CN109112340A - 一种高含量钛硼晶粒细化剂、制备方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高含量钛硼晶粒细化剂、制备方法及使用方法，该高含量钛硼晶粒细化剂通过金属钛粉、氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾、成型润滑剂配方的组合，Ti含量25‑45％，B含量2.5‑4.5％，是一种Ti、B有效含量高的钛硼晶粒细化剂；本产品加入铝液后，迅速反应，生成TiAl₃、TiB₂等有效粒子，在助熔剂的作用下，快速扩散，可对铝及铝合金起到晶粒细化作用，另外还可添加Ti元素，起到提高合金强度的作用，是一种集晶粒细化、Ti元素添加功能于一体的高效钛硼晶粒细化剂。

Description

一种高含量钛硼晶粒细化剂、制备方法及使用方法

技术领域

本发明涉及铝合金生产领域，特别是涉及一种高含量钛硼晶粒细化剂、制备方法及使用方法。

背景技术

在铝合金中加入少量的Ti，一般含量在0.1-0.2％左右，在合金凝固时形成TiAl₃相，作为外来形核核心，可细化合金组织，提高合金韧性、强度、硬度等，改善合金性能。目前常用的铝合金晶粒细化剂有钛剂、铝钛合金、铝钛硼合金。钛剂Ti含量一般在75-80％，有效元素Ti含量较高，由海绵钛粉和金属钛粉添加助熔剂制备；铝钛合金中Ti含量一般在5-15％，有效元素Ti含量较低，一般由海绵钛和金属钛在在高温下与铝熔合而成，有比较粗大的TiAl₃相，一定程度上影响了其细化效果。铝钛硼合金Ti含量一般在3-10％，B含量一般在0.6-1.0％，有着较好的晶粒细化效果，但是Ti、B含量相对较低，一般添加量在2‰左右，价格相对较高。另外，单纯添加Ti元素对铝合金的细化效果不太理想，同时加入B元素，可形成TiB₂相，与TiAl₃起联合细化作用，由于TiAl₃和TiB₂的双相形核作用，可显著提高细化效果，其细化效果要优于钛剂和铝钛中间合金。

目前，公开的铝合金用晶粒细化剂一般是铝钛硼合金。如中国发明专利CN105925854A公布了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；相比于传统工艺制备的细化剂，该发明专利制备的细化剂细化效果更好，其实例2中制备铝钛硼细化剂的细化性能较传统工艺提高约10％。

中国发明专利CN107893178A公布了一种高品质铝钛硼合金杆的制备方法，采用变频感应电炉和中频感应电炉相配合生产铝钛硼合金，在加料前对铝液进行精炼并加入氟盐和扩散剂混合物作为合金化过程中对TiAl₃和TiB₂质点的形核剂，合金化完成后形成的TiAl₃和TiB₂质点细小且分布更均匀，消除了TiAl₃质点形成杆状和TiB₂质点聚集；本发明生产的产品中TiAl₃和TiB₂质点细小，分布均匀弥散，渣含量极少，有效解决了目前市场上连铸连轧铝钛硼合金杆TiAl₃质点粗大，TiB₂质点聚集，夹渣严重在铝合金中细化能力差的问题。

中国发明专利CN107604184A公布了一种铝钛硼合金及其制备方法，该铝钛硼合金的制备方法包括将用铝箔包装成袋的钛屑与用铝箔包装成袋的氟硼酸钾和氟化钠的混合物熔于铝液中，经浇铸得到铝钛硼合金，利用该制备方法可以有效利用钛屑，并能缓解现有技术中生产铝钛硼合金污染环境、成本高以及合金偏析的问题，达到减少环境污染、降低成本和提高铝钛硼合金品质的效果；

