CN109439935A - 一种铝铌硼中间合金细化剂的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料技术领域，具体是指一种铝铌硼中间合金细化剂的制备方法及其应用。所述铝‑铌‑硼中间合金包含铝、铌、硼，各组分的质量百分比是：铌0.01 wt.%‑10.00 wt.%，硼0.01 wt.%‑10.00 wt.%，剩余为Al。所述中间合金的制备方法：将纯铝熔化并升温至1000‑1300℃，在熔化后的铝熔体中加入铝箔包裹的金属铌粉或铝‑铌中间合金，加入氟硼酸钾盐，除杂除气，充分搅拌保温，熔化后浇注成型。该中间合金对变形铝锰合金退火处理有高稳定性，长时低温或者高温短时都不会降低细化剂的效果，且制备工艺简单，成本低，适宜工业化生产，对铝锰变形合金具有优良的晶粒细化和力学性能提升效果。

Description

一种铝铌硼中间合金细化剂的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体是指一种铝铌硼中间合金细化剂的制备方法及其应用。

背景技术

变形铝锰系合金中Mn含量在0.9~1.6 wt.%，即具有纯铝的易加工性，又具有比纯铝高的强度和耐蚀性能，因此广泛应用于包装罐体材料，建筑墙体材料和一些需要加工成型及耐蚀性能优良的场所，例如生活中常见的易拉罐包装就是3004铝锰合金，可见其应用之广泛。但是变形铝锰合金在生产中经常会因为出现硬质点或应力集中而导致废品，所以细小的等轴晶粒对于变形铝锰合金生产非常重要。

目前，研究人员主要是在合金铸态前加入细化剂，然后轧制变形进行退火处理，但是合金中的细化剂在退火处理时经常失效，退火温度低时第二相析出量少，弥散程度差，退火温度高时，一些体积较小的增强相会固溶到基体中，合金强度降低，这都是由于细化剂在退火处理时稳定性较差引起的，再者含钛细化剂具易被铝合金中常见的Zr、Si、Mn等元素“毒化”而降低细化效果，无形当中增加企业生产成本，因此，在不改变企业原有的生产工艺条件下，开发具有高稳定性细化剂，克服退火处理中细化剂效用衰退，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有细化剂稳定性的不足，提供一种能有效细化变形铝锰合金的铝-铌-硼中间合金细化剂，此细化剂具有高稳定性，细化效果不会因退火温度和时间长，而产生效果衰退现象，因此可以有效避免细化元素中毒。

本发明的另一目的是提供了上述变形铝锰合金铌基细化剂的制备方法。

本发明的另一目的是提供了上述变形铝锰合金铌基细化剂的应用。

本发明是通过以下方式实现的：

一种铝铌硼中间合金细化剂，所述铝铌硼中间合金主要包含铝、铌、硼三种主要元素，中间合金细化剂的第二相呈鱼骨状分布于Al基体中。

优选地，所述铝、铌、硼三种组分的质量百分比分别是：铌0.01 wt.%~10.00 wt.%，硼0.01 wt.%~10.00 wt.%，剩余为Al。

一种上述铝铌硼中间合金细化剂的制备方法，采用以下步骤：

（1）将纯铝块置于中频炉中熔化并升温至1000-1300℃；

（2）熔化的铝熔体继续升温至1300-1500℃，加入包裹于铝箔中的金属铌粉或铝-铌中间合金，然后分批次加入氟硼酸钾，每隔10-15min搅拌一次，加完后继续保温至原料完全熔化；

（3）将步骤（2）制备的混合熔体静置10~30min，压入六氯乙烷精炼并扒渣，然后将混合熔体浇注成锭或连铸制成线材。

优选地，步骤（1）所述的包裹于铝箔的的铌粉和氟硼酸钾粉要压入铝液底部，金属溶液不得超过感应线圈的高度。

优选地，步骤（1）所述铝锭纯度≥99.9 wt.%。

优选地，步骤（2）所述氟硼酸钾盐为粉末状，分批次加入，每批的量是所需氟硼酸钾总重量的10 wt.%-30 wt.%，加完后继续保温时间为5-20 min。

优选地，步骤（3）所述的六氯乙烷在烘干箱中将水分烘干；所述的搅拌采用石墨棒进行搅拌。

优选地，步骤（3）所用的是表面需涂刷涂料的模具和扒渣工具。

一种上述铝铌硼中间合金细化剂的应用，应用于变形铝锰系合金。

有益效果

（1）本发明制备的有效细化变形铝锰合金的铝-铌-硼中间合金细化剂，其第二相呈鱼骨状分布于铝基体中，所述细化剂具有高稳定性、细化效果不会因退火温度和时长产生衰退，且可以有效避免细化元素中毒，能够显著提高变形铝锰合金的综合力学性能，为其进一步合金领域的细化作用奠定了基础。

