CN1081244C - 用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂及其制备工艺，细化剂的主要成分包括铝、钛、碳及活化剂，活化剂为稀土元素和碱土元素。细化剂的制备工艺是首先按比例准备好原料，在炉中将铝钛合金熔化至1000℃-1200℃，加入活化剂，1-3分钟后加入石墨粉，保持反应，除渣、浇铸成锭，即为产品。本发明制备工艺简单、生产成本低，细化效果好，适合于大规模工业生产和应用。
Description
本发明涉及一种用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂及其制备工艺，属金属材料技术领域。
实现微晶化并进而达到强韧化，是铝及铝合金以及其它金属材料中重要而又普遍的研究课题。目前对晶粒细化的研究主要包括两个途径，即物理方法和化学方法。具体形式有如快速凝固、搅拌和添加形核剂(晶粒细化剂)及粉末冶金等，其中最有效实用而经济的方法是加形核剂。
对于工业纯铝及铝合金，目前普遍使用的细化剂是AlTi、AlTiB等系列的中间合金，其中Al5TilB是目前世界上公认的最好的细化剂之一。但是，仍存在一些先天的难以克服的问题。首先，AlTiB细化剂在使用过程中TiB2粒子容易聚集、沉淀，大大影响其衰退性能，尤其是极大的损坏轧材的表面质量并且损坏轧辊；另外，AlTiB细化剂对含Zr、Cr等元素的铝及铝合金会失去细化效果。八十年代开发出来的AlTiC系细化剂为上述问题找到了一条新的解决途径。然而，由于铝液与石墨的润湿性差等原因，碳引入铝钛合金中非常困难。目前，AlTiC中间合金细化剂典型的制备工艺是Banerji和Reif于80年代中期发表的专利，即在1250℃以上的高温下在Al-Ti合金熔体中加入一定粒度(平均粒度为20微米)且预先在700-900℃烘干0.5-1小时的碳粉并快速搅拌达30分钟以上制成。其生产工艺复杂，原料和工艺成本很高，而且生产的稳定性不高。上述因素极大地阻碍了AlTiC系列细化剂的发展。目前，世界上AlTiC细化剂的生产仅仅限于实验室规模，至多是小规模的工业生产，还极少在铝工业生产进行大规模的应用。
本发明的目的是提出一种用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂及其制备工艺，针对现有各种方法的缺陷，提出了一种全新的同时又简单易行的中间合金细化剂的组成配方、制备方法及其对铝和铝合金的细化工艺。在细化剂的组成配方上，提出了Al-Ti-C-X成分系列；在细化剂的生产中加入组元X活化熔体，改善铝熔体与碳粒中的润湿性，显著促进碳的吸收。在此基础上研制出新一代铝钛碳-X复合细化剂。
本发明提出的一种用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂，其组成为：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 85.45-96.48
钛(Ti) 3.00-8.00
碳(C) 0.1-2.5
活化剂(X) 0.3-4
上述活化剂为稀土元素和碱土元素中的一种或几种。
本发明制备上述晶粒细化剂的工艺，包括以下各步骤：
①按上述配方和比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化铝钛合金至1000℃-1200℃左右，按比例加入活化剂；
③1-3分钟后加入石墨粉，保持反应10-30分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到产品晶粒细化剂。
上述活化剂包括稀土元素(镧(La)、铈(Ce)等)和碱土元素(鲜(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)等)中的一种或几种。它(们)的主要作用一方面活化铝熔体，促进碳的吸收；另一方面以某种方式加强中间合金的细化效果，进一步改善和提高铝及铝合金的微晶化和强韧化。所以说X即是细化剂的工艺元素，又是细化剂的组成元素。
本发明详细的制备方法为：按预先设计要求的成分比例准备好铝钛合金、石墨粉(料度在50微米以下)、活化剂(稀土元素或碱土元素或它们的混合物)等原料备用。
在感应炉或电阻炉中熔化铝钛合金至1000℃-1200℃左右，加入活性剂(X)，约1-2分钟后加入石墨粉。对于电阻炉，可以利用机械搅拌作用加速反应的进行；对于电磁感应炉，利用其自身的电磁搅拌作用进行搅拌即可。约10-30分钟后，除渣浇铸成锭，即得到产品晶粒细化剂。
本发明制备的细化剂在铝及铝合金的细化处理过程中，细化剂的添加量0.1-2.0公斤/吨，处理温度为600-760℃(与铝合金种类和铸造工艺有关)，有效时间不小于3小时。
利用本发明的工艺制备晶粒细化剂，其制备工艺简单，生产成本低，细化效果好，适合于大规模工业生产和应用。本发明制备的复合晶粒细化剂适用于工业纯铝及各类铝合金的微晶化及强韧化。例如，当细化剂加入量在2kg/吨铝时，对工业纯铝，晶粒尺寸可细化到100微米以下；对铝合金，晶粒尺寸可细化到150-200微米以下。同时工业纯铝及各类铝合金的强度、塑性和韧性都得到显著的提高。
本发明的实施方案，详细描述如下：
实施例1
用本发明的细化剂细化工业纯铝时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 92.65
钛(Ti) 5.00
碳(C) 1.00
铈(Ce) 1.30
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1050℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约15分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
工业纯铝100克，加热熔化到720℃，加入细化剂0.2克/100克铝，保温30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸为100微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能为：
晶粒尺寸 抗拉强度 屈服强度 延伸率
(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加细化剂 2000-3000 30-40 20-25 45-50添加细化剂 ～100 72-79 55-65 81-87
实施例2
用本发明的细化剂细化铸铝104合金时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 90.45
钛(Ti) 7.00
碳(C) 0.50
镧(La) 2.00
