CN113005311A - 5xxx系铝合金熔体净化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于5xxx系铝合金熔炼用熔体净化剂及其制备方法。该净化剂为质量分数为5.0～10.0％的碘酸铯与纯铝制备而成的线型熔体净化剂。制备该铝基复合材料净化剂的方法包括配料‑研磨‑烘干‑熔炼‑浇铸‑挤压。本发明具有覆盖隔绝、除氢除渣、细化晶粒等多种功能，综合性能优于传统熔体净化剂。该净化剂利用碘酸铯与熔体间的物理化学作用，在熔体生成稳定细密的气泡，快速吸附熔体中的气体与夹杂，上浮至熔体表面排出。夹杂物在熔体表面起到覆盖隔绝的作用，阻止熔体的吸气现象，起到去氢除杂、覆盖隔绝的作用。该净化剂使用简单，应用范围广，去氢除杂效率高，铸件质量好，可广泛应用于各种5xxx合金的熔炼和净化工序。

Description

5xxx系铝合金熔体净化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及5xxx系铝合金熔体净化，属于铝合金加工技术领域。

背景技术

5xxx系铝合金是以镁为主要添加元素的铝合金，因此又称镁铝合金，具有优良的耐蚀性能、优异的气密性、比强度高、密度小、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型等诸多优点，被广泛运用于各行各业中，目前行业中常用的5系铝合金牌号有5005、5050、5A06、5652等。然而5系铝合金在生产制造过程中易产生缺陷，尤其在铸造过程中，易产生气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，严重影响制品质量。因此，5系铝合金熔体净化技术成为行业关注重点。

5系铝合金在熔炼过程中产生的杂质主要为各种气体夹杂与氧化夹杂物，这些杂质使铝合金铸锭产生气孔、疏松、气泡、白斑等缺陷。其中气体夹杂主要为氢夹杂，其次为氮气、氧气、一氧化碳等气体夹杂(含量占比低于20％)。5系铝合金中氢夹杂的危害最大，虽然氢在铝合金中的溶解度相对较低，但是氢在熔体中与在固相中的溶解度差距过大(氢在铝合金熔体中的溶解度是固相中的1.91倍)。因此，在5系铝合金熔体冷却凝固过程中，氢会大量逸出，在铸件内部富集，形成气泡、针孔、白点等缺陷，造成铸件局部地区的应力集中现象，严重降低合金的性能，甚至会导致氢致开裂现象，使制品失效，对生命财产安全造成严重威胁。5系铝合金的各种氧化物夹杂主要为熔炼与浇铸时铝、镁与氧产生的氧化铝、氧化镁夹杂以及一些二氧化硅等固体夹杂。值得注意的是，铝合金中氧化物夹杂与气体夹杂存在着很强的交互作用，氢含量相同的情况下，氢致针孔率与氧化物夹杂含量存在着正相关的关系。这说明，铝合金熔体净化过程中，去除氧化物夹杂与除氢同样重要。

目前，5系铝合金常用熔体净化方法有吹气法、过滤法、熔剂法、非吸附净化法等。熔剂法的工作原理是利用熔剂与熔体间的一系列物理化学作用进行除气除杂，具有操作简单、成本低廉、除气除杂效率高、对于设备要求低、使用方便等优点。然而现有的熔体净化剂存在如下共同的缺点：应用范围窄、功能单一。在实际应用中，大多需要多种熔剂共同配合使用，才能达到净化的目的，而且由于添加过多种类的熔剂，向熔体内引入了其他杂质，损害熔体洁净度。针对当前5系铝合金熔体净化剂存在的缺点，本专利研发了一种新型的含碘酸铯(CsIO₃)的供5系铝合金熔炼所使用的熔体净化剂。该净化剂创新性地采用了碘酸铯用于熔体净化，集覆盖保护、除氢除杂与晶粒细化等多种功能于一身，使用方便、操作简单、除杂效率高。

发明内容

针对当前5系铝合金熔体净化剂存在的缺点，本发明提供一种新型的含碘酸铯(CsIO₃)的用于5xxx系铝合金熔炼所使的熔体净化剂及其制备方法。该净化剂为含碘酸铯(CsIO₃)质量分数5.0％～10.0％，其余为纯铝(Al)的铝基复合线材。该净化剂创新性地采用了碘酸铯用于熔体净化，具有覆盖保护、除氢除杂与细化晶粒等多种功能，操作简单、使用方便，大幅提高除氢除杂效率。