（2）本发明所述的制备工艺简单，对设备要求低、操作简单、成本低，适宜工业化生产。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例Al-Nb-B中间合金组成重量配比（wt.%）为：铌0.01 wt.%，硼10 wt.%，其余为铝；待处理3003合金组成重量配比（wt.%）为：锰1.2 wt.%，其余为铝。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取Al-2Nb中间合金、氟硼酸钾盐和纯铝锭作为原料；

（2）将铝块放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至1200℃；

（3）待铝块全部熔化后，继续升温至1400℃，先将包裹在铝箔内的金属铌粉压入铝液底部，然后每次添加所需氟硼酸钾总重量的10 wt.%，添加10次，10 min后，用碳棒搅拌，除气除杂，静置20 min，合金液在1200℃左右出炉浇注成形，既得Al-0.01Nb-10B中间合金。

将此Al-0.01Nb-10B中间合金以3 wt.%的加入量加入到的3003合金中，搅拌均匀，浇铸后继续加工硬化并做退火处理，其中退火工艺为300℃下，保温2h，合金微观组织依然均为等轴晶，且晶粒尺寸依然细小，力学性能也仍然保持较高水平。所得合金的性能如表1和表2所示。

实施例2

本实施例Al-Nb-B中间合金组成重量配比（wt.%）为：铌1 wt.%，硼1 wt.%，其余为铝；待处理3003合金组成重量配比（wt.%）为：锰1.2 wt.%，其余为铝。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取Al-2Nb中间合金、氟硼酸钾盐和纯铝锭作为原料；

（2）将铝块放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至1300℃；

（3）待铝块全部熔化后，继续升温至1500℃，先将包裹在铝箔内的金属铌粉压入铝液底部，然后每次添加所需氟硼酸钾总重量的20 wt.%，添加5次，5 min后，用碳棒搅拌，除气除杂，静置10 min，合金液在1200℃左右出炉，浇注成形，既得Al-1Nb-1B中间合金。

将此Al-1Nb-1B中间合金以3 wt.%的比例，加入3003合金中，搅拌均匀，浇铸后，继续加工硬化并做退火处理，其中退火工艺为300℃保温12h，发现合金微观组织均为等轴晶，且晶粒尺寸细小，力学性能较好。所得合金的性能如表1和表2所示。

实施例3

本发明实施例Al-Nb-B中间合金组成重量配比（wt.%）为：铌5 wt.%，硼1 wt.%，其余为铝；待处理3003合金组成重量配比（wt.%）为：锰1.2 wt.%，其余为铝。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取Al-2Nb中间合金、氟硼酸钾盐和纯铝锭作为原料；

（2）将铝块放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至1200℃；

（3）待铝块全部熔化后，继续升温至1400℃，先将包裹在铝箔内的金属铌粉压入铝液底部，然后每次添加所需氟硼酸钾总重量的20 wt.%，添加5次，10 min后，用碳棒搅拌，除气除杂，静置20 min，合金液在1200℃左右出炉浇注成形，既得Al-5Nb-1B中间合金。

将此Al-5Nb-1B中间合金以3 wt.%的加入量加入到的3003合金中，搅拌均匀，浇铸后继续加工硬化并做退火处理，其中退火工艺为300℃下，保温2h，合金微观组织依然均为等轴晶，且晶粒尺寸依然细小，力学性能也仍然保持较高水平。所得合金的性能如表1和表2所示。

实施例4

本实施例Al-Nb-B中间合金组成重量配比（wt.%）为：铌3 wt.%，硼3 wt.%，其余为铝；待处理3003合金组成重量配比（wt.%）为：锰1.2 wt.%，其余为铝。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取Al-2Nb中间合金、氟硼酸钾盐和纯铝锭作为原料；

（2）将铝块放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至1000℃；

（3）待铝块全部熔化后，继续升温至1300℃，先将包裹在铝箔内的金属铌粉压入铝液底部，然后每次添加所需氟硼酸钾总重量的20 wt.%，添加5次，20 min后，用碳棒搅拌，除气除杂，静置30 min，合金液在1200℃左右出炉浇注成形，既得Al-3Nb-3B中间合金。

