CN109487147A - 一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法 - Google Patents

一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法，该方法先将复合变质剂的各元素高纯金属块进行粉碎清洗后，再按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则来配比复合变质剂中各元素成分的质量百分比，最后采用氩气保护电弧熔炼的方式辅以热处理手段制备得到用于因瓦合金的复合变质剂。该制备方法操作简单、工艺流程简洁，并且在制备的整个流程中不会产生对环境产生有害的烟尘及废料。该方法制备的复合变质剂在因瓦合金冶炼的过程中可以在基体中均匀分布，发挥更大程度的细化及强化作用。

Description

一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法
技术领域
本发明是涉及一种应用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法，具体涉及可使因瓦合金的力学性能及物理性能(如强度、冲击韧性、耐蚀性等)提高的复合变质剂制备方法，该制备方法也可应用于新型因瓦合金的开发、因瓦合金焊材的开发以及其他复合变质剂的开发。
背景技术
因瓦合金自1986年被发现以来，由于其反常的热膨胀性能一直成为世界各国研究学者所热衷的研究对象。正是由于因瓦合金特殊的因瓦效应及磁性能，其被广泛应用于电视荫罩、精密测量仪器、航空航天、LNG运输船等工业的制造。因瓦合金流动性差，焊接或传统铸造中极易造成组织粗大，影响性能。而且，因瓦合金碳含量非常少，因而其硬度不高，而其单一的奥氏体组织又限制了传统热处理强化手段的应用。另外，因瓦合金的耐蚀性非常差，极易生锈，这些弊端严重制约了因瓦合金的应用价值。
细晶强化是因瓦合金最佳的强化手段，通过向因瓦合金中添加复合变质剂，可以析出高熔点硬质相作为有效的异质形核核心或析出强化相钉扎晶界阻碍晶粒的长大，从而达到细晶强化的目的，而变质剂的选择、制备及添加方式会影响变质剂在合金中的分布状态，从而影响着细化及强化的效果。目前，对于因瓦合金复合变质剂的制备缺乏研究。现有研究中，因瓦合金变质剂的添加大多以单一合金元素单独添加的方式，在实际的铸造生产中，即使是多种合金元素的添加也基本以机械混合的形式添加。这种添加方式会影响变质剂在合金中分布的均匀性，不均匀的分布会限制变质剂细化作用，甚至会造成成分偏析从而对合金性能造成不良影响。
传统上的复合变质剂制备的方法大多就是浇注熔炼，这种方法存在元素氧化严重、成分不均匀、工序繁琐以及材料浪费严重等问题，也有学者通过粉末混合再熔炼浇注的方法改善了复合变质剂成分不均匀的问题，但其对原材料的形态要求高，要达到一定的粒度，而且制备工艺也相当的繁琐，再有就是采用造粉喷涂这种物理包覆的方法制备变质剂，但此方法对原材料粒度要求也比较高，而且制备上也是相当繁琐。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的为从成分设计以及其制备工艺的角度设计一种提高因瓦合金组织性能的复合变质剂的制备方法。该制备方法操作简单、工艺流程简洁，并且在制备的整个流程中不会产生对环境产生有害的烟尘及废料。该方法制备的复合变质剂在因瓦合金冶炼的过程中可以在基体中均匀分布，发挥更大程度的细化及强化作用。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案为：提供一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法，该方法先将复合变质剂的各元素高纯金属块进行粉碎清洗后，再按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则来配比复合变质剂中各元素成分的质量百分比，最后采用氩气保护电弧熔炼的方式辅以热处理手段制备得到用于因瓦合金的复合变质剂。