为实现上述发明目的，采用以下技术方案实现：一种用于5xxx系铝合金熔炼的碘酸铯熔体净化剂，各组分的质量分数比为：5～10％碘酸铯，余量(90～95％)的纯铝；物理性状为：直径5mm～20mm的线材。

优选的，所述碘酸铯为分析纯(AR)纯度的碘酸铯。

优选的，所述纯铝为纯度为99.99％的纯铝锭。

本发明还将提供上述净化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)配料：按上述配方要求配制所需质量的纯铝铝锭90～95％，碘酸铯5～10％；

2)研磨：将碘酸铯研磨破碎，研磨完毕后将纯铝锭及碘酸铯烘干；

3)熔炼：先将配好的铝至一定温度加热至一定温度，保温一定时间融化，然后加入配好的碘酸铯，搅拌均匀，再保温一定时间；

4)浇铸：将步骤3)得到的金属液浇铸在圆柱形模具内，冷却凝固后脱模；

5)挤压：使用挤压成型方法，将步骤4)得到的净化剂挤压为线材。

优选的，步骤2)中，研磨后碘酸铯平均粒径小于100μm。

优选的，步骤2)中，所述烘干温度为80℃～120℃，烘干时间为20min～60min。

优选的，步骤3)中，所述加热温度为680℃至740℃，保温时间为10min～1h，加入碘酸铯后的保温时间为5min～10min。

优选的，步骤4)中，所述浇铸温度为680℃～700℃。

优选的，步骤5)中，挤压过程中，挤压比为30～200，挤压时铸锭温度在250℃～320℃，挤压筒加热温度为250℃～400℃。

含碘酸铯铝基复合线材熔体净化剂充分考虑组分构成、除气除渣能力、晶粒细化能力、覆盖能力、制备难易度等方面，采用碘酸铯与纯铝作为主要成分，其原因在于：

1.本发明首次提出碘酸铯在5系铝合金熔体净化剂中的应用，其原理主要利用碘酸铯在熔体中的物理化学双重净化作用，实现覆盖隔绝、除气除杂、细化晶粒等多种功能，提高熔体净化效果。当该铝基复合线材加入熔体中时，碘酸铯熔于铝合金熔体中，分解产生碘酸根(IO₃ ^-)、碘化铯(CsI)与氧气(O₂)，碘酸根通过与熔体中的氢结合生成碘酸(HIO₃)的方式吸收熔体中的部分氢，随后碘酸在高温条件下分解(式1-1)，生成碘单质(I₂)、氧气(O₂)与水(H₂O)，在熔体中生成气泡。

4HIO₃→2I₂+5O₂+2H₂O (1-1)

随后碘酸分解生成的碘单质会与熔体中的Al发生反应，生成气态的碘化铝(AlI₃)，H₂O会与熔体中的铝发生反应(式1-2)：

2Al+3H₂O→Al₂O₃+3H₂ (1-2)

因此，该熔体净化剂中的碘酸铯成分在熔体中会产生大量细密稳定的气泡与适量氧化铝夹杂，使得熔体中的氢、氮、氧、一氧化碳等气体夹杂在分压差的作用下从熔体中逸出至气泡中，并随着气泡上浮至熔体表面，排出熔体，起到除气的作用。并且气泡在上浮过程中吸附熔体中的固态夹杂，将其带到熔体表面，覆盖熔体，起到覆盖隔绝的作用，减少吸气现象的出现，提高熔体的纯净度。

而熔体中剩余的碘化铯(CsI)由于性质稳定，在熔体凝固过程中充当异质形核的质点，促使形成晶粒细密的铸态组织，从而提高铸件的强度，起到细晶强化的作用。

2.本发明采用纯铝作为基体材料，碘酸铯均匀分布于基体内，加入熔体后，由于其密度与熔体相近，会均匀稳定地浮在熔体内部，有利于去氢除杂过程。

相较于现有熔体净化剂，本发明的有益效果是：

1.大幅提高了现有熔体净化的效率与效果。传统熔体净化剂应用范围窄、效果单一，需要多种熔体净化剂共同使用，才能达到去氢除杂的效果，增加了净化用时与操作难度，降低净化效率。并且多种熔体净化剂的使用，会向熔体中引入杂质，损害熔体纯净度，降低净化效果。本发明集覆盖隔绝、去氢除渣和晶粒细化等多种效果于一体，避免多种熔体净化剂的添加，简化操作程序，提高熔体净化效率与效果，综合性能优于传统熔体净化剂。其原理在于：向熔体中加入该净化剂，其中的碘酸铯成分在熔体中分解，形成均匀稳定的气泡，促使熔体中的气态夹杂在分压差的作用下逸出至气泡中上浮，同时气泡吸附熔体中的固态夹杂，随气泡上浮，从而起到去氢除杂的作用。并且浮在表面上的固态夹杂可起到隔绝覆盖的作用，阻止熔体的吸气作用。