将此Al-3Nb-3B中间合金以3 wt.%的加入量，加到的3003合金中，搅拌均匀，浇铸后继续加工硬化，并做退火处理，其中退火工艺为：在300℃下，保温2h，合金微观组织依然均为等轴晶，且晶粒尺寸依然细小，力学性能也仍然保持较高水平。所得合金的性能如表1和表2所示。

实施例5

本发明实施例Al-Nb-B中间合金组成重量配比（wt.%）为：铌10 wt.%，硼0.01 wt.%，其余为铝；待处理3003合金组成重量配比（wt.%）为：锰1.2 wt.%，其余为铝。

采用以下步骤制得：

（1）按配比取Al-2Nb中间合金、氟硼酸钾盐和纯铝锭作为原料；

（2）将铝块放入石墨粘土坩埚中，用中频感应电炉加热熔化至1200℃；

（3）待铝块全部熔化后，继续升温至1400℃，先将包裹在铝箔内的金属铌粉压入铝液底部，然后每次添加所需氟硼酸钾总重量的25 wt.%，添加4次，10 min后，用碳棒搅拌，除气除杂，静置20 min，合金液在1200℃左右出炉浇注成形，既得Al-10Nb-0.01B中间合金。

将此Al-10Nb-0.01B中间合金以3 wt.%的加入量加入到的3003合金中，搅拌均匀，浇铸后继续加工硬化并做退火处理，其中退火工艺为300℃下，保温2h，合金微观组织依然均为等轴晶，且晶粒尺寸依然细小，力学性能也仍然保持较高水平。所得合金的性能如表1和表2所示。

对比例1

选取与实施合金组元相同的3003合金以及相同的熔炼以及工艺作为对比例，其成分组成为：1.2 wt.%锰，其余为铝和不可避免的杂质，退火工艺为300℃下，保温12 h，不添加铌基细化剂，对比例1和实施例的各性能对比结果如表1和表2所示。结果表明，本发明的中间合金可使3003合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率得到较大提高，分别最大提高119.6%、88.3%、97.1%、112.3%。

对比例 2

选取与实施例合金组元相同的3003合金作为对比例，其成分组成为：1.2 wt.%锰，其余为铝和不可避免的杂质，且向其中加入3 wt.% Al-Ti-B中间合金作为对比例2，熔炼工艺相同，退火工艺为300℃下，保温12 h，Al-Ti-B中间合金成分为：钛5 wt.%，硼1 wt.%。对比例2和实施例的各性能对比结果如表1和表2所示。结果表明，Al-Ti-B在退火处理之后细化效果失效，而Al-Nb-B细化剂对在退火处理后细化效果依然高效显著，所以采用Al-Nb-B中间合金处理变形3003合金，可使合金获得较好的综合力学性能。

表1 本发明实施例和对比例材料的退火前性能对比

表2 本发明实施例和对比例材料的退火后性能对比

Claims (9)

1.一种铝铌硼中间合金细化剂，其特征在于，所述铝铌硼中间合金主要包含铝、铌、硼三种主要元素，中间合金细化剂的第二相呈鱼骨状分布于Al基体中。

2.根据权利要求1所述的铝铌硼中间合金细化剂，其特征在于，所述铝、铌、硼三种组分的质量百分比分别是：铌0.01 wt.%~10.00 wt.%，硼0.01 wt.%~10.00 wt.%，剩余为Al。

3.一种权利要求1或2所述铝铌硼中间合金细化剂的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

（1）将纯铝块置于中频炉中熔化并升温至1000-1300℃；

（2）熔化的铝熔体继续升温至1300-1500℃，加入包裹于铝箔中的金属铌粉或铝-铌中间合金，然后分批次加入氟硼酸钾，每隔10-15min搅拌一次，加完后继续保温至原料完全熔化；

（3）将步骤（2）制备的混合熔体静置10~30min，压入六氯乙烷精炼并扒渣，然后将混合熔体浇注成锭或连铸制成线材。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的铝箔包裹的铌粉和氟硼酸钾粉末要压入铝液底部，金属溶液不得超过感应线圈的高度。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述铝锭纯度≥99.9 wt.%。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述氟硼酸钾盐为粉末状，分批次加入，每批的量是所需氟硼酸钾总重量的10 wt.%-25 wt.%，加完后继续保温时间为5-20 min。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的六氯乙烷在烘干箱中将水分烘干；所述的搅拌采用石墨棒进行搅拌。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所用的是表面需涂刷涂料的模具和扒渣工具。

9.一种权利要求1或2所述的铝铌硼中间合金细化剂的应用，其特征在于应用于变形铝锰系合金。