（4）加入B/Fe原子比为1/60的 [B]剂，且添加的[B]剂为KBF₄，添加量约为1#再生铝总量的0.26%，缓慢搅拌；

（5）待[B]剂熔化后，精炼，并静置1小时后浇注，得到变质处理后的再生铝铸件。

如图2所示，变质处理后的铸件金相中未发现针片状、粗大初生富铁相形态，均以等轴树枝状和汉字状形式存在，Mn添加量减少60%，铸件力学性能和延伸率分别提高27.2%和100%。

实施例3

（1）将70%的3#成分再生铝加热至400℃后保温25分钟，再升温至760℃；

（2）加入250℃的Mn/Fe原子比为0.30的[Mn]剂，且添加的[Mn]剂为Al-10%Mn、Al-40%Cr和Al-10%Co，添加量分别为3#再生铝总量的2.6%、0.10%、0.10%，缓慢搅拌；

（4）加入B/Fe原子比为1/40的 [B]剂，且添加的[B]剂为Al-5%B和KBF₄的混合物，添加量约为3#再生铝总量的0.10%、0.33%，缓慢搅拌；

如图3所示，变质处理后的铸件金相中未发现针片状、粗大初生富铁相形态，均以等轴树枝状和汉字状形式存在，Mn添加量减少80%，铸件力学性能和延伸率分别提高18.7%、75%。

实施例1～3再生铝变质前后的抗拉强度及延伸率对比见表2。

表2 实施例1～3再生铝变质前后的抗拉强度及延伸率对比

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims

1.一种再生铝中富铁相的变质方法，其特征在于包括以下步骤：

（2）加入250℃的Mn/Fe原子比为0.3～0.65的[Mn]剂，缓慢搅拌；所述[Mn]剂为Al-Mn中间合金或由Al-Mn中间合金与Al-Cr中间合金、Al-Co中间合金中的一种或两种组成；

（4）加入B/Fe原子比为1/120～1/40的 [B]剂，缓慢搅拌；所述[B]剂为Al-B中间合金或KBF₄或Al-B中间合金与KBF₄的混合物；

2.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相的变质方法，其特征在于：所述Al-Mn中间合金中Mn的含量为10～40%。

3.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相的变质方法，其特征在于：所述Al-Cr中间合金中Cr的含量为10～40%。

4.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相的变质方法，其特征在于：所述Al-Co中间合金中Co的含量为10～40%。

5.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相的变质方法，其特征在于：所述Al-B中间合金中B的含量为1～5%。