2.使用简单，应用范围广。本发明为线型熔体净化剂，储存方便，使用时可用多种方式将其投入熔体中。并且由于其集多种功能于一身，避免多次加入净化剂，简化净化流程，扩大熔体净化剂的应用范围。

3.提高现净化处理后的铸锭性能。本发明中的碘酸铯成分可在熔体中充当变质剂，细化晶粒，提升铸态组织的性能。

4.去氢除杂效率高，铸件质量好，可广泛应用于各种5xxx合金的熔炼和净化工序。

附图说明

图1为本发明具体实施流程图；

图2为实施例1、2、3、4除氢能力对比；

图3为实施例1、2、3、4对5系铝合金延伸率影响。

具体实施方式

以下结合实施例与附图共同说明本发明的技术方案及优点，但实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并非限制本发明范围。

本发明中5系铝合金熔体净化剂由质量分数为5.0％～10.0％的碘酸铯与纯铝组成。下述实施例中净化剂中添加的碘酸铯为分析纯(AR)，纯铝的纯度为99.99％，制备而成的净化剂杂质含量低于0.02％。

实施例1

以质量百分含量计，含碘酸铯铝基复合材料净化剂成分为：5.1％分析纯碘酸铯，94.9％纯铝。

称取纯铝锭949g，分析纯碘酸铯51g，放入烘箱中烘干，烘干温度80℃，烘干时长30分钟，将上述称量好的碘酸铯用研钵磨成粒径小于100μm的均匀粉状并用铝箔纸包裹，将纯铝铝锭加入石墨坩埚中后，将坩埚放入加热炉中加热至690℃，加热时间2h，随后保温20分钟，用钳子将铝箔纸包裹好的碘酸铯夹入熔体中，搅拌1分钟后保温5分钟，扒渣浇铸，浇铸温度为680℃，浇铸的圆柱形铸锭尺寸为φ60mm×高100mm，随后进行挤压成型步骤，从节省经济成本及控制产品质量的角度考虑，将净化剂锭坯进行先后两次挤压：第一次挤压，对锭坯进行感应加热，感应加热温度控制在260℃～270℃之间，加热后将其挤压成φ20mm的圆杆；第二次挤压重复第一次挤压的操作，感应加热温度控制在310℃～320℃之间，挤压成φ5mm的线材，150℃下退火后制成成型的φ5mm的线型净化剂1。

实施例2

以质量百分含量计，含碘酸铯铝基复合材料净化剂成分为：6.3％分析纯碘酸铯，93.7％纯铝。

称取分析纯碘酸铯63g，放入研钵中研磨至粒径小于100μm的粉末状，用铝箔纸将其包裹，卷成团状，称取937g纯铝铝锭，将纯铝锭与铝箔纸包裹后的碘酸铯粉末放入烘箱中烘干，烘干温度80℃，烘干时长30分钟，烘干后将上述称量好的纯铝铝锭放入石墨坩埚中，将坩埚放入加热炉中，加热时间2h，加热温度700℃，加热至700℃后保温15分钟，然后用钳子将铝箔纸包裹的碘酸铯夹入熔体中，搅拌30秒后保温6分钟，扒渣浇铸，浇铸温度为700℃浇铸的圆柱形铸锭尺寸为φ60mm×高100mm，随后进行挤压成型步骤，从节省经济成本及控制产品质量的角度考虑，将净化剂锭坯进行先后两次挤压：第一次挤压，对锭坯进行感应加热，感应加热温度控制在200℃～220℃之间，加热后将其挤压成φ10mm的圆杆；第二次挤压，温度控制在200℃～220℃之间，重复第一次挤压的操作，挤压得到成型的φ5mm的净化剂2。

实施例3

以质量百分含量计，含碘酸铯铝基复合材料净化剂成分为：8.5％分析纯碘酸铯，91.5％纯铝。

称取915g纯铝铝锭，放入烘箱中烘干，烘干温度90℃，烘干时长30分钟，烘干除去水分后放入石墨坩埚中，将石墨坩放入加热炉中加热，加热时间2h，加热温度740℃保温10分钟，称取85g碘酸铯，用研钵磨成粉末，粒径小于100μm，然后用铝箔纸包裹成团状，然后放入烘箱中烘干，烘干温度90℃，烘干时长30分钟，然后用钳子将其缓慢夹入至熔融的纯铝中，搅拌1分钟，然后保温8分钟后扒渣浇铸，浇铸温度为700℃，浇铸的圆柱形铸锭尺寸为φ60mm×高100mm，从节省经济成本及控制产品质量的角度考虑，将净化剂锭坯进行先后两次挤压：第一次挤压，对锭坯进行感应加热，感应加热温度控制在200℃～220℃之间，加热后将其挤压成φ30mm的圆杆；第二次挤压，重复第一次挤压的操作，感应加热温度控制在260℃～270℃之间，挤压得到成型的φ10mm的净化剂3。

