CN111663058A - 用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金及其制法和应用 - Google Patents

Abstract

一种用作铝合金合金添加剂的Fe‑Al合金及其制法和应用，属于中间合金添加剂技术领域。该用作铝合金合金添加剂的Fe‑Al合金，包括的合金元素及各个合金元素的质量百分比为：Al为40‑50％，Fe为50‑60％，Mn<1.0％；Si<0.5％，还含有不可避免的杂质，杂质元素总含量<1.0％，所有合金元素及杂质之和为100％。其制备方法为：合金配料、熔炼、破碎，得到用作铝合金合金添加剂的Fe‑Al合金薄片和/或粉末；其合金元素含量高，加入到铝水中后能迅速熔解，比表面积高，熔化速度快，相比于低Fe含量的Fe‑Al中间合金能够降低生产成本。

Description

用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金及其制法和应用

技术领域

本发明属于中间合金添加剂技术领域，特别涉及一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金及其制法和应用，更具体的是在铝合金熔铸过程中用来添加铁元素的Fe-Al中间合金及这种Fe-Al中间合金的制备方法与应用。

背景技术

在各种合金的制备过程中，往往需要加入少量的合金元素，来达到所需要的化学成分。比如在1000系和部分8000系铝合金的生产过程中，需要加入铁元素，在一些压铸铝合金中，也需要较多的铁元素。这种合金元素可以通过铁-铝中间合金或合金添加剂来加入。

所谓铁-铝中间合金就是在铝合金熔铸生产中用来调整合金成分(铁含量)的一种中间过渡合金，由铝和铁组成。在现有的铁-铝中间合金中，铁元素的含量为5-25％。由于铁-铝中间合金中铁元素的含量较低，只有5-25％，合金化时，需要添加较多的中间合金才能达到所需要的成分，使得中间合金用量高，合金化的成本较高。所以，使用合金添加剂越来越普遍。

铁-铝合金添加剂由铁金属粉末、助熔剂和粘结剂组成。在铁-铝合金添加剂中，铁金属粉末的质量百分含量一般为70％至85％，助熔剂的质量百分含量为15％至30％，粘结剂只需很少量，其质量百分含量仅为0.5-2.0％。加工过程为将各组分粉末均匀混合后，在高压下压成饼状。饼块的大小可以由50克到1500克不等。这种饼块投入到熔炉中可以迅速沉入铝水中并逐渐熔散开来，有利于铝水对合金元素的有效吸收，有效避免了金属粉末散浮在熔液表面，提高了合金元素的收得率。

铁的熔点较高，高达1500多摄氏度。而铝水的温度只有不到750℃，铁-铝合金添加剂中的铁元素不能在铝水中直接熔化。大量的研究表明，铁元素是通过化学反应熔入铝水中。当铁-铝合金添加剂添加到铝水中，铁粒子和铝水产生化学反应，生成铝铁金属间化合物相，将铁完全熔入铝中。显然，铁-铝合金添加剂中高熔点的铁元素之所以能迅速熔入铝水中，主要是铁金属粉末具有较大的表面积，能和铝水发生充分的化学反应。

为了提高铁-铝合金添加剂的熔化速度，往往用氯盐或氟盐类熔剂来替代铝粉作为助熔剂。这种合金元素粉末-熔剂组成的添加剂虽然有较好的熔化速度，但这些盐类熔剂不是合金化过程中必须的添加物，最终变成废渣而扒出，使合金化成本增加。盐类熔剂往往有吸潮倾向，也容易混杂各种杂质。所以添加含熔剂的添加剂有将杂质带入熔体、增加熔体含气量的风险。增加了清渣量、耗费了能源、加大了储运等管理成本。熔剂燃烧时产生大量烟雾，影响环境，也影响操作工人的健康。