中国发明专利CN106244834A公布了一种用硼粉和氢化钛制备铝钛硼中间合金的方法，本发明要解决现有的制备铝钛硼中间合金的方法中，氟盐法有害气体排放量大的缺陷。本发明的制备方法包括以下步骤：1)将铝锭熔化加入硼粉和氢化钛合金化；2)反应完成后，倾倒出浮于铝液表面的反应副产物；3)然后除气，扒渣，浇注，即得到铝钛硼中间合金。本发明生产工艺简单，原材料来源广泛，没有氟化物排放，降低环境污染，制备的铝钛硼中间合金洁净度较高，本发明的方法适用于铝工业领域。

以上发明专利提及的铝钛硼合金有较好的细化效果，生产过程是将含Ti、B的材料加入铝液中进行合金化，得到含Ti、B的铝合金，受制备条件及合金本身流动性的限制等，其Ti含量一般≤10％，B含量≤1％，生产过程中能耗较高，且有一定的污染，且价格相对较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现铝钛硼晶粒细化剂的不足之处，提供一种高含量、低成本的钛硼晶粒细化剂、制备方法及使用方法，应用于铝合金的晶粒细化，另外还兼具Ti合金元素添加的作用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高含量钛硼晶粒细化剂，

按质量分数计的成分：Ti：25-45％，B：2.5-4.5％；

其组分及质量百分含量为：

金属钛粉：25～45.5％；

氟钛酸钾：0～47.4％；

氟硼酸钾：25～55％；

氟铝酸钾：0～45％；

成型润滑剂：0.05-0.2％；

其中，所述金属钛粉为氢化脱氢法制备的金属钛粉；

所述成型润滑剂为石蜡粉、硬脂酰胺、硬脂酸锌中一种或几种。

进一步地，所述金属钛粉质量要求为Ti含量≥88.0％，粒度：-60目，水分≤0.1％；氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾质量要求为纯度≥98.0％，粒度：50-325目，水分≤0.2％；成型润滑剂为粉末状，粒度：-50目。

本发明的高含量钛硼细化剂中Ti含量为25-45％，而氟钛酸钾中Ti含量仅为20％，单独使用不能满足成分要求。

目前常用的钛粉规格有海绵钛粉和金属钛粉(氢化脱氢法)，海绵钛粉由海绵钛破碎、研磨制备，具有纯度高的优势，但是价格相对也较高，由于海绵钛本身的延展性，采用机械研磨法一般制备的粒度一般在1mm左右，粒度再细的话，将会破坏海绵钛的疏松结构，形成比较致密的硬球，造成熔化速度慢。

金属钛粉(氢化脱氢法)由钛合金(如TC₄)加工屑，经氢化、粉碎、脱氢制备，形态为不规则片状或粉末，可以制备成-60目的细粉末，相比海绵钛粉和金属钛粉(机械研磨)，氢化脱氢法的金属钛粉可制成更细的粒度，有更高的活性，更快的熔化速度，还有好的细化效果，具有活性高，价格低的优势。经对比，同样Ti、B含量和加入量的条件下，采用0-1mm海绵钛粉制备的钛硼细化剂熔化时间为25分钟，纯铝晶粒细化尺寸为230微米；采用-60目金属钛粉(氢化脱氢法)制备的钛硼细化剂熔化时间为15分钟，纯铝晶粒细化尺寸为163微米。本发明以金属钛粉(氢化脱氢法)作为添加Ti元素的原材料。

本发明的高含量钛硼细化剂中B含量为2.5-4.5％，而氟硼酸钾中B含量为8.6％，单独使用可以满足成分要求，且氟硼酸钾活性高，易于与铝液反应置换出B元素，其它含B材料如硼酐、无定形硼粉、氟硼酸钠等与铝的润湿性差，难以溶入铝液之中。本发明选用氟硼酸钾作为添加B元素的原材料。

氟铝酸钾，其熔点仅为560-580℃，具有熔点低，助熔效果好的优点，因此，选用氟铝酸钾作为助熔剂。

为提高产品成型性和脱模性，使用石蜡粉、硬脂酰胺、硬脂酸锌其中的一种或几种作为成型润滑剂。

本发明还提供一种上述高含量钛硼晶粒细化剂的制备方法，将各个组分投入混料机进行混合，混合时间为20～40分钟，然后将混合好的物料通过液压机压制成圆饼状或球状，密度2.7～3.5克/立方厘米。

