CN109468479A - 一种铝-钽-碳中间合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝‑钽‑碳中间合金及其制备方法和应用，中间合金由以下重量百分比的组分组成：钽1.0%‑4.5%，碳0.3‑3.0%，其余为铝。本发明采用铝、钽、碳三种成分组成中间合金，通过合金组分的选择和含量的控制，实现对中间合金性能的良好控制。本发明中间合金成分可精确控制，制备工艺简单方便，碳吸收率高、对铝硅合金具有较好细化变质效果、无颗粒团聚和毒化副作用，产业化前景好。

Description

一种铝-钽-碳中间合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种可以细化铝合金的铝-钽-碳中间合金及其制备方法和用作铝合金细化剂的应用，属于金属材料及冶金技术领域。
背景技术
铝合金由于具有密度低、相对较高的比强度和比刚度及优良的铸造性能等优势，在汽车、航空航天等领域对减重和节能降耗特别显著，具有广阔的应用前景。铝合金中使用最广泛的Al-Si合金在实际工业生产中必须经过细化或变质处理来改善其力学性能。目前，铝合金常用的细化或变质剂有Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Sr中间合金等，上述的细化剂或变质剂对铝合金均有非常好的效果，但也存在一些问题。如Al-Sr合金相对成本较高、且Sr易烧损造成变质效果降低；Al-Ti-C中间合金存在TiC颗粒团聚，且制备过程中由于碳与铝熔体润湿性较差导致中间合金中碳吸收率较低；Al-Ti-B中间合金制备成本较低，但在部分Al合金细化变质时会由于其他元素的存在导致毒化副作用，从而降低细化变质效果。因此研发一种高质量的铝合金细化或变质剂对于开发具有良好力学性能的铝合金具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种铝-钽-碳中间合金，该中间合金碳吸收率高，对铝硅合金具有较好的细化变质效果。
本发明还提供了上述铝-钽-碳中间合金的制备方法，该方法制备工艺简单、所制备的铝-钽-碳中间合金无杂质、成分稳定易控制，便于工业化生产。
本发明还提供了上述铝-钽-碳中间合金作为铝合金细化剂的应用，其能够对铝硅合金起到很好的细化变质的作用，且无现有细化剂存在的成本高、颗粒团聚、碳化吸收率低、毒化副作用等不足，具有很好的产业化应用前景。
本发明具体技术方案如下：
一种铝-钽-碳中间合金，该中间合金由以下重量百分比的组分组成：钽1.0%-4.5%，碳0.3-3.0%，其余为铝。
进一步的，该中间合金中的物相包括α-Al、TaAl3、TaC。其中α-Al为基体，TaAl3以块状或长条状的形态分布在α-Al基体上， TaC以颗粒状的形态分布在α-Al基体上。其中，TaAl3的尺寸为40-120μm，TaC颗粒的尺寸为100-400nm。
本发明还提供了上述铝-钽-碳中间合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）选择铝粉和铝锭作为铝的原料，选择石墨粉作为碳的原料，选择氟钽酸钾作为钽的原料；
（2）将铝粉和石墨粉混合均匀，压制成块，备用；
（3）将铝锭加热熔融，得铝熔体，然后升温至800-850℃，首先将步骤（2）的铝/石墨粉压块压入铝熔体的底部，随后加入氟钽酸钾粉，搅拌进行反应15-20分钟，得合金熔体；
（4）除掉合金熔体中的液态渣，然后搅拌均匀后浇铸成型，得铝-钽-碳中间合金。
进一步的，上述步骤（1）中，铝粉和石墨粉的纯度在99.95%以上。按照中间合金中各组分的含量，称取各原料。其中铝由铝粉和铝锭提供，按照铝粉和石墨粉的体积比为1.5-2.5:1的关系称取铝粉，剩余的铝用铝锭提供。
进一步的，上述步骤（2）中，铝粉和石墨粉在急速热压炉中压制成块，压块的温度为300-350℃，保温时间为15-20分钟。所得铝/石墨粉压块大小可随意调整。本发明将铝粉与石墨粉压制成块加入熔融的铝熔体中，能够充分的抑制石墨粉在铝熔体中的漂浮，有利于碳在铝熔体中与氟钽酸钾充分的反应。
进一步的，上述步骤（3）中，铝锭在680-730℃熔融成铝熔体。熔融后控制温度至800-850℃，将铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体的底部。在加入铝/石墨粉压块后，向铝熔体中加入氟钽酸钾粉，加入铝/石墨粉压块和氟钽酸钾粉后，在800-850℃搅拌反应15-25分钟，保证碳与氟钽酸钾及铝熔体在此温度下充分的发生反应。