比较两种合金化方法，可以发现，中间合金用于铝合金的合金化操作具有许多优势。具体表现为以下几点：

(1)中间合金的成分均匀，在合金化操作过程中，容易调控铝合金的成分。

(2)中间合金在铝水中的熔化速度快，合金化操作简单，有利于提高生产效率。

(3)中间合金是规整的铸锭，便于储运。

(4)中间合金不会产生黑烟，不会污染环境。

但是，在铝中间合金中，铁元素的含量不能太高，否则，中间合金在铝水中的熔化速度很慢，影响生产效率。所以，现有的铝铁中间合金中，合金元素的含量比较低，一般都在25％以下。这势必增加铝合金的生产成本，使得中间合金在生产成本上逐渐失去竞争力。所以开发高合金元素含量的中间合金，可以大大减少中间合金用量，降低生产成本，具有广阔的生产前景。

发明内容

鉴于上述技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是，提出一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金及其制法和应用，该用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金是一种高Fe含量Fe-Al中间合金粉末/毫米片，该Fe-Al中间合金具有较高的合金元素含量，加入到铝水中后能迅速熔解，不会影响生产效率，弥补了现有的Fe-Al中间合金存在的Fe元素含量低、用量大、生产成本高等缺陷，制备的Fe-Al合金粉末或毫米片，具有高的比表面积，熔化速度快；并且，用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金具有高的铁元素含量，可以降低中间合金的用量，从而降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金，包括的合金元素及各个合金元素的质量百分比为：Al为40-50％，Fe为50-60％，Mn<1.0％；Si<0.5％，还含有不可避免的杂质，其中，杂质元素总含量<1.0％，所有合金元素及杂质之和为100％；

进一步的，所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金宏观形貌为毫米片状和/或粉末状；毫米片厚度≤2mm。粉末粒径≤2mm。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：准备

按用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的合金元素配比，称量金属铝和金属铁，备用；

步骤2：熔炼

将金属铁加热至1550℃以上，使得金属铁完全熔化，再将金属铝加入到熔化的金属铁中；待金属铝完全熔化后，搅拌均匀，形成铁-铝合金熔液；

步骤3：破碎

将铁-铝合金熔液进行浇铸破碎，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金。

所述的步骤3中，所述的浇铸破碎为：铸造破碎、分散浇铸、雾化制粉、铸造研磨中的一种。

所述的铸造破碎为：将铁-铝合金熔液铸造成薄带，然后进行破碎，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末和/或用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金薄片；

所述的分散浇铸为：将铁-铝合金熔液，利用高速旋转力分散，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末和/或用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金薄片；

所述的雾化制粉为：将铁-铝合金熔液采用水雾法制粉，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末；

所述的铸造研磨为：将铁-铝合金熔液铸造成华夫锭，将华夫锭破碎、研磨，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末。

本发明的一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的应用，为用于铝合金生产时，合金化过程中，作为添加Fe元素的中间合金。

采用上述方法制备的高Fe含量用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金加入铝水中，其溶入铝合金的速度、生产效率、收得率与常规的低Fe含量Al-Fe中间合金相当。

本发明的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金及其制法和应用，其有益效果是：

1、根据Fe-Al相图，本发明合金成分的相区在AlFe-Al₅Fe₂区间。如前所述，金属Fe是通过和铝水反应的方式熔入铝水中，AlFe熔入铝水的速度必然要大大高于金属Fe的熔入速度。

2、在采用本工艺将合金制成小薄片或粉末状，大大增加了合金与铝水的接触面积，促进了合金与铝水的反应，从而使合金元素能够在铝水中迅速溶解，提高生产效率。

3、因为相比于现有的低Fe含量Al-Fe中间合金，本发明的高Fe含量Fe-Al合金在熔解速度、生产效率、收得率等方面毫不逊色。而本发明的高Fe含量Fe-Al合金的铁元素含量大幅提高，从而可以降低中间合金的用量，可以降低中间合金的储运成本，从而降低生产成本，提高了中间合金的市场竞争力。

