CN110551910B - 一种铝合金复合细化、强化剂及其制备方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属金属材料领域，特指一种用于铝及铝合金的复合细化、强化剂及制备方法和装置。首先将纯铝置于熔炼炉坩埚中熔化至一定温度、使铝熔体的顶部超过坩埚中电磁循环装置的上部入口、并在坩埚顶部加入铝合金覆盖剂，将称量并经过预处理的Ti、B2O3、Zr、C粉或屑从电磁循环装置的加料口加入，然后启动电磁循环装置，经过一段时间的循环反应复合获得所需的复合细化、强化剂。本发明所制备的复合细化、强化剂，不仅具有传统Al‑Ti‑B系高效细化、Al‑Ti‑C系长效细化的特点，而且包含大量亚微米和纳米级的TiB2、ZrB2、TiC、ZrC增强体颗粒，在提高细化效果的同时，最终弥散分布于合金基体中起到弥散强化的效果。

Description

一种铝合金复合细化、强化剂及其制备方法和装置
技术领域
本发明属金属材料领域，特指一种用于铝及铝合金的铝-钛-锆-碳-硼复合细化、强化剂中间合金及制备方法和装置。
背景技术
随着铝合金在高新技术领域的应用日益增加，获得细小均匀等轴晶粒的铝合金有着广阔的市场应用前景。工业生产中，向熔体中添加晶粒细化剂是最为经济实用的细化晶粒、提高合金综合力学性能的方法。铝-钛-硼中间合金作为使用最广泛的细化剂具有长效细化的特点，可有效防止粗大的等轴晶、柱状晶及羽化晶的形成，目前全球约75％的铝及铝合金采用铝-钛-硼中间合金进行晶粒细化，但铝-钛-硼中间合金的主要反应原料为含氟化合物，在合金制备过程中产生大量的氟化物烟尘、对环境造成了极大污染。铝-钛-碳中间合金细化剂，具有细化效率高、生产绿色无污染的优点，但碳在铝液中的润湿性很差，合金化困难，成为其规模化稳定制备的瓶颈。
发明内容
本发明是针对现有铝-钛-硼细化剂制备过程中产生大量氟化物烟尘，对环境造成极大污染，铝-钛-碳细化剂制备过程中碳在铝液中的润湿性差，制备困难的不足；提出了一种绿色长效的铝合金复合细化、强化剂及其制备装置，所制备的铝-钛-锆-碳-硼复合细化、强化剂中间合金可在有效细化铝及铝合金的同时，中间合金中大量的微纳米粒子弥散于合金中，起到有效的弥散强化作用。
本发明设计的电磁循环复合一体化装置，一方面通过添加覆盖剂形成覆盖层和二级阀门的保护避免反应组元的损失，另一方面通过电磁泵的不断循环使成分均匀。
本发明采用自主设计的电磁循环复合一体化装置，装置包括熔炼炉，其特征在于，在熔炼炉一侧加设循环管道，循环管道下方拐角内放置电磁泵，循环管道上方设有一加料口，加料口内设有二级阀门。
利用上述装置制备铝合金复合细化、强化剂的方法，通过以下具体步骤进行：
(1)将铝基材料放入电磁循环一体化装置中并加热至一定温度使铝基材料熔化，然后加入铝合金覆盖剂形成覆盖层；
(2)加料口中设有两级阀门，打开一级阀门，将经过预处理的Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑加入加料口，关闭一级阀门，打开二级阀门，经过预处理的Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑落入循环管道内；
(3)打开电磁泵使金属熔体通过循环管道循环流动，通过循环管道循环流动，将Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑带入铝合金熔体中进行反应复合，循环一段时间待反应结束后、关闭加热、关闭电磁泵，扒渣、精炼，待熔体冷却至一定温度后浇铸成型。
所述的一种铝合金复合细化、强化剂主要指铝-钛-锆-碳-硼中间合金,各组分的质量百分比分别为：铝85.00％～94.50％，钛2.50％～8.50％，锆2.00％～3.00％，碳0.50％～1.50％，硼0.50％～3.50％。
所述的电磁循环复合一体化装置是在常用的熔炼炉的基础上改良设计的新型熔炼炉，主要是在炉子的侧面加入一个带有电磁泵和加料口的循环管道。
所述的铝基材料一般采用纯铝。
所述的步骤(1)中的一定温度指的是850～1200℃。
所述的步骤(1)中的覆盖剂是含有适量冰晶石的常规铝合金熔炼覆盖剂，市售，的目的是隔绝熔体与空气接触。
所述的步骤(2)中的两级阀门如图1所示的部件4所示、为双层结构，通过不同时段打开阀门，达到避免Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑在进入熔体时与空气接触。
所述的步骤(2)中的预处理是指将Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑放置在200℃烘干2h。
