CN116162828A - 一种铝铁锰中间合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝铁锰中间合金，其特征在于：该铝铁锰中间合金的质量百分比组成为Fe：20～30wt％，Mn：20～30wt％，Cu：3～7wt％，Mg：0.003～0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质元素。本发明根据高力黄铜Al、Fe、Mn三种元素含量的要求，设计一种铝铁锰三元中间合金，能够合理控制中间合金相的形貌、尺寸和分布比例，获得成分偏析小、相组成合理、熔炼金属收得率高的铝铁锰中间合金，解决目前高力黄铜熔炼存在的Fe、Mn元素不易添加、合金成分难调控的难题。

Description

一种铝铁锰中间合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种铝铁锰中间合金及其制备方法。

背景技术

中间合金是由两种或三种组元组成，其中一种或两种为难熔或易烧损的组元，它是过渡合金，铜合金熔炼使用中间合金的目的是为了便于加入高熔点或易氧化烧损的合金元素，缩短熔炼时间、降低金属烧损，获得成分均匀、准确的铜合金。

高力黄铜是由Cu、Zn、Al、Fe、Mn五种主要元素组成的复杂黄铜合金，具有优异的耐磨性能，用于制造各种工程机械关键耐磨零部件，欧标牌号是CuZn25Al6Fe3Mn3，美标牌号是C86300，该合金化学组成为Cu：60～65wt％，Mn：2.5～5.0wt％，Al：5.0～7.5wt％，Fe：2.0～4.0wt％，Sn≤0.2wt％，Ni≤0.5wt％，Pb≤0.2wt％，Si≤0.1wt％，余量为Zn。

高力黄铜熔炼通常使用紫铜、锌、铝、铁、锰和一定比例高力黄铜角料作为原料，由于Fe的熔点高达1538℃，Mn的熔点也有1244℃，而黄铜熔点一般在900～1000℃，熔炼温度通常在1000℃左右，熔炼时直接添加纯铁、纯锰，需要提高熔炼温度，长时间熔炼才能完全熔化，而且由于高力黄铜的元素复杂，很难调控合金化学成分，如果采用添加Cu-Fe、Cu-Mn中间合金的方法，虽能解决铁、锰难熔化的问题，但是由于高力黄铜中Fe、Mn含量高，需要加入大量的Cu-Fe、Cu-Mn中间合金，增加了原料成本，而且Cu-Fe中间合金的温度仍然达到1200℃以上，也不容易在黄铜中快速熔化；另外Al直接加入黄铜时，会大量放热，造成熔体局部过热，影响熔体质量。

如果将高力黄铜中的Al、Fe、Mn三种金属预先按一定配比制备成三元中间合金用于高力黄铜熔炼，不仅可以大大加快熔化速度，缩短熔炼时间，而且由于三组元成分已按比例搭配，比较容易获得较为准确的合金成分，但三元中间合金的成分偏析、相组成、熔炼金属收得率是工艺控制难点，因此，需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种成分偏析小、相组成合理、熔炼金属收得率高的铝铁锰中间合金。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铝铁锰中间合金的制备方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铝铁锰中间合金，其特征在于：该铝铁锰中间合金的质量百分比组成为Fe：20～30wt％，Mn：20～30wt％，Cu：3～7wt％，Mg：0.003～0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质元素。

Fe：Fe在Al中的固溶度很低，其含量一旦超过固溶极限，首先会和Al形成Al₃Fe脆性相，增加合金的脆性，当Fe含量超过30wt％，Fe的成分偏析较严重，且三元合金相Al₃Fe比例会增加，超出本发明控制的上限。

Mn：Mn与Al、Fe形成脆性的Al₃FeMn化合物，Al₃FeMn是Mn固溶于Al₃Fe置换出部分Fe的产物。Mn的含量低于20wt％，Al₃FeMn相比例会减少，而且作为中间合金加入到高力黄铜中，Mn含量会不达标，需要另外添加Mn；Mn含量高于30wt％，虽然能促进Al₃FeMn相形成，但是作为中间合金加入到高力黄铜中，Mn含量会超标。

Cu：Cu降低Fe的熔化速度，Cu比Fe易熔化成为液态，当固态Fe浸到液态铜水中，通过Fe原子的扩散开始溶解，加快铁片的熔化速度。Cu含量低于3wt％，熔炼铝铁锰中间合金时，添加的电解铜量过少，熔化后液态铜水不足以溶解铁片；Cu含量超过7wt％，会减少中间合金中主成分Al、Fe、Mn的含量。

Mg：Mg在本发明合金中主要起两个作用：一是Mg能与熔体中的H反应，生成MgH，起到除气的作用，消除铝铁锰中间合金中的气孔；二是Mg在基体里的固溶度很低，但在Al₃Fe相中固溶度较高，达到3％，因此Mg固溶于初生的Al₃FeMn相中，占据了固液界面的有利位置，阻碍Fe原子的扩散，抑制了点状Al₃FeMn相的生长，避免粗大的鱼骨状Al₃FeMn相形成。Mg含量低于0.003wt％，Mg抑制点状Al₃FeMn相生长的作用很弱，Mg含量超过0.05wt％，阻碍Fe原子扩散，加重中间合金中Fe的偏析。