具体步骤为：
(1)机械粉碎与清洗
将选用于复合变质剂的各元素高纯金属块分别先进行机械打磨以去除表面氧化膜，然后机械粉碎至能剪取的薄片或小金属块，接着分别进行酸洗及酒精超声清洗各10分钟，最后在干燥箱中烘干；
(2)配比称量与机械混合
按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则，以质量百分比为：Ti:Nb为8:92、Ti:Ni为15:85或Ti:Co为15:85的比重分别称量Ti和Nb高纯金属、Ti和Ni高纯金属或Ti和Co高纯金属，然后将上述两种高纯金属进行机械混合；
(3)电弧熔炼：利用氩气保护并带有循环冷却水冷却的电弧熔炼炉将步骤(2)混合后的高纯金属进行熔炼，具体步骤为：先以氩气气流量4～5L/min对熔炼炉通气2～5min以排除里面空气；然后放入需要熔炼的金属配料进行电弧熔炼，熔炼电压为155±5V，氩气气流量为10～15L/min，每个熔炼试样要正反各熔炼一次，每次的熔炼时间为15±2s，熔炼后电弧熄灭并静止2min，在氩气氛围下凝固成型后取出，得到熔炼后的合金试样；
(4)热处理
将熔炼后的合金试样进行900℃×48h的热处理，然后进行表面打磨与清洗，得到作为用于因瓦合金的复合变质剂。
本发明还保护上述复合变质剂的应用，该复合变质剂应用于因瓦合金中，将上述复合变质剂添加到因瓦合金中，复合变质剂添加质量为因瓦合金质量的0.1～0.8％，将称量好的复合变质剂通过电弧熔炼的方式加入到因瓦合金中。
所述因瓦合金原材料的成分质量百分比为：Ni：36.02％，Mn：0.031％，Al：0.02％，C：0.006％，Si：0.01％，S：0.002％，P：0.007％，Fe；余量。
优选，复合变质剂添加质量为因瓦合金质量的0.2～0.5％。
本发明与现有技术相比有以下优点：
本发明用于因瓦合金的复合变质剂的制造工艺及流程简单，制备过程不会对环境造成污染，制备的复合变质剂几乎没有氧化烧损且成分均匀。相较变质剂单一添加及多种变质剂机械混合添加，采用本发明制备变质剂的方法所制备的复合变质剂在因瓦合金熔炼过程中能够更为均匀的分散在因瓦合金基体中，更容易生成高熔点的硬质核心作为有效的异质形核的核心(如MC型碳化物)，以及在亚结构胞壁处及奥氏体晶粒晶界处析出更多的更为弥散均匀分布的强化相(如γ'-Ni3(Ti,Al)、γ”-Ni3Nb)钉扎晶界阻碍晶界长大，相较单独添加的会更均匀的分散，达到更好的细化强化效果，因而细化晶粒的效果更为明显。另外，Ti、Co或Ni元素的有效添加提高了因瓦合金的耐蚀性能。利用该发明制备的的复合变质剂使用方便、高效，性能提高效果显著。
本发明的显著进步是：
1、本发明通过氩气保护电弧熔炼制备用于因瓦合金复合变质剂方法对原材料形态没有要求，普通切割就行，制备上非常简单且有效。在氩气保护下复合变质剂即可直接凝固成型了，防止了合金元素的氧化烧损。合金元素的配比是按造与因瓦合金密度相近的原则配比，通过该原则制备的复合变质剂在应用中变质剂会更加均匀地分散在因瓦合金基体中，达到更好的细化及强化效果。