所述的步骤(2)中Ti、B2O3、Zr、C粉末和屑的比例为2.7％～9.1％的海绵钛、2％～3％的锆屑、0.50％～1.50％的石墨粉、3.2％～22.0％的氧化硼粉，比例是指该成分占铝基材料的质量百分比。
所述的步骤(3)中的循环一段时间是指20～30分钟。
所述的步骤(3)中的冷却至一定温度是指720℃～800℃。
所述的循环管道采用高纯石墨制作。
本发明采用无氟原料避免了现有铝-钛-硼细化剂制备过程中产生的大量氟化物烟尘对环境造成的污染。然而纯的钛粉容易被氧化，碳粉与铝液浸润差，铝液与空气接触极易产生氧化膜使其粉体加入困难，因此本发明设计了铝熔体的电磁内循环复合制备装置以实现无污染、无空气接触制备绿色、长效“铝-钛-锆-碳-硼”复合细化、强化剂。
本发明所制备的复合细化、强化剂，不仅具有传统Al-Ti-B系高效细化、Al-Ti-C系长效细化的特点，而且包含大量亚微米和纳米级的TiB2、ZrB2、TiC、ZrC增强体颗粒，在提高细化效果的同时，最终弥散分布于合金基体中起到弥散强化的效果
附图说明
图1为本发明的电磁循环复合一体化装置示意图：1加热气体入口，2覆盖层，3加料口，4二级阀门，5循环管道，6电磁泵，7熔炼炉，8排出口。
图2为通过加入本发明制备Al-3Ti-3Zr-1B-1C细化强化剂的XRD图。
图3为通过本发明制备Al-3Ti-3Zr-1B-1C细化强化剂的SEM组织图。
图4为添加不同细化剂6016合金的宏观组织：(a)细化前，(b)添加Al-5Ti-1B，(c)添加Al-5Ti-1C，(d)添加Al-3Ti-3Zr-1B-1C。
具体实施方式
具体实施示例1
基于设计的电磁内循环复合制备装置，首先将500Kg纯铝置于熔炼炉的坩埚中并熔化至870℃，使铝熔体顶部超过坩埚中电磁循环装置的上部出口口并在坩埚顶部加入铝合金覆盖剂，然后启动电磁循环装置。将经过200℃、2小时烘干的15Kg Ti、15Kg Zr、16.1KgB2O3、5Kg C粉末或屑(分别占整个复合细化强化剂总质量的3％、3％、3.2％和1％)从电磁循环装置的加料口加入并循环20～30分钟，后冷却至720℃，浇铸获得Al-3Ti-3Zr-1B-1C复合细化强化剂锭材。在熔炼6016过程中加入质量分数为0.3％的Al-3Ti-3Zr-1B-1C复合细化强化剂，可使合金的组织细化、强塑性有效提高。与未细化强化的6016合金相比，细化强化的6016合金经过530℃固溶1h+175℃时效8h，抗拉强度位384MPa，屈服强度为310MPa，延伸率为15％，分别较基体提高83％，72％和17％，晶粒平均尺寸为43.5μm，为未细化基体晶粒尺寸的1/5。
图2为通过加入本发明制备Al-3Ti-3Zr-1B-1C细化强化剂的XRD图，图3为通过本发明制备Al-3Ti-3Zr-1B-1C细化强化剂的SEM图，表明细化强化剂中包含大量的亚微米或纳米级的TiB2、ZrB2、TiC、ZrC，可有效细化合金基体的同时，最终弥散分布于合金基体中，起到纳米弥散强化的效果。
图4为添加不同细化强化剂的6016合金的宏观组织：(a)细化前，(b)添加Al-5Ti-1B，(c)添加Al-5Ti-1C，(d)添加Al-3Ti-3Zr-1B-1C，表明本发明制备细化强化剂可有效细化6016铝合金的晶粒并提高合金的强韧性。
具体实施示例2
基于设计的电磁内循环复合制备装置，首先将约450Kg的纯铝置于熔炼炉的坩埚中并熔化至900℃，使铝熔体顶部超过坩埚中电磁循环装置的上部入口并在坩埚顶部加入铝合金覆盖剂，然后启动电磁循环装置。将经过200℃、2小时烘干的10Kg Ti、20Kg Zr、21KgB2O3、5Kg C粉末或屑(分别占整个复合细化强化剂总质量的2％、4％、4.2％和1％)从电磁循环装置的加料口加入并循环20～30分钟，后冷却至720℃，浇铸获得Al-2Ti-4Zr-1B-1C复合细化强化剂锭材。在熔炼6082过程中加入质量分数为0.3％的Al-2Ti-4Zr-1B-1C复合细化、强化剂，可使合金的组织细化、强塑性有效提高。与未细化的6082合金相比，细化的6082合金经过560℃固溶2h+165℃时效18h，抗拉强度为412MPa，屈服强度为330MPa，延伸率为13％，分别较基体提高了96％，83％和47％，晶粒平均尺寸为38.5μm，为未细化基体晶粒尺寸的1/6。
具体实施示例3