作为优选，该铝铁锰中间合金的相组织包括Al₃Fe相、初生Al₃FeMn相和次生Al₃FeMn，其中，初生Al₃FeMn相的面积占比在60％以上，Al₃Fe相的面积占比为20～38％，次生Al₃FeMn相的面积占比在5％以下。

Al₃Fe相是铝铁锰中间合金的主要组成相，是Al、Fe二元组成，它的占比越高，表明Mn元素偏析越严重，但是它的占比过少，又会导致次生Al₃FeMn相占比增多，因此，在本发明合金组织中，Al₃Fe相面积占比控制在20～38％。

初生Al₃FeMn相是基体相，是Al、Fe、Mn三种元素形成的化合物，它在中间合金组织中的占比越大，表明三元中间合金成分配比越合理，熔炼的高力黄铜合金成分中，Fe、Mn元素偏析越小，在本发明合金组织中，Al₃FeMn面积占比≥60％。

次生Al₃FeMn相与初生Al₃FeMn相化学成分虽然相同，但是晶体结构和形貌不同，次生Al₃FeMn相在铝铁锰合金中常以鱼骨状和颗粒状形貌出现，次生Al₃FeMn相高温下很稳定，熔炼时作为中间合金添加到高力黄铜合金中，次生Al₃FeMn相会保留到高力黄铜合金组织中，会降低高力黄铜的力学性能，同时它属于硬质颗粒，材料加工时会加快刀具的磨损。因此，在本发明合金组织中，次生Al₃FeMn相的面积占比在5％以下。

作为优选，所述次生Al₃FeMn相呈颗粒状或者鱼骨状，其中，颗粒状次生Al₃FeMn相的平均尺寸≤3μm，鱼骨状Al₃FeMn相的平均尺寸≤10μm，面积占比≤0.1％。次生Al₃FeMn相尺寸越大，负面影响越大，其中鱼骨状的Al₃FeMn相负面影响最为显著，因此在本发明铝铁锰中间合金中，次生Al₃FeMn相形貌需控制为细小的颗粒状，平均尺寸≤3μm，鱼骨状次生Al₃FeMn相的平均尺寸≤10μm，面积占比≤0.1％。次生Al₃FeMn相高温下较稳定，当它在中间合金基体中呈细小的颗粒状分布时，在高力黄铜熔炼时，有利于Fe、Mn的扩散溶解，减小元素偏析，提高成分的均匀性。

作为优选，所述Al₃Fe相呈块状，平均尺寸≤50μm。块状和长条状，块状相比长条状，可以减少Mn的偏析，改善合金元素分布的均匀性，因此，Al3Fe相在本发明合金中形貌应控制为块状。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铝铁锰中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1100～1300℃；

2)浇铸：浇铸温度范围为1100～1200℃，铸锭冷却速度为400-600℃/s。

浇铸温度和凝固速度是控制中间合金质量的重要参数，采用不同的浇铸温度和凝固速度可以得到不同组织形态的中间合金。在较低的浇铸温度和快速凝固条件下，Al₃Fe相生长受到抑制，块状Al₃Fe相是940～1060℃低温浇铸和快速凝固条件下形成的，而在1200℃以上浇铸和低于400℃/s缓慢凝固条件下易形成长条状的Al₃Fe相，而Al₃FeMn相是需在1100℃以上高温浇铸和快速凝固条件下形成。因此，通过控制浇铸温度、铸锭冷却速度控制初生Al₃FeMn相面积占比达60％以上，同时控制Al₃Fe相为块状，并避免Fe元素比重偏析，并且能获得期望的组织形貌。

作为优选，所述步骤1)中，加料顺序：电解铜→铁片→电解锰→铝锭，其中，铁片与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为铁片总质量的0.5～2％；电解锰与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为电解锰总质量的0.5～2％。冰晶石的作用是助熔剂，它能与Fe和Mn的氧化物形成固相的低熔点混合物，加速铁片和电解锰的熔化，否则铁片和电解锰熔化时易产生大量的金属氧化物，漂浮在熔体表面成为氧化渣而不能熔化到液态熔体中，降低了金属收得率。

作为优选，所述步骤1)中，成分化验合格后，向熔炼炉中加入熔体质量的0.02～0.08wt％的Zr，再采用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度不低于80mm。Zr进行脱氧，鳞片石墨覆盖的作用是隔绝Zr与空气中的氧结合而烧损。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明根据高力黄铜Al、Fe、Mn三种元素含量的要求，设计一种铝铁锰三元中间合金，能够合理控制中间合金相的形貌、尺寸和分布比例，获得成分偏析小、相组成合理、熔炼金属收得率高的铝铁锰中间合金，金属收得率在90％以上，解决目前高力黄铜熔炼存在的Fe、Mn元素不易添加、合金成分难调控的难题。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相组织照片。

图2为本发明对比例1的金相组织照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供3个实施例和2个对比例，具体成分见表1。