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1050℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约10分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
铸铝104合金100克加热熔化至720℃，细化剂加入量为0.2克/100克铝。细化剂加入后保温约30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能(T5处理)为：
晶粒尺寸 抗拉强度 屈服强度 延伸率
(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加细化剂 4000-5000 240-250 190-200 1-2添加细化剂 ～150 340-355 275-285 5-6
实施例3
用本发明的细化剂细化铸铝107合金时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 96.48
钛(Ti) 3.00
碳(C) 0.20
钙(Ca) 0.30
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1100℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约10分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
铸铝107合金100克加热熔化至740℃，细化剂加入量为0.2克/100克铝。细化剂加入后保温约60分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准金属型试样的拉伸性能(T6处理)为：
晶粒尺寸(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) ψ(％)未加细化剂 4000-5000 320-340 210-230 3-4添加细化剂 ～150 410-435 240-255 7-9
实施例4
用本发明的细化剂细化铸铝201合金时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 85.45
钛(Ti) 8.00
碳(C) 2.50
锶(Sr) 4.00
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1100℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约20分钟：
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
铸铝201合金100克加热熔化至720℃，细化剂加入量为0.2克/100克铝。细化剂加入后保温约30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准砂型试样的拉伸性能(T5处理)为：
晶粒尺寸 抗拉强度 屈服强度 延伸率
(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加细化剂 4000-5000 350-365 240-260 3-4添加细化剂 ～150 420-445 325-375 7-9
实施例5
用本发明的细化剂细化铸铝301合金时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 92.95
钛(Ti) 6.00
碳(C) 0.10
镁＋铈(Mg＋Ce) 1.00
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1150℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约10分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
铸铝301合金100克加热熔化至680℃，细化剂加入量为0.2克/100克铝。细化剂加入后保温约20分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准砂型试样的拉伸性能(T4处理)为：
晶粒尺寸 抗拉强度 屈服强度 延伸率
(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加细化剂 4000-5000 310-330 150-170 10-12添加细化剂 ～150 380-415 245-275 16-18
实施例6
用本发明的细化剂细化铸铝402合金时，细化剂的配方、制备工艺及细化工艺如下：
细化剂的配方：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 90.90
钛(Ti) 7.00
碳(C) 1.50
钙＋锶＋镧(Ca＋Sr＋La) 0.50
制备工艺为：
①按配方比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化工业纯铝至1150℃，加入活化剂；
③约2分钟后加入石墨粉，保持反应约25分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到细化剂产品。
细化工艺为：
铸铝402合金100克加热熔化至690℃，细化剂加入量为0.2克/100克铝。细化剂加入后保温约30分钟，在金属型内浇铸成直径40毫米、高45毫米的圆柱锭，距底部15毫米处的晶粒尺寸约150微米。12毫米标准砂型试样的拉伸性能(人工时效处理)为：
晶粒尺寸 抗拉强度 屈服强度 延伸率
(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加细化剂 4000-5000 235-250 160-180 3-5添加细化剂 ～200 310-335 225-265 7-9
Claims (2)
1、一种用于铝及铝合金的复合晶粒细化剂，其特征在于，该细化剂的组成为：
成分 含量(wt％)
铝(Al) 85.45-96.48
钛(Ti) 3.00-8.00
碳(C) 0.1-2.5
活化剂(X) 0.3-4
上述活化剂为稀土元素和碱土元素中的一种或几种。
2、一种制备如权利要求1所述的晶粒细化剂的工艺，其特征在于，该工艺包括以下各步骤：
①按权利要求1成分比例配好原料备用；
②在电阻炉或感应炉中熔化铝钛合金至1000℃-1200℃，按比例加入活化剂；
③1-3分钟后加入碳粉，保持反应10-30分钟；
④除渣，浇铸成锭，即得到产品晶粒细化剂。
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1998
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