进一步地，所述钛硼晶粒细化剂单块重量20～500克。

本发明还提供一种上述高含量钛硼晶粒细化剂的使用方法，

(1)用于铝合金晶粒细化时一般添加量为0.25‰～1‰；

用于铝合金中钛元素添加时，按铝合金中钛元素所需添加量÷钛硼细化剂Ti含量÷95％计算；

(2)加入温度：730～760℃；

(3)加入方式：当铝液温度达到730～760℃时，扒开铝液表面浮渣，把高含量钛硼晶粒细化剂均匀地投至铝液各个部位，待反应结束1-2分钟后，搅拌3-5分钟，搅拌要遍及熔炉的各个部位，搅拌完毕静置，投入15-20分钟后再彻底搅拌3-5分钟，取样检测分析。

进一步地，所述步骤(3)中搅拌为电磁搅拌。

本发明公开了以下技术效果：

1、本发明高含量钛硼晶粒细化剂通过金属钛粉(氢化脱氢法)、氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾、成型润滑剂配方的组合，Ti含量25-45％，B含量2.5-4.5％，是一种Ti、B有效含量高的钛硼晶粒细化剂。本产品加入铝液后，迅速反应，生成TiAl₃、TiB₂等有效粒子，在助熔剂的作用下，快速扩散，可对铝及铝合金起到晶粒细化作用，另外还可添加Ti元素，起到提高合金强度的作用，是一种集晶粒细化、Ti元素添加功能于一体的高效钛硼晶粒细化剂。

2、本发明配方设计合理，该制备方法简单易于实施，对原材料的纯度、含水量、粒度进行严格控制，有效保证了产品质量。采用本发明生产的钛硼细化剂采用钛合金加工屑经氢化脱氢法生产的金属钛粉作为添加Ti元素的主要原材料，这种原材料具有粒度细、活性高、反应迅速、成本低的优势。采用本发明生产的钛硼晶粒细化剂在添加量为0.5‰时可将纯铝晶粒细化至175微米以下，达到常规AlTi5B1合金线材添加量为2‰的细化效果，Ti元素的实收率可达到95％以上，可向合金中添加约0.02％的Ti元素，而使用成本只有常规AlTi5B1合金线材的约28％。

附图说明

图1为本发明高含量钛硼细化剂的生产流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

一种高含量钛硼细化剂，其成分为Ti：40％，B：4％，其组分及质量百分含量为：金属钛粉(氢化脱氢法)45.5％、氟硼酸钾47.4％、氟铝酸钾7.0％、石蜡粉0.1％。严格控制材料成分、粒度、水分，金属钛粉质量要求为Ti含量≥88.0％，粒度：-60目，水分≤0.1％；氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾质量要求为纯度≥98.0％，粒度：50-325目，水分≤0.2％；石蜡粉要求为粒度：-50目。将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，配料500千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为20分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成球状，单块重量20克，密度：2.85克/立方厘米，制成的高含量钛硼细化剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用塑料袋按照1千克/包进行包装，外包装使用纸箱等。

按照实施例1制备的高含量钛硼细化剂，密度为2.85克/立方厘米，按照0.5‰的加入量加入到纯铝中，Ti元素实收率为95.9％，纯铝晶粒细化尺寸为152微米。

实施例2：

一种高含量钛硼细化剂，其成分为Ti：35％，B：3.5％，其组分及质量百分含量为：金属钛粉(氢化脱氢法)39.15％、氟钛酸钾3％、氟硼酸钾41.5％、氟铝酸钾16.2％、石蜡粉0.10％、硬脂酸锌0.05％。严格控制材料成分、粒度、水分，金属钛粉质量要求为Ti含量≥88.0％，粒度：-60目，水分≤0.1％；氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾质量要求为纯度≥98.0％，粒度：50-325目，水分≤0.2％；石蜡粉、硬脂酸锌要求为粒度：-50目。将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，配料800千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量200克，密度：2.80克/立方厘米，制成的高含量钛硼细化剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔按照2千克/包进行包装，外包装使用纸箱等。

