CN111515406B - 一种铝铁合金制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝铁合金制备工艺，将铝这一主要组份中的一部分或是铝和铁这两个主要组份中的一部分制成铝棒，小组分与剩余的铝或是铝铁混合与制成的铝棒一同浇筑成合金棒。在利用高频感应加热，在合金棒底端形成液滴。铝棒内有轴向通孔，在形成液滴的同时，向液滴内或是液滴上吹气。吹气的位置在真空的收集罐中，气体在真空环境下，会膨胀，将液滴爆开，形成均匀的金属粉末颗粒。最后利用组份已经基本均匀的合金粉末颗粒，二次熔炼。二次熔炼，由于组份以经基本均匀，搅拌更充分，成品率高，且质量稳定。每个环节都可控性更强，及时是调整参数或是组份，设备的适应更快。更有利于生产高品质产品。

Description

一种铝铁合金制备工艺
技术领域
本发明涉及铝铁合金的冶炼工艺，尤其涉及铝铁合金分次熔炼粉末冶金成型的工艺。
背景技术
第一部分，粉末冶金时，将大小组份金属都在同一个容器中熔融之后，进行搅拌，尽可能使各组分混合均匀，并避免明显偏析情况的发生。
第二部分，粉末冶金的具体工艺就是融化后搅拌，搅拌后将金属熔液制成金属粉末，再将粉末熔压制成所需的金属块或其它形状。
但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
合金中多有一些小组分金属，1-5的组份，或是多个小组分金属。但是铝的总量很大，为了提高合金组份的稳定性，通常单次熔炼的量较大。这样，单次熔炼量较大，要保证组份均匀就比较困难，偏析的情况常常发生。往往就需要长时间的融化和搅拌。而且所有的组份在一起融化，对于熔炼来说，就有多个维度需要控制，组份的均匀，避免偏析，熔体温度等等，对最终品质有影响的指标都需要考虑，需要综合考虑，往往最后的选择是妥协的结果。最终产品的可控性非常低。
大量的金属熔液，后续要进行雾化，雾化的过程相对较慢，此时需要精细的控制金属熔液的均匀性，温度和搅拌要始终保持金属组份的一致性。但是，金属熔液逐渐减少，加热设备和搅拌设备的控制需要不断的调整，提高了生产的难度，设备的损耗加重。
此外，粉末冶金时使用的气雾化设备如果使用专用于粉末冶金或是3D打印使用的金属粉末雾化设备，则气流流速高，设备精密，生产成本很高，对于原材料生产厂商来说并不适用。因此，使用的雾化设备，通常仅仅是把金属液滴吹散，但是金属粉末颗粒有较多的大颗粒，非常不均匀，对后续的熔压制成块状或是其他形状时就非常不利。其内部空气多，不易排出，加热有可能产生氧化。融化时间和所需的压力也要加长，成本升高。
发明内容
本申请实施例通过提供一种铝铁合金制备工艺，解决了现有技术中独权能解决的技术问题，降低了对每个生产环节的要求，可控性更高，提高产品质量的稳定性和成品率。
本申请实施例提供了一种铝铁合金制备工艺，包括以下步骤，
1)铝棒制备
计算单次粉末冶金所需铝用量，使用所有铝组份的50-100％，融化后金属熔液60-70％浇铸成圆柱状，其内带有同轴通孔，同轴通孔的直径0.5-1.5mm；
2)小组分熔炼
将合金中除铝以外的组份以及步骤1)中未制成铝棒剩余的铝，在坩埚中融化，高于熔点温度10-50摄氏度，电磁搅拌10-20min；
3)合金棒制备
铝棒放入合金浇铸模具中，合金浇铸模具内腔为圆柱形与铝棒同轴，铝棒外圆柱面与模具之间形成的空间用于浇铸步骤2)中的小组分金属熔液；
浇铸完小组分金属熔液后，将形成的带有合金层的铝棒放入新的模具中，在其外将步骤1中剩余的金属熔液在合金层外浇铸第二层铝层；
4)合金棒粉末制备
使用一个输送箱，底端开口与收集罐顶端密封连通，连通处固定一个密封板，密封板中心开通孔，通孔直径比合金棒直径大2-3mm；
将合金棒夹持在输送辊组上，并使合金棒匀速向下移动，合金棒与密封板中心的通孔同轴；
合金棒内的同轴通孔顶端与连接管连通，连接管另一端与软管连通，软管另一端伸出输送箱与惰性气体气源连通；
收集罐顶部固定第二感应加热环，第二感应加热环快速将合金棒内外熔融，形成液滴；
通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，气体流速30-180m/s,进气量为已经形成的熔液体积的1-5倍；
收集罐内气压始终保持在为0.1-0.3个大气压；
5)二次熔炼
将步骤4)获得的母合金粉末，熔融保持熔点以上10-20摄氏度，电磁搅拌5-15min后浇铸成型。
优选的，所述合金棒的直径在3-8cm，所述合金层的厚度为0.4-1.5cm；
位于最外的铝层厚度是合金层厚度的0.6-1.2倍。