基于设计的电磁内循环复合制备装置，首先将约400Kg纯铝置于熔炼炉的坩埚中并熔化至850℃，使铝熔体顶部超过坩埚中电磁循环装置的上部入口并在坩埚顶部加入铝合金覆盖剂，然后启动电磁循环装置。将经过200℃、2小时烘干的15Kg Ti、25Kg Zr、31KgB2O3、5KgC粉末或屑(分别占整个复合细化强化剂总质量的3％、5％、6.1％和1％)从电磁循环装置的加料口加入并循环20～30分钟，后冷却至720℃，浇铸获得Al-3Ti-5Zr-2B-1C复合细化、强化剂锭。在熔炼6063过程中加入质量分数为0.3％的Al-3Ti-5Zr-2B-1C复合细化、强化剂，可使合金的组织细化、强塑性有效提高。与未细化的6063合金相比，细化的6063合金经过540℃固溶1h+165℃时效10h，抗拉强度为430MPa，屈服强度为345，延伸率为12％，分别较基体提高了105％，92％和12％，晶粒平均尺寸为30.8μm，为未细化基体晶粒尺寸的1/8。
具体实施示例4
基于设计的电磁内循环复合制备装置，首先将约450Kg纯铝置于熔炼炉的坩埚中并熔化至850℃，使铝熔体顶部超过坩埚中电磁循环装置的上部入口并在坩埚顶部加入铝合金覆盖剂，然后启动电磁循环装置。将经过200℃、3小时烘干的20Kg Ti、15Kg Zr、31KgB2O3、5KgC粉末或屑(分别占整个复合细化强化剂总质量的4％、3％、6.1％和1％)从电磁循环装置的加料口加入并循环20～30分钟，后冷却至720℃，浇铸获得Al-4Ti-3Zr-2B-1C复合细化、强化剂锭。在熔炼7055过程中加入质量分数为0.3％的Al-4Ti-3Zr-2B-1C复合细化、强化剂，可使合金的组织细化、强塑性有效提高。与未细化的7055合金相比，细化的7055合金经过450℃固溶3h+120℃时效24h，抗拉强度位464MPa，屈服强度353MPa，延伸率为10％，分别较基体提高了121％，96％和14％，晶粒平均尺寸为30.5μm，为未细化基体晶粒尺寸的71％。

Claims (7)

1.一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，所述铝合金复合细化、强化剂指铝-钛-锆-碳-硼中间合金，各组分的质量百分比分别为：铝85.00％～94.50％，钛2.50％～8.50％，锆2.00％～3.00％，碳0.50％～1.50％，硼0.50％～3.50％；采用电磁循环复合一体化装置制备，装置包括熔炼炉，在熔炼炉一侧加设高纯石墨制作的循环管道，循环管道下方拐角内放置电磁泵，循环管道上方设有一加料口，加料口内设有二级阀门，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将铝基材料放入电磁循环一体化装置中并加热至一定温度使铝基材料熔化，然后加入铝合金覆盖剂形成覆盖层；
(2)加料口中设有两级阀门，打开一级阀门，将经过预处理的Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑加入加料口，关闭一级阀门，打开二级阀门，经过预处理的Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑落入循环管道内；
(3)打开电磁泵使金属熔体通过循环管道循环流动，通过循环管道循环流动，将Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑带入铝合金熔体中进行反应复合，循环一段时间待反应结束后、关闭加热、关闭电磁泵，扒渣、精炼，待熔体冷却至一定温度后浇铸成型。
2.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的一定温度指的是850～1200℃。
3.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的两级阀门为双层结构，通过不同时段打开阀门，达到避免Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑在进入熔体时与空气接触。
4.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的预处理是指将Ti、B2O3、Zr、C粉末或屑放置在200℃烘干2h。
5.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中Ti、B2O3、Zr、C粉末和屑的比例为2.7％～9.1％的海绵钛、2％～3％的锆屑、0.50％～1.50％的石墨粉、3.2％～22.0％的氧化硼粉，比例是指该成分占铝基材料的质量百分比。
6.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的循环一段时间是指20～30分钟。
7.如权利要求1所述的一种制备铝合金复合细化、强化剂的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的冷却至一定温度是指720℃～800℃。
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