按照实施例2制备的高含量钛硼细化剂，密度为2.80克/立方厘米，按照0.5‰的加入量加入到纯铝中，Ti元素实收率为96.5％，纯铝晶粒细化尺寸为161微米。

实施例3：

一种高含量钛硼细化剂，其成分为Ti：30％，B：3％，其组分及质量百分含量为：金属钛粉(氢化脱氢法)31.9％、氟钛酸钾10％、氟硼酸钾35.9％、氟铝酸钾22.0％、硬脂酰胺0.1％、硬脂酸锌0.1％。严格控制材料成分、粒度、水分，金属钛粉质量要求为Ti含量≥88.0％，粒度：-60目，水分≤0.1％；氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾质量要求为纯度≥98.0％，粒度：50-325目，水分≤0.2％；硬脂酰胺、硬脂酸锌要求为粒度：-50目。将以上物料进行配比、混合后加入液压机压制成圆饼状，密度控制在2.7～3.5克/立方厘米。将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为40分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成球状，单块重量500克，密度：2.73克/立方厘米，制成的高含量钛硼细化剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔按照2.5千克/包进行包装，外包装使用纸箱等。

按照实施例3制备的高含量钛硼细化剂，密度为2.73克/立方厘米，按照0.5‰的加入量加入到纯铝中，Ti元素实收率为95.7％，纯铝晶粒细化尺寸为169微米。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高含量钛硼晶粒细化剂，其特征在于，

按质量分数计的成分：Ti：25-45％，B：2.5-4.5％；

其组分及质量百分含量为：

金属钛粉：25～45.5％；

氟钛酸钾：0～47.4％；

氟硼酸钾：25～55％；

氟铝酸钾：0～45％；

成型润滑剂：0.05-0.2％；

其中，所述金属钛粉为氢化脱氢法制备的金属钛粉；

所述成型润滑剂为石蜡粉、硬脂酰胺、硬脂酸锌中一种或几种。

2.根据权利要求1所述的一种高含量钛硼晶粒细化剂，其特征在于，所述金属钛粉质量要求为Ti含量≥88.0％，粒度：-60目，水分≤0.1％；氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟铝酸钾质量要求为纯度≥98.0％，粒度：50-325目，水分≤0.2％；成型润滑剂为粉末状，粒度：-50目。

3.一种权利要求1或2所述的高含量钛硼晶粒细化剂的制备方法，其特征在于，将各个组分投入混料机进行混合，混合时间为20～40分钟，然后将混合好的物料通过液压机压制成圆饼状或球状，密度2.7～3.5克/立方厘米。

4.根据权利要求书3所述的高含量钛硼晶粒细化剂的制备方法，其特征在于，所述钛硼晶粒细化剂单块重量20～500克。

5.一种权利要求1或2所述的高含量钛硼晶粒细化剂的使用方法，其特征在于，

(1)用于铝合金晶粒细化时一般添加量为0.25‰～1‰；

用于铝合金中钛元素添加时，按铝合金中钛元素所需添加量÷钛硼细化剂Ti含量÷95％计算；

(2)加入温度：730～760℃；

(3)加入方式：当铝液温度达到730～760℃时，扒开铝液表面浮渣，把高含量钛硼晶粒细化剂均匀地投至铝液各个部位，待反应结束1-2分钟后，搅拌3-5分钟，搅拌要遍及熔炉的各个部位，搅拌完毕静置，投入15-20分钟后再彻底搅拌3-5分钟，取样检测分析。

6.根据权利要求5所述的高含量钛硼晶粒细化剂的使用方法，其特征在于，所述步骤(3)中搅拌为电磁搅拌。