进一步的，所述步骤4)输送箱底部固定第一感应加热环，当合金棒行进进入第一感应加热环内时，对合金棒进行预加热至600摄氏度，并通过密封板进入收集罐内。
进一步的，所述步骤1)中，当铁组份占比超过35％时，则将所有铁组份的30-60％与铝一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份，且铝在小组分熔炼中占比11-24％。
进一步的，合金中铁组份占比37％，所述步骤1)中将铁组份的33％与铝组份的86％一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份和14％的铝组份以及其它组份一同熔炼。
进一步的，步骤4)中，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/4-3/4时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的1-5倍，气流流速50-180m/s；
进一步的，所述合金棒底端为倒锥台形，锥角70-150度。
进一步的，所述合金棒底端为倒锥台形，锥角112度，所述步骤4)中进气气流流速58m/s，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/3时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的2.2倍。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用了二次熔炼以及真空爆气雾化，每个环节所要完成的指标不同，更容易控制，进而实现了合金生产各个环节指标可控，最终品质可控的效果。
2、二次熔炼，小组分更容易充分均匀分布，相比于在大组份中直接搅拌小组分分布更均匀。
3、真空爆气，在真空环境中充气，利用真空环境将金属熔液爆开，金属粉末颗粒形貌和粒径更均匀。
4、最后的熔炼，在金属粉已经基本均匀的情况下只需要短时间的熔炼和搅拌，即可完成。组份均匀，几无偏析发生。
附图说明
图1为本申请生产设备结构示意图。
图2为合金棒浇筑示意图。
图中，输送箱10、连接管11、软管12、绕筒13、输送辊组14、合金棒20、第一感应加热环30、第二感应加热环40、收集罐50、挡环51、抽气管52.
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了避免由于小组分搅拌不均，也不容易搅拌充分、雾化后金属粉颗粒粒径不均，大颗粒多，熔炼环节和雾化环节可控程度较低，成品率不高，或是很难生产出优质品。
将铝这一主要组份中的一部分或是铝和铁这两个主要组份中的一部分制成铝棒，小组分与剩余的铝或是铝铁混合与制成的铝棒一同浇筑成合金棒，其中小组分在中间，铝在内外两侧，形成三层的合金棒。再利用高频感应加热，在合金棒底端形成液滴。铝棒内有轴向通孔，在形成液滴的同时，向液滴内或是液滴上吹气。吹气的位置在真空的收集罐中，气体在真空环境下，会膨胀，将液滴爆开，形成均匀的金属粉末颗粒。最后利用组份已经基本均匀的合金粉末颗粒，二次熔炼。二次熔炼，由于组份以经基本均匀，搅拌更充分，成品率高，且质量稳定。每个环节都可控性更强，及时是调整参数或是组份，设备的适应更快。更有利于生产高品质产品。
尤其是小组分如炭、硅等少量或是微量的组份在小组分熔炼时由于总量很少，少量和微量组份更容易均匀分布。经过合金棒的融化和粉末化后，与大组份的铝或是铝铁均匀粘附或是形成熔体。这样整体的组份就基本均匀分布了，且是固化状态的均匀分布。融化后，短时间的搅拌就能够充分均匀分布，且快速搅拌后，发生偏析的可能性也会降低。这样，最终的成品质量稳定、可控，对于生产企业来说，能够更灵活、可控的进行生产。
实施例一
一种铝铁合金制备工艺，包括以下步骤，
1)铝棒制备
计算单次粉末冶金所需铝用量，使用所有铝组份的50-100％，融化后浇铸成圆柱状，其内带有同轴通孔，同轴通孔的直径0.5-1.5mm；
圆柱形的铝棒是为了便于均匀的融化，尺寸的均匀是保证后续金属粉末组份均匀的前提。通孔是为了便于后续的通气。
2)小组分熔炼
将合金中除铝以外的组份以及步骤1)中未制成铝棒剩余的铝，在坩埚中融化，高于熔点温度10-50摄氏度，电磁搅拌10-20min；
小组分的熔炼时，最好是分步添加个组份，从组份大的到组份小的依次添加，熔炼搅拌。
3)合金棒制备
铝棒放入合金浇铸模具中，合金浇铸模具内腔为圆柱形与铝棒同轴，铝棒外圆柱面与模具之间形成的空间用于浇铸步骤2)中的小组分金属熔液；
浇铸完小组分金属熔液后，将形成的带有合金层的铝棒放入新的模具中，在其外将步骤1中剩余的金属熔液在合金层外浇铸第二层铝层；