2、通过该发明制备的用于因瓦合金的复合变质剂在细化强化效果上优势非常明显，变质剂的利用率更高。通过向因瓦合金分别添加利用本发明制备的0.2％Ti-Nb、0.2％Ti-Ni或0.2％Ti-Co复合变质剂，奥氏体晶粒及亚结构得到了非常明显的细化效果：奥氏体晶粒平均尺寸分别约为101μm、119μm及150μm，相较平均晶粒尺寸为185μm的未添加变质剂的因瓦合金分别细化了45％、38％及15％；添加0.2％Ti-Nb、0.2％Ti-Ni或0.2％Ti-Co复合变质剂的三种因瓦合金的胞状亚结构平均尺寸分别约为8μm、14μm及19μm，相较亚结构平均尺寸为35μm的未添加变质剂的因瓦合金分别细化了77％、60％及46％。另外，添加复合变质剂的因瓦合金相较单一添加0.2％Ti、0.2％Nb或0.2％Co的因瓦合金(添加0.2％Ti、0.2％Nb或0.2％Co单一变质剂的因瓦合金的奥氏体晶粒尺寸分别为210μm、215μm及165μm，胞状亚结构的平均尺寸分别为29μm、27μm及22μm)细化效果要更加明显、组织要更加均匀。
3、通过向因瓦合金分别添加利用本发明制备的0.2％Ti-Nb、0.2％Ti-Ni及0.2％Ti-Co复合变质剂后，其耐蚀性能得到一定的提高。
4、需要指出，本发明用于因瓦合金复合变质剂的制备方法不仅仅能应用于探索因瓦合金的复合变质剂，还可以应用于新型因瓦合金的开发(类似Fe-Ni-Co型、Fe-Ni-Cr型因瓦合金的开发)、因瓦合金焊材的开发以及其他合金变质剂的开发。本发明还保护Ti-Nb、Ti-Ni、Ti-Co变质剂的开发与在因瓦合金中的应用。
附图说明
图1：实施例1制备因瓦合金的奥氏体晶粒金相图；
图2：实施例1制备因瓦合金的胞状亚结构金相图；
图3：实施例1、实施例2、实施例3及对比例1的塔菲尔曲线图。
具体实施方式
以下通过结合具体的实施例及附图对本发明做进一步的阐述。
本发明用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法，该方法先将复合变质剂的各元素高纯金属块进行粉碎清洗后，再按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则来配比复合变质剂中各元素成分的质量百分比，最后采用氩气保护电弧熔炼的方式辅以热处理手段制备得到用于因瓦合金的复合变质剂。
选择复合变质剂原材料上选用纯度99.99％的电解镍、99.99％的钴片、99.999％的高纯钛以及99.999％的高纯铌。该方法的具体步骤为：
(1)机械粉碎与清洗
将选用于复合变质剂的各元素高纯金属块分别先进行机械打磨以去除表面氧化膜，然后机械粉碎至能剪取的薄片或小金属块，接着分别进行酸洗及酒精超声清洗各10分钟，最后在干燥箱中烘干；
(2)配比称量与机械混合
按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则，以质量百分比为：Ti:Nb为8:92、Ti:Ni为15:85或Ti:Co为15:85的比重分别称量Ti和Nb高纯金属、Ti和Ni高纯金属或Ti和Co高纯金属，然后将上述两种合金的高纯金属进行机械混合；复合变质剂的总重量可根据熔炼量确定；
(3)电弧熔炼：利用氩气保护并带有循环冷却水冷却的电弧熔炼炉将步骤(2)混合后的高纯金属进行熔炼，具体步骤为：先以氩气气流量4～5L/min对熔炼炉通气2～5min以排除里面空气；然后放入需要熔炼的金属配料进行电弧熔炼，熔炼电压为155±5V，氩气气流量为10～15L/min，每个熔炼试样要正反各熔炼一次，每次的熔炼时间为15±2s，熔炼后电弧熄灭并静止2min，在氩气氛围下凝固成型后取出，得到熔炼后的合金试样；
(4)热处理
将熔炼后的合金试样进行900℃×48h的热处理，然后进行表面打磨与清洗，得到作为用于因瓦合金的复合变质剂。
实施例1
本实施例制备Ti-Nb复合变质剂，具体步骤如下：
(1)机械粉碎与清洗