4、因为相比于现有的合金添加剂，本发明的用作合金添加剂的高比表面积Fe-Al合金并不含有粘结剂，在加入铝熔体时，能够使合金元素粉末呈松散状态，容易散开，促进了粉末和铝水的接触，加快了合金粉末的熔解速度，并且松散后，向外散开，同时往下沉，在往下沉的过程中，合金粉末和铝水接触，迅速产生反应，其有利于铝水对合金元素的有效吸收，有效避免了金属粉末散浮在熔液表面，提高了合金元素的收得率。

5、因为相比于现有的合金添加剂，本发明的用作合金添加剂的高比表面积Fe-Al合金并不含有熔剂，使用时不会产生烟雾，更为环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例l：

制备100公斤用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片，其含有成分及各个成分的质量百分比为铝41％，余量为Fe和杂质，其中，含有的Mn<1.0％，Si<0.5％，其它杂质元素总含量<1.0％，Al、Fe及杂质之和为100％。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取41公斤A00铝锭，59公斤废碳素钢；

步骤2：使用中频炉，将废碳素钢加热至1550-1650℃使之完全熔化；然后将铝锭加入到铁熔液中，待铝锭完全熔化后，搅拌均匀，形成均匀的铁-铝熔液；

步骤3：使用单辊铸造机将铁-铝熔液铸成1mm厚的板，再机械破碎成小薄片，小薄片最大方向的尺寸≤50mm，得到了100公斤59Fe-Al中间合金薄片。

实施例2：

制备100公斤用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉，其含有成分为铝44％，余量为Fe和杂质，其中，含有的Mn<1.0％，Si<0.5％，其它杂质元素总含量<1.0％，Al、Fe及杂质之和为100％。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取44公斤A00铝锭，56公斤普通碳素钢；

步骤2：使用中频炉将普通碳素钢加热至1550-1650℃使之完全熔化；然后将铝锭加入到铁熔液中，待铝锭完全熔化后，搅拌均匀，形成均匀的铁-铝熔液；

步骤3：将铁-铝合金熔液浇到高速旋转的辊上，将铁-铝合金熔液甩成细珠或粉，细珠或粉的最大尺寸≤2mm。得到100公斤56Fe-Al中间合金粉。

实施例3：

制备100公斤用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末，其含有的成分及各个成分的质量百分比为铝46％；余量为Fe和杂质，其中，含有的Mn<1.0％，Si<0.5％，其它杂质元素总含量<1.0％，Al、Fe及杂质之和为100％。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取46公斤A00铝锭，54公斤铁片；

步骤2：使用中频炉将铁片加热至1550-1650℃使之完全熔化，得到铁-铝熔液；

步骤3：利用水雾法将铁-铝熔液雾化成粉末，粉的最大尺寸≤2mm。这样就生产出了约100公斤54Fe-Al中间合金粉。

实施例4：

制备100公斤用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末，其含有的成分及各个成分的质量百分比为铝47％，余量为Fe和杂质，其中，含有Mn<1.0％，Si<0.5％，其它杂质元素总含量<1.0％，Al、Fe及杂质之和为100％。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取47公斤A00铝锭，53公斤废碳素钢；

步骤2：使用中频炉将废碳素钢加热至1550-1650℃使之完全熔化，得到铁-铝熔液；

步骤3：将铁-铝熔液铸造成华夫锭；然后用鄂式破碎机将华夫锭破碎成小块，最后用磨粉机磨成粉末。粉末粒径≤2mm。这样就生产出了约100公斤53Fe-Al中间合金粉。

实施例5：

制备100公斤用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片，其含有成分及各个成分的质量百分比为铝49％，余量为Fe和杂质，其中，含有的Mn<1.0％，Si<0.5％，其它杂质元素总含量<1.0％，Al、Fe及杂质之和为100％。