实施例1的制备步骤如下：

1)熔炼：在200kg中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1100-1250℃，所加原料质量为：铁片：25kg，电解锰：25kg，电解铜：5kg，铝锭：45kg，CuMg50合金：0.37kg，加料顺序：电解铜→铁片→电解锰→铝锭，其中，铁片与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为铁片总质量的0.8％；电解锰与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为电解锰总质量的0.8％，原料全部熔化完后，取样分析化学成分，成分合格后，先向熔炼炉中加入0.085kg的Zr进行脱氧，然后使用烤红的鳞片石墨覆盖，覆盖厚度60mm，再加入0.37kg CuMg50合金充分搅拌。

2)浇铸：浇铸温度为1140-1160℃，熔体直接浇铸到循环冷却水槽中,冷却速度480℃/s。

3)检验。

实施例2的制备步骤如下：

1)熔炼：在350kg中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1140-1260℃，所加原料质量为：铁片：45kg，电解锰：57kg，电解铜：8kg，铝锭：90kg，CuMg50合金：2kg，加料顺序：电解铜→铁片→电解锰→铝锭，其中，铁片与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为铁片总质量的1％；电解锰与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为电解锰总质量的1％，原料全部熔化完后，取样分析化学成分，成分合格后，先向熔炼炉中加入0.18kg的Zr进行脱氧，然后使用烤红的鳞片石墨覆盖，覆盖厚度130mm，再加入2kg CuMg50合金充分搅拌。

2)浇铸：浇铸温度为1120-1150℃，熔体直接浇铸到循环冷却水槽中,冷却速度540℃/s。

3)检验。

实施例3的制备步骤如下：

1)熔炼：在100kg中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1160-1280℃，所加原料质量为：铁片：14kg，电解锰：12kg，电解铜：3.5kg，铝锭：20.5kg，CuMg50合金：0.6kg，加料顺序：电解铜→铁片→电解锰→铝锭，其中，铁片与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为铁片总质量的1.5％；电解锰与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为电解锰总质量的1.5％，原料全部熔化完后，取样分析化学成分，成分合格后，先向熔炼炉中加入0.06kg的Zr进行脱氧，然后使用烤红的鳞片石墨覆盖，覆盖厚度90mm，再加入0.6kg CuMg50合金充分搅拌。

2)浇铸：浇铸温度为1160-1180℃，熔体直接浇铸到循环冷却水槽中,冷却速度570℃/s。

3)检验。

对比例1的制备工艺与实施例1相同。

对比例2与实施例1的区别在于：浇铸温度为1390-1430℃。

对得到的实施例、对比例的微观组织进行以下检测，结果记录于表2；对得到的实施例、对比例的金属收得率和元素偏析进行检测，结果记录于表3。

微观组织：相的尺寸与面积占比在金相显微镜下用软件分析。

金属收得率：中间合金铸坯质量与投入原材料质量总和的比值。

元素偏析：用手工钻在铝铁锰铸锭10不同部位钻取碎屑，用电感耦合等离子光谱发生仪分析碎屑中Al、Fe、Mn三种主合金元素含量，10个检测结果中，元素含量最小值与最大值的差值大小反映元素偏析程度，差值越小，表明该元素在合金中的偏析程度越小。

表1本发明实施例、对比例的成分/wt％

表2本发明实施例、对比例的微观组织

表3本发明实施例、对比例金属收得率与主合金元素偏析

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Claims (7)

1.一种铝铁锰中间合金，其特征在于：该铝铁锰中间合金的质量百分比组成为Fe：20～30wt％，Mn：20～30wt％，Cu：3～7wt％，Mg：0.003～0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的铝铁锰中间合金，其特征在于：该铝铁锰中间合金的相组织包括Al₃Fe相、初生Al₃FeMn相和次生Al₃FeMn，其中，初生Al₃FeMn相的面积占比在60％以上，Al₃Fe相的面积占比为20～38％，次生Al₃FeMn相的面积占比在5％以下。

3.根据权利要求2所述的铝铁锰中间合金，其特征在于：所述次生Al₃FeMn相呈颗粒状或者鱼骨状，其中，颗粒状次生Al₃FeMn相的平均尺寸≤3μm，鱼骨状Al₃FeMn相的平均尺寸≤10μm，面积占比≤0.1％。

4.根据权利要求2所述的铝铁锰中间合金，其特征在于：所述Al₃Fe相呈块状，平均尺寸≤50μm。

5.一种权利要求1至4任一权利要求所述的铝铁锰中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1100～1300℃；

2)浇铸：浇铸温度范围为1100～1200℃，铸锭冷却速度为400-600℃/s。

6.根据权利要求5所述的铝铁锰中间合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，加料顺序：电解铜→铁片→电解锰→铝锭，其中，铁片与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为铁片总质量的0.5～2％；电解锰与冰晶石混合加入，冰晶石添加量为电解锰总质量的0.5～2％。

7.根据权利要求5所述的铝铁锰中间合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，成分化验合格后，向熔炼炉中加入熔体质量的0.02～0.08wt％的Zr，再采用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度不低于80mm。

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