实施例4

以质量百分含量计，含碘酸铯铝基复合材料净化剂成分为：9.9％碘酸铯，90.1％纯铝。

称取901g纯铝铝锭，放入烘箱中烘干，烘干温度90℃，烘干时长30分钟，烘干除去水分后放入石墨坩埚中，将坩埚放入加热炉中加热2h，加热至740℃，随后保温10分钟，称取99g碘酸铯，用研钵磨成粒径小于100μm的粉末并用铝箔纸包裹成团状后放入烘箱中烘干，烘干温度90℃，烘干时长30分钟，再用钳子将其缓慢夹入熔体(熔融的纯铝)中，搅拌1分钟后保温10分钟，扒渣浇铸，浇铸温度为710℃浇铸的圆柱形铸锭尺寸为φ60mm×高100mm，随后进行挤压成型步骤，考虑到经济成本及产品质量，将净化剂锭坯进行先后两次挤压：第一次挤压，对锭坯进行感应加热，感应加热温度控制在260℃～270℃之间，加热后将其挤压成φ30mm的圆杆；第二次挤压，重复第一次挤压的操作，感应加热温度控制在200℃～220℃之间，挤压得到成型的φ10mm的净化剂4。

性能评估：

对5052、5083两种铝合金原料，加热至740℃后保温10分钟，用喂线机分别喂入上述实施例1-4四个实施例，对熔体实施净化，保温30min后扒渣浇铸，得到铸锭，检测其氢含量及性能参数，同时检测5052及5083铝合金原料的含氢量及性能参数，以此作为对照。5052、5083铝合金成分如表1与表2所示。

表1 5052铝合金成分

表2 5083铝合金成分

图2是使用实施例1-4四种熔体净化剂后的铝合金铸锭与两种铝合金原料的含氢量对比，可以看出去氢除杂的净化效果由高到低的顺序次序为：净化剂4＞净化剂3＞净化剂2＞净化剂1，其中，碘酸铯含量以质量分数计，净化剂1为5.1％，净化剂2为6.3％，净化剂3为8.5％，净化剂4为9.9％。可以看出，经过净化剂处理后的两种5系铝合金含氢量都大为降低，且净化剂4的降低幅度最大，最大降低了63.2％，充分说明该熔体净化剂的去氢除杂效果较高。

图3为两种铝合金使用实施例1-4四种熔体净化剂后延伸率的变化情况，相对于原始组织，使用净化剂净化后的铝合金延伸率大幅提升，其延伸率最大提高近276.5％。延伸率大幅提高的原因不仅是由于除氢效率的提高使得铸锭质量上升，还有着碘酸铯的晶粒细化作用所带来的细晶强化效果。

需要说明的是，尽管文中描述了以上三种实施例，但是并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对以上技术方案所做的任何改动修饰均属于本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种用于5xxx系铝合金熔炼的碘酸铯熔体净化剂，其特征在于，所述碘酸铯熔体净化剂的化学成分为：质量分数5.0％至10.0％的碘酸铯，其余为纯铝；所述碘酸铯熔体净化剂为直径5mm～20mm的线材。

2.如权利要求1所述熔体净化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)熔炼：将纯铝加热至一定温度，保温一定时间后，加入碘酸铯搅拌均匀，再保温一定时间；

2)浇铸：将步骤1)得到的金属液浇铸在圆柱形模具内，冷却凝固后脱模；

3)挤压：使用挤压成型方法，将步骤2)得到的净化剂挤压为线材。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，使用的碘酸铯平均粒径小于100μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，使用前将纯铝和碘酸铯进行烘干，所述烘干温度为80℃～120℃，烘干时间为20min～60min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述加热温度为680℃至740℃，保温时间为10min～1h，加入碘酸铯后的保温时间为5min～10min。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述浇铸温度为680℃～700℃。

7.根据权利要求2所述的熔体净化剂制备方法，其特征在于，步骤3)中，挤压比为30～200，挤压时铸锭温度为250℃～320℃，挤压筒加热温度为250℃～400℃。

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