本发明铝-钽-碳中间合金对铝合金，尤其是铝硅合金具有很好的变质细化作用，能够对铝硅合金起到显著的细化作用，细化初晶硅和共晶硅相，对于铝硅合金力学性能的改善效果显著。因此该中间合金作为铝合金细化剂的应用也在本发明保护范围之内。
本发明采用铝、钽、碳三种成分组成中间合金，通过合金组分的选择和含量的控制，实现对中间合金性能的良好控制。本发明中间合金成分可精确控制，制备工艺简单方便，碳吸收率高、对铝硅合金具有较好细化变质效果、无颗粒团聚和毒化副作用，产业化前景好。
附图说明
图1 实施例1制备的铝-钽-碳中间合金的XRD衍射图；
图2 实施例1制备的铝-钽-碳中间合金的SEM图；
图3 实施例1制备的铝-钽-碳中间合金对铝硅合金的细化变质效果图；（a）未添加铝-钽-碳中间合金；（b）添加铝-钽-碳中间合金；
图4 对比例1制备的铝-钽-碳中间合金对铝硅合金的细化变质效果图；
图5 对比例2制备的铝-钽-碳中间合金对铝硅合金的细化变质效果图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于此，具体保护范围见权利要求。
实施例1
制备Al-1Ta-0.3C中间合金（即钽1.0wt%、碳0.3wt%），步骤如下：
1、按照中间合金的组成，称取铝粉、铝锭、石墨粉、氟钽酸钾粉作为原料，铝粉和石墨粉的纯度大于等于99.95%，铝粉和石墨粉的体积比为2:1。
2、将体积比2:1的铝粉和石墨粉（其中石墨粉6克）混合均匀，置入石墨模具中，将混合粉体在急速热压炉中升温并压成块体，压块的温度为300℃，保温时间为15分钟，所得压块为直径20mm的圆形块体。
3、在电阻炉中将称量好的2公斤铝锭放在石墨坩埚中在680-730℃加热熔化，所得铝熔体加热至830℃，将铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体底部，同时加入称量好的45克氟钽酸钾粉体，用石墨棒搅拌20分钟；待完全反应完毕，将浮于上层熔体的液态渣去除掉后，石墨棒搅拌后将熔体浇铸于模具中，即得铝-钽-碳中间合金。
图1为所得中间合金的XRD图，从图中可以看出所制备的铝钽碳中间合金物相组成为α-Al、TaAl3、TaC。图2为所得中间合金的SEM图，从图中可以看出，TaAl3为块状或长条状，尺寸为50-100μm，TaC为颗粒状，颗粒尺寸在150nm左右。
实施例2
制备Al-3Ta-1C中间合金（即钽3wt%、碳1wt%），步骤如下：
1、按照中间合金的组成，称取铝粉、铝锭、石墨粉、氟钽酸钾粉作为原料，铝粉和石墨粉的纯度大于等于99.95%，铝粉和石墨粉的体积比为2:1。
2、将体积比2:1的铝粉和石墨粉（其中石墨粉20克）混合均匀，置入石墨模具中，将混合粉体在急速热压炉中升温并压成块体，压块的温度为300℃，保温时间为15分钟，所得压块为直径40mm的圆形块体。
3、在电阻炉中将称量好的2公斤铝锭放在石墨坩埚中在680-730℃加热熔化，所得铝熔体加热至830℃，将铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体底部，同时加入称量好的130克氟钽酸钾粉体，用石墨棒搅拌20分钟；待完全反应完毕，将浮于上层熔体的液态渣去除掉后，石墨棒搅拌后将熔体浇铸于模具中，即得铝-钽-碳中间合金。所得中间合金的XRD图与图1相同，其微观形貌为：TaAl3为块状或长条状，尺寸为40-120μm，TaC为颗粒状，颗粒尺寸在110nm左右。
实施例3
制备Al-4.5Ta-3C中间合金（即钽4.5wt%、碳3wt%），步骤如下：
1、按照中间合金的组成，称取铝粉、铝锭、石墨粉、氟钽酸钾粉作为原料，铝粉和石墨粉的纯度大于等于99.95%，铝粉和石墨粉的体积比为2:1。
2、将体积比2:1的铝粉和石墨粉（其中石墨粉60克）混合均匀，平均分为5份，分别置入石墨模具中，将混合粉体在急速热压炉中升温并压成块体，压块的温度为350℃，保温时间为20分钟，所得压块为直径50mm的圆形块体。
3、在电阻炉中将称量好的2公斤铝锭放在石墨坩埚中在680-730℃加热熔化，所得铝熔体加热至830℃，将压制好的5块铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体底部，同时加入称量好的195克氟钽酸钾粉体，用石墨棒搅拌25分钟；待完全反应完毕，将浮于上层熔体的液态渣去除掉后，此时熔体相对黏稠，石墨棒搅拌后依然可将熔体完全浇铸于模具中，即得铝-钽-碳中间合金。
所得中间合金的XRD图与图1相同，其微观形貌为：TaAl3为块状或长条状，尺寸为60-120μm，TaC为颗粒状，颗粒尺寸在350nm左右。
对比例1