将99.999％的高纯钛以及99.999％的高纯铌金属块分别先进行机械打磨以去除表面氧化膜，然后机械粉碎至可以轻松剪取的薄片，随后分别进行酸洗及酒精超声清洗各10分钟，最后在干燥箱中烘干。
(2)配比称量与机械混合
按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则，分别称量质量百分比为：Ti:Nb为8:92的Ti和Nb的金属块，总共重15g，并进行机械混合至相对均匀即可。
(3)电弧熔炼
利用氩气保护并带有循环冷却水冷却的小型电弧熔炼炉(熔炼炉的容量为10～25g)进行Ti-Nb的熔炼。熔炼前先对熔炼炉通气2～5min以排除里面空气，氩气气流量为4～5L/min，然后放入需要熔炼的金属配料进行电弧熔炼，熔炼电压为155±5V，氩气气流量为10～15L/min，每个熔炼试样要正反各熔炼一次，熔炼时间均为15±2s，熔炼后电弧熄灭并静止2min，在氩气氛围下凝固成型后取出。
(4)热处理
将熔炼的合金试样进行900±10℃×48h的热处理，然后进行表面打磨与清洗，最终作为用于因瓦合金的Ti-Nb复合变质剂。
本实施例将制备的Ti-Nb复合变质剂添加到因瓦合金中，Ti-Nb复合变质剂添加质量为因瓦合金质量的0.2％，所用到的因瓦合金原材料的成分质量百分比为：Ni：36.02％，Mn：0.031％，Al：0.02％，C：0.006％，Si：0.01％，S：0.002％，P：0.007％，Fe；余量。
将称量好的Ti-Nb复合变质剂通过电弧熔炼的手段加入到因瓦合金中，具体的熔炼方法和工艺与步骤(3)中熔炼复合变质剂工艺参数与熔炼方法一样。
对制备好的添加0.2％wtTi-Nb的因瓦合金进行金相组织观察以及塔菲尔曲线的测定。金相组织观察试样的取样位置为距离熔炼后因瓦合金底部2mm处的横截面。塔菲尔曲线测定的试样取样位置为紧挨金相观察取样位置以上的部位，其中用于塔菲尔曲线测试的试样为10mm×10mm×2mm的长方体，测试面积为10mm×10mm,其余非测试面用树脂密封，在3.5％NaCl溶液中测试，测试范围为-1V～0.1V，扫描速率为10mV/s。
实施例2—3
实施例2—3以质量百分比为：Ti:Ni为15:85或Ti:Co为15:85分别制备Ti-Ni和Ti-Co复合变质剂。添加0.2wt％Ti-Ni和0.2wt％Ti-Co复合变质剂的因瓦合金，制备方法和熔炼参数与实施例1中的制备方法及工艺参数相同，金相观察位置以及塔菲尔曲线测试试样的制备及测试参数与实施例1相同。
对比例1—4
本对比例是为制备对比对象，制备添加不同其他变质剂的因瓦合金，变质剂的添加含量为0.2％(质量百分比)，所用到的因瓦合金原材料的成分质量百分比为：Ni：36.02％，Mn：0.031％，Al：0.02％，C：0.006％，Si：0.01％，S：0.002％，P：0.007％，Fe；余量，制备方法与实施例1的制备方法与熔炼参数相同，唯一的不同即为添加的变质剂种类不同，各对比例中因瓦合金变质剂的添加种类及各成分质量百分比参见表1。对比例1—4金相观察位置以及对比例1塔菲尔曲线测试试样的制备及测试参数与实施例1相同。
表1各对比例中成分质量百分比(wt％)
实施例1—3与对比例1—4的平均奥氏体晶粒尺寸、胞状亚结构平均尺寸，以及实施例1—3与对比例1的腐蚀电流、腐蚀电位及钝化电位如表2所示。
表2
*注：-表示未测试
由表2可以看出加入变质剂后的因瓦合金与未添加变质剂的因瓦合金相比，胞状亚结构都得到了相应的细化，但添加0.2％Ti和0.2％Nb的因瓦合金奥氏体晶粒变的粗大。其中，添加利用本发明的制备的复合变质的因瓦合金晶粒及亚结构都得到细化，而且不管是与未添加变质剂的因瓦合金相比还是与单一添加变质剂的因瓦合金相比，其组织细化更为明显，组织更为均匀。另外，通过测试添加复合变质剂及未添加变质剂的因瓦合金的塔菲尔曲线分析可得，添加复合变质剂的因瓦合金腐蚀电流变小，并出现钝化电位，表明其耐蚀性能得到了提高。