在铝棒外浇铸小组分的金属熔液，由于铝的熔点较低，铁的熔点高，会在铝棒外熔融部分铝或是铝铁，形成粘结紧密的合金棒。
在合金层的外侧再浇铸铝层，是为了便于后续形成更稳定均匀的合金熔体，能够在高频加热设备加热下，同步在同一部位熔融成液滴。熔体的组份更均匀。
4)合金棒粉末制备
使用一个输送箱10，底端开口与收集罐顶端密封连通，连通处固定一个密封板，密封板中心开通孔，通孔直径比合金棒20直径大2-3mm；
将合金棒20夹持在输送辊组14上，并使合金棒20匀速向下移动，合金棒20与密封板中心的通孔同轴；
合金棒20内的同轴通孔顶端与连接管11连通，连接管11另一端与软管12连通，软管12另一端伸出输送箱10与惰性气体气源连通；
收集罐50顶部固定第二感应加热环40，第二感应加热环40快速将合金棒内外熔融，形成液滴；由于铝的熔点较低，两层铝包夹的合金层，在高频加热下，内外受热均非常快，且无热量散失。能够快速同步的熔融。
通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，气体流速30-180m/s,进气量为已经形成的熔液体积的1-5倍；
收集罐50内气压始终保持在为0.1-0.3个大气压。
5)二次熔炼
将步骤4)获得的母合金粉末，熔融保持熔点以上10-20摄氏度，电磁搅拌5-15min后浇铸成型。
经过以上的步骤，熔炼分成三次，雾化只作为稳定均匀分布的状态，且利用真空爆气的，粉磨更均匀。这样，每个环节只完成一部分要求。把整个合金生产逐步推进，降低了每个环节要求，便于对每个环节进行控制。最终，能够快速的熔炼组份均匀，稳定，极少发生偏移的合金。
成品率实际上有多种标准，归根到底，还是各项指标的可控性，这样成品才能控制。关键的指标是，偏析发生的概率以及程度，环节的可控就能有效的控制偏析发生的概率或是控制偏析发生的程度。
实施例二
铝的熔点比铁或是铝铁合金熔点低的多，为了快速熔融合金棒，先对合金棒进行预热，预热温度低于铝的熔点。然后在快速加热让合金层和内层的铝棒快速一同熔融。避免使用单个加热设备加热时，加热时间长，导致内层铝棒先熔融，外层合金层后熔融。预热后能够让内外层快速一同熔融，使组份更均匀。
因此，在所述步骤4)输送箱10底部固定第一感应加热环30，当合金棒20行进进入第一感应加热环30内时，对合金棒20进行预加热至600摄氏度，并通过密封板进入收集罐50内。
实施例三
为了进一步降低内外层熔点的差异，在所述步骤1)中，当铁组份占比超过35％时，则将所有铁组份的30-60％与铝一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份，且铝在小组分熔炼中占比11-24％。这样，内外的熔点更趋于一致，熔融后的金属液滴组份更均匀，更加快可控。
实施例四
合金中铁组份占比37％，所述步骤1)中将铁组份的33％与铝组份的86％一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份和14％的铝组份以及其它组份一同熔炼。
实施例5
进气可以是匀速，长时进气，也可以间隔进气，或是脉冲进气。间隔进气是为了配合熔融的液滴形成，尽可能的将气体充入液滴中，能够更有效的形成颗粒均匀，甚至是形貌均匀的金属粉末。
因此，在所述步骤4)中，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/4-3/4时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的1-5倍，气流流速50-180m/s。
实施例6
熔融的时候，在最开始，制成一个锥台，方便快速熔融，锥台处也是外层时合金层内层是铝棒。所述合金棒底端为倒锥台形，锥角70-150度。
实施例7
实际生产中，所述合金棒底端为倒锥台形，锥角112度，所述步骤4)中进气气流流速58m/s，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/3时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的2.2倍。
经过以上过程，生产铝铁合金块，多个批次生产后，基本无偏析情况发生。且对不同批次的合金进行组份检测，各组分的含量几无偏差。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝铁合金制备工艺，其特征在于，包括以下步骤，
1)铝棒制备
计算单次粉末冶金所需铝用量，使用所有铝组份的50-100％，融化后金属熔液60-70％浇铸成圆柱状，其内带有同轴通孔，同轴通孔的直径0.5-1.5mm；