制备Al-5Ta-3C中间合金（即钽5.0wt%、碳3wt%），步骤如下：
1、按照中间合金的组成，称取铝粉、铝锭、石墨粉、氟钽酸钾粉作为原料，铝粉和石墨粉的纯度大于等于99.95%，铝粉和石墨粉的体积比为2:1。
2、将体积比2:1的铝粉和石墨粉（其中石墨粉65克）混合均匀，平均分为5份，分别置入石墨模具中，将混合粉体在急速热压炉中升温并压成块体，压块的温度为350℃，保温时间为20分钟，所得压块为直径50mm的圆形块体。
3、在电阻炉中将称量好的2公斤铝锭放在石墨坩埚中在680-730℃加热熔化，所得铝熔体加热至830℃，将压制好的5块铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体底部，同时加入称量好的235克氟钽酸钾粉体，用石墨棒搅拌25分钟，待完全反应完毕，此时铝熔体黏度已非常黏稠，将浮于上层熔体的液态渣去除掉后，浇铸时由于铝熔体黏度太大，流动性太差，因此浇铸并未形成良好的铝-钽-碳中间合金。
对比例2
1、按照Al-3Ta-1C中间合金的组成，称取铝锭、石墨粉、氟钽酸钾粉作为原料，石墨粉的纯度大于等于99.95%，未采用铝粉和石墨粉压块方式。
2、在电阻炉中将称量好的铝锭放在石墨坩埚中在680-730℃加热熔化，所得铝熔体加热至830℃，直接加入称量好的氟钽酸钾粉体和石墨粉，用石墨棒搅拌20分钟，发现熔体上方除了液态渣外，还漂浮有大量石墨粉，说明有相当部分的石墨粉未完全反应，导致中间合金中碳基本未参与反应，从而影响了中间合金中物相的组成，必然也会影响中间合金的变质细化效果。
分别以上述实施例和对比例得到的中间合金作为变质细化剂对铝硅合金进行细化，结果显示，实施例1-3的中间合金对铝硅合金均起到了细化作用。如图3（b）所示为使用实施例1的细化剂的铝硅合金的SEM图，从图中可以看出，与没有使用细化剂的铝硅合金图3（a）相比，铝硅合金中初晶硅和共晶硅都显著得到了细化。实施例2和3的中间合金的细化效果与实施例1类似。
图4和5为使用对比例1和2的细化剂的铝硅合金的SEM图，从图中可以看出，与没有使用细化剂的铝硅合金图3（a）相比，使用对比例1和2的细化剂的铝硅合金的微观组织基本未发生显著细化效果，说明对比例所制备的中间合金细化效果较差。

Claims (10)

1.一种铝-钽-碳中间合金，其特征是：由以下重量百分比的组分组成：钽1.0%-4.5%，碳0.3-3.0%，其余为铝。
2.根据权利要求1所述的铝-钽-碳中间合金，其特征是：中间合金的物相包括α-Al、TaAl3、TaC。
3.根据权利要求2所述的铝-钽-碳中间合金，其特征是：TaAl3以块状或长条状的形态分布在α-Al基体上，TaC以颗粒状的形态分布在α-Al基体上；优选的，TaAl3的尺寸为40-120μm，TaC的尺寸为100-400nm。
4.一种权利要求1、2或3所述的铝-钽-碳中间合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）选择铝粉和铝锭作为铝的原料，选择石墨粉作为碳的原料，选择氟钽酸钾作为钽的原料；
（2）将铝粉和石墨粉混合均匀，压制成块，备用；
（3）将铝锭加热熔融，得铝熔体，然后升温至800-850℃，将步骤（2）的铝/石墨粉压块压入铝熔体的底部，同时加入氟钽酸钾粉，搅拌进行反应，得合金熔体；
（4）反应完后，除掉合金熔体中的液态渣，然后搅拌均匀后浇铸成型，得铝-钽-碳中间合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，铝粉和石墨粉的体积比为1.5-2.5:1。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，铝粉和石墨粉在急速热压炉中压制成块，压块的温度为300-350℃，保温时间为15-20分钟。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，铝锭在680-730℃熔融。
8.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，将铝/石墨粉压块用石墨钟罩压入铝熔体的底部。
9.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，加入铝/石墨粉压块和氟钽酸钾粉后，在800-850℃搅拌反应15-30分钟。
10.权利要求1、2或3所述的铝-钽-碳中间合金作为铝合金细化剂的应用，其特征是：所述铝合金优选为铝硅合金。
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