一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取49公斤A00铝锭，51公斤废碳素钢；

步骤2：使用中频炉将废碳素钢加热至1550-1650℃使之完全熔化；然后将铝锭加入到铁熔液中，待铝锭完全熔化后，搅拌均匀，形成均匀的铁-铝熔液；

步骤3：将铁-铝熔液浇到旋转的转盘上，将铁-铝熔液甩成小薄片。如有必要，进一步将小薄片破碎，使小薄片最大方向的尺寸≤50mm。这样就生产出了约100公斤51Fe-Al中间合金小薄片。

实施例6

同实施例2，不同之处在于，Fe含量为50％，得到的是100公斤50Fe-Al中间合金粉。

实施例7

同实施例5，不同之处在于，Fe含量为57％。得到的是100公斤57Fe-Al中间合金小薄片。

实施例8

同实施例1，不同之处在于，制备方法上，步骤3中，使用单辊铸造机将铁-铝熔液铸成1mm厚的板，再机械破碎成粉末，粉末的粒径≤2mm，得到了100公斤59Fe-Al中间合金粉末。

应用例1

将实施例1制备的59Fe-Al中间合金薄片进行应用，包括以下步骤：

将制备的100公斤59Fe-Al中间合金薄片用吨袋包装，作为合金化时，Fe元素的原料，均匀撒入铝合金熔炼炉中，因为用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片比重较大，用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金小薄片迅速沉入铝熔体中，并迅速熔入铝水中，不产生烟雾，安全环保，使用方便，而且收得率高，能够达到98％。

对比例1

将常用的低Fe含量Al-20Fe中间合金进行应用，同应用例1不同之处在于，Fe的质量百分含量为20％，加入的低Fe含量Al-20Fe中间合金为华夫锭；

将应用例1和对比例1相比，应用例1中的59Fe-Al中间合金薄片其溶入铝合金的速度、生产效率、收得率与对比例的低Fe含量Al-20Fe中间合金相当。

应用例2

将实施例2制得的56Fe-Al中间合金粉进行应用，包括以下步骤：

将56Fe-Al中间合金粉装入薄塑料袋中，再装入铝箔袋中，用真空封装机封装成块状，制得的块状合金粉末的质量为500～5000g。所述铝箔袋为由塑料-铝箔-塑料复合而成的复合膜制成或由纸-铝箔-塑料复合而成的复合膜中制成。当制成的粉末块体完全进入铝水中，铝箔袋便被迅速燃烧掉，里面的合金元素粉末回复到松散状态，向外散开，并往下沉。一方面，在往下沉的过程中，合金粉末和铝水接触，迅速产生反应；另一方面，合金元素粉末呈松散状态，容易散开，促进了粉末和铝水的接触，加快了合金粉末的熔解速度。

应用例3：

生产约5000公斤AA8079Fe-Al合金，设定Fe含量为1.2wt％。先熔炼5000公斤A00铝锭。铝水中起始Fe含量为0.2wt％。为了获得1.2％Fe含量，需加入50公斤Fe。选用实施例6制备的50Fe-Al中间合金(含Fe量为50wt％)粉末100公斤，粉末已按每块1公斤的规格用铝箔袋真空包装好，当铝水温度达到额定温度725℃，将100袋中间合金均匀投入铝水中即可。Fe熔解后搅拌均匀，即完成了配制合金工序。在不同时间取样分析表明，加入中间合金粉末18分钟，合金的Fe含量达到了额定要求，收得率为98.3％。

对比例2

同样生产生产约5000公斤AA8079Fe-Al合金，设定Fe含量为1.2wt％。先熔炼5000公斤A00铝锭。铝水中起始Fe含量为0.2wt％。为了获得1.2％Fe含量，需加入50公斤Fe，不同之处是对比例2选用Al-10Fe华夫锭500公斤。由于中间合金加入量大，铝水温降比较大，导致熔入时间稍长，合金的Fe含量20分钟才达到了额定要求，收得率98.3％。与本发明的50Fe-Al粉末相比，熔入时间和收得率基本相同。但50Fe-Al粉末用量只有Al-10Fe华夫锭的五分之一，生产成本必然降低。