2)小组分熔炼
将合金中除铝以外的组份以及步骤1)中未制成铝棒剩余的铝，在坩埚中融化，高于熔点温度10-50摄氏度，电磁搅拌10-20min；
3)合金棒制备
铝棒放入合金浇铸模具中，合金浇铸模具内腔为圆柱形与铝棒同轴，铝棒外圆柱面与模具之间形成的空间用于浇铸步骤2)中的小组分金属熔液；
浇铸完小组分金属熔液后，将形成的带有合金层的铝棒放入新的模具中，在其外将步骤1中剩余的金属熔液在合金层外浇铸第二层铝层；
4)合金棒粉末制备
使用一个输送箱，底端开口与收集罐顶端密封连通，连通处固定一个密封板，密封板中心开通孔，通孔直径比合金棒直径大2-3mm；
将合金棒夹持在输送辊组上，并使合金棒匀速向下移动，合金棒与密封板中心的通孔同轴；
合金棒内的同轴通孔顶端与连接管连通，连接管另一端与软管连通，软管另一端伸出输送箱与惰性气体气源连通；
收集罐顶部固定第二感应加热环，第二感应加热环快速将合金棒内外熔融，形成液滴；
通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，气体流速30-180m/s,进气量为已经形成的熔液体积的1-5倍；
收集罐内气压始终保持在为0.1-0.3个大气压；
5)二次熔炼
将步骤4)获得的母合金粉末，熔融保持熔点以上10-20摄氏度，电磁搅拌5-15min后浇铸成型。
2.根据权利要求1所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，所述合金棒的直径在3-8cm，所述合金层的厚度为0.4-1.5cm；
位于最外的铝层厚度是合金层厚度的0.6-1.2倍。
3.根据权利要求1所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，所述步骤4)输送箱底部固定第一感应加热环，当合金棒行进进入第一感应加热环内时，对合金棒进行预加热至600摄氏度，并通过密封板进入收集罐内。
4.根据权利要求1所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，所述步骤1)中，当铁组份占比超过35％时，则将所有铁组份的30-60％与铝一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份，且铝在小组分熔炼中占比11-24％。
5.根据权利要求3所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，合金中铁组份占比37％，所述步骤1)中将铁组份的33％与铝组份的86％一同熔炼；同时步骤2)中小组分的熔炼，使用剩余所有铁组份和14％的铝组份以及除铁和铝以外的组份一同熔炼。
6.根据权利要求1-4任一项所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，步骤4)中，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/4-3/4时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的1-5倍，气流流速50-180m/s。
7.根据权利要求1-4任一项所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，所述合金棒底端为倒锥台形，锥角70-150度。
8.根据权利要求1-4任一项所述的铝铁合金制备工艺，其特征在于，所述合金棒底端为倒锥台形，锥角112度，所述步骤4)中进气气流流速58m/s，进气为间隔进气，根据形成液体的频率，在液滴形成至最终滴落时体积的1/3时，通过软管和连接管向液体内通入惰性气体，通气量是已经形成的液体量的2.2倍。
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Denomination of invention: A preparation process of aluminum iron alloy

Effective date of registration: 20221021

Granted publication date: 20220802

Pledgee: Bank of Nanjing Co.,Ltd. Xuzhou Branch

Pledgor: JIANGSU HUAQI ALUMINUM TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2022320000628