实施例4
本实施例制备Ti-Nb-Ni复合变质剂，制备方法同实施例1，三种元素的质量百分比保证混合后与因瓦合金的密度相匹配。
实施例5
本实施例将实施例1的复合变质剂应用于因瓦合金的制备中，复合变质剂的添加量为因瓦合金质量的0.5％。
以上所述仅为本发明的具体实施例及对比例，但此发明并不仅局限于前述的具体实施方式和因瓦合金中，凡参照本发明申请所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明所保护范围，以及添加Ti-Nb、Ti-Co或Ti-Ni复合变质剂的因瓦合金的开发与应用也是属于本发明的一部分，且此复合变质剂的开发与应用也不只局限于因瓦合金当中，凡参照此复合变质剂申请所做的均等变化与修饰，也应属于本发明所保护范围。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种用于因瓦合金的复合变质剂的制备方法，其特征在于，该方法先将复合变质剂的各元素高纯金属块进行粉碎清洗后，再按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则来配比复合变质剂中各元素成分的质量百分比，最后采用氩气保护电弧熔炼的方式辅以热处理手段制备得到用于因瓦合金的复合变质剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合变质剂为Ti-Nb复合变质剂、Ti-Ni复合变质剂或Ti-Co复合变质剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
(1)机械粉碎与清洗
将选用于复合变质剂的各元素高纯金属块分别先进行机械打磨以去除表面氧化膜，然后机械粉碎至能剪取的薄片或小金属块，接着分别进行酸洗及酒精超声清洗各10分钟，最后在干燥箱中烘干；
(2)配比称量与机械混合
按照复合变质剂与因瓦合金密度相近的原则，以质量百分比为：Ti:Nb为8:92、Ti:Ni为15:85或Ti:Co为15:85的比重分别称量Ti和Nb高纯金属、Ti和Ni高纯金属或Ti和Co高纯金属，然后将上述两种高纯金属进行机械混合；
(3)电弧熔炼：利用氩气保护并带有循环冷却水冷却的电弧熔炼炉将步骤(2)混合后的高纯金属进行熔炼，具体步骤为：先以氩气气流量4～5L/min对熔炼炉通气2～5min以排除里面空气；然后放入需要熔炼的金属配料进行电弧熔炼，熔炼电压为155±5V，氩气气流量为10～15L/min，每个熔炼试样要正反各熔炼一次，每次的熔炼时间为15±2s，熔炼后电弧熄灭并静止2min，在氩气氛围下凝固成型后取出，得到熔炼后的合金试样；
(4)热处理
将熔炼后的合金试样进行900℃×48h的热处理，然后进行表面打磨与清洗，得到作为用于因瓦合金的复合变质剂。
4.一种权利要求1-3任一所述的复合变质剂的应用，该复合变质剂应用于因瓦合金中，将上述复合变质剂添加到因瓦合金中，复合变质剂添加质量为因瓦合金质量的0.1～0.8％，将称量好的复合变质剂通过电弧熔炼的方式加入到因瓦合金中。
5.根据权利要求4所述复合变质剂的应用，其特征在于，所述因瓦合金原材料的成分质量百分比为：Ni：36.02％，Mn：0.031％，Al：0.02％，C：0.006％，Si：0.01％，S：0.002％，P：0.007％，Fe；余量。
6.根据权利要求4所述复合变质剂的应用，其特征在于，复合变质剂添加质量为因瓦合金质量的0.2～0.5％。
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