应用例4：

生产约5000公斤AA1235Fe-Al合金，设定Fe含量为0.45wt％。先熔炼5000公斤A00铝锭。铝水中起始Fe含量为0.15wt％。为了获得0.45％Fe含量，需加入15公斤Fe。选用实施例3制备的且用防潮袋包装的54Fe-Al中间合金(含Fe量为54wt％)粉末27.7公斤，当铝水温度达到额定温度725度，将27.7公斤中间合金粉末均匀撒入铝水中即可。Fe熔解后搅拌均匀，即完成了配制合金工序；因为用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉比重较大，用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉迅速沉入铝熔体中，并迅速熔入铝水中，在不同时间取样分析表明，加入中间合金粉末12分钟，合金的Fe含量达到了额定要求，而且不产生烟雾，安全环保，使用方便，而且收得率高，能够达到98.5％。

应用例5：

生产约5000公斤YL104压铸铝合金，设定Fe含量为0.65wt％，Si含量为9.0wt％。先熔炼5000公斤A00铝锭和压铸铝合金废料。铝水中起始Fe含量为0.35wt％，Si含量为7.0wt％，其余合金元素均已达到要求。为了获得0.65wt％Fe含量，9.0wt％Si含量，需加入15公斤Fe，100公斤Si。选用实施例7制备的且用吨袋包装的57Fe-Al中间合金(含Fe量为57wt％)小薄片26.3公斤，当铝水温度达到额定温度725℃，将100公斤小金属硅块均匀投入铝水中，将26.3公斤57Fe-Al中间合金小薄片均匀撒入铝水中即可。Si和Fe熔解后搅拌均匀，即完成了配制合金工序。在不同时间取样分析表明，加入中间合金小薄片14分钟，合金的Fe含量达到了额定要求，收得率为98.2％。

Claims (9)

1.一种用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金，其特征在于，该用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金，包括的合金元素及各个合金元素的质量百分比为：Al为40-50％，Fe为50-60％，Mn<1.0％；Si<0.5％，还含有不可避免的杂质，其中，杂质元素总含量<1.0％，所有合金元素及杂质之和为100％。

2.根据权利要求1所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金，其特征在于，所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金宏观形貌为毫米片状和/或粉末状；毫米片厚度≤2mm；粉末粒径≤2mm。

3.权利要求1或2所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备

按用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的合金元素配比，称量金属铝和金属铁，备用；

步骤2：熔炼

将金属铁加热至1550℃以上，使得金属铁完全熔化，再将金属铝加入到熔化的金属铁中；待金属铝完全熔化后，搅拌均匀，形成铁-铝合金熔液；

步骤3：破碎

将铁-铝合金熔液进行浇铸破碎，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金。

4.根据权利要求3所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，浇铸破碎为：铸造破碎、分散浇铸、雾化制粉、铸造研磨中的一种。

5.根据权利要求4所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，所述的铸造破碎为：将铁-铝合金熔液铸造成薄带，然后进行破碎，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末和/或用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金薄片。

6.根据权利要求4所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，所述的分散浇铸为：将铁-铝合金熔液，利用高速旋转力分散，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末和/或用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金薄片。

7.根据权利要求4所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，所述的雾化制粉为：将铁-铝合金熔液采用水雾法制粉，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末。

8.根据权利要求4所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的制备方法，其特征在于，所述的铸造研磨为：将铁-铝合金熔液铸造成华夫锭，将华夫锭破碎、研磨，得到用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金粉末。

9.权利要求1或2所述的用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金的应用，其特征在于，在铝合金生产的合金化过程中，将用作铝合金合金添加剂的Fe-Al合金作为添加Fe元素的中间合金。