CN1203199C - 用于铝及铝合金Al－Ti－C系复合晶粒细化剂及其燃烧合成工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是用于铝及铝合金Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，包括铝、钛、碳元素，其反应物和合成后细化剂是由铝、钛、碳、稀土组成，其配制方法为：在球磨机上混料，将球磨后的混合物压成圆柱状坯样，在真空中或惰性气体保护下进行燃烧合成，采用热爆模式时，加热速度为10-40℃/min；采用自蔓延模式时，保温温度为400-450℃左右，保温时间≥15min；反应后采用惰性气流快速冷却，即得中间合金。

Description

用于铝及铝合金Al-Ti-C系复合晶粒细化剂及其燃烧合成工艺

技术领域

本发明涉及铝及铝合金复合晶粒细化剂Al-Ti-C及其燃烧合成工艺，属金属材料加工技术领域。

背景技术

作为铝及各种铝合金的晶粒细化剂的中间合金可明显提高铝及铝合金的机械性能和物理性质。特别在生产纯铝及铝合金带材和箔材时必须加入细化合金，加入量为3％。国内外铝及铝合金晶粒细化合金主要有：Al-Ti，Al-Ti-B，Al-Ti-B-RE，和Al-Ti-C系列，产品形式有合金锭和线材。近年来，主要以线材形式供货，应用比较成熟的合金系列有Al-Ti-B，Al-Ti-B-RE，而Al-Ti-C系列正在研究和开发。Al-Ti-B晶粒细化剂的研制，使细化效果显著增加，但随着该中间合金的循环使用，废料中可带来一定量的硼，可能对一些产品产生污染，同时，作为晶粒细化剂有效成分的TiB₂，在细化过程中聚集、沉淀，对产品性能和美观产生不良影响，而且，在含Cr-、Mn-和Zr-的铝合金中，Al-Ti-B中间合金表现出极弱或完全失去其晶粒细化能力，也就是通常所说的晶粒细化剂“中毒”现象。Al-Ti-C系晶粒细化剂可以成功地解决这一问题。但由于铝熔体不湿润C，使之合金化很困难。长期以来，Al-Ti-C未实现工业生产和应用。目前，国际上Al-Ti-C系中间合金细化剂的制备主要是参照Banerji和Reif于80年代中期发表的专利；在国内，清华大学的方鸿生，李建国和张柏清等也于1998年申请了类似的专利。即在感应炉或电阻炉中熔化铝钛合金至1000℃-1200℃左右，加入稀土或碱土金属或它们的混合物作为活化剂，1-2分钟后加入石墨粉，采用机械或电弧搅拌的方式加速反应的进行，保温一段时间后，除渣浇铸成锭，得到晶粒细化剂产品。其生产工艺复杂，稀土价格昂贵，原料和工艺成本很高，而且生产不稳定，成分不均匀。最主要的，是熔炼技术不能从本质上解决C的加入量问题。因此，不足以满足大规模的工业生产和应用。

发明内容

本发明是一种用于铝及铝合金Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，包括铝、钛、碳元素，反应物和合成后细化剂的组成为：

    按重量百分比为：

    成分                        含量(重量％)

    铝(Al)                      35.00-81.00

    钛(Ti)                      10.01-50.00

    碳(C)                       4.01-10.00

    稀土(Re)                    0.001-5.00

上述稀土元素Re为分散剂和净化剂。

燃烧合成以上所述Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的燃烧合成工艺，按以上所述的成分配方配制原料：

(1)在球磨机上混料，时间2-4小时，转速100-300转/分钟，球料比1-20；

(2)将球磨后的混合物压成圆柱状坯样，压力分别采用75-150MPa；

(3)在真空中或惰性气体保护下进行燃烧合成，采用热爆模式时，加热速度为10-40℃/min；采用自蔓延模式时，保温温度为400-450℃左右，保温时间≥15min；反应后采用惰性气流快速冷却，即得中间合金。

具体实施方式

本发明是一种用于燃烧合成Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，包括铝、钛、碳元素，其组成为：按重量百分比为：

    成分                         含量(重量％)

    铝(Al)                       0-81.00

    钛(Ti)                       10.01-50.00

    碳(C)                        4.01-10.00

    稀土(Re)                0.001-5.00

上述稀土元素Re为分散剂和净化剂。

燃烧合成以上所述Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的燃烧合成工艺，按以上所述的成分配方配制原料，然后：

(1)在球磨机上混料，时间2-4小时，转速100-300转/分钟，球料比1-20；

(2)将球磨后的混合物压成圆柱状坯样，压力分采用75-150MPa；

(3)在真空中或惰性气体保护下进行燃烧合成，采用热爆模式时，按以下步骤进行：

(3)-1-1、将压制成形的坯料放在反应炉中，抽真空后充入惰性气体保护，采用10-40℃/min的加热速度加热，在660℃-780℃时激活放热反应

                    

当温度记录仪显示试样温度发生突变后，关掉加热电源。放出的热量足以维持上述反应的自发进行，并使温度升高到足以激活并维持第二步反应自发进行，即：

                    

                    

                    

(3)-1-2、反应完成后，通入惰性气流使试样快速冷却。

采用自蔓延燃烧合成模式时，按以下步骤进行：

(3)-2-1、将压制成形的坯料放在反应炉中，抽真空后充入惰性气体保护。采用一定的加热速度将试样加热到400-450℃左右后保温15min以上，然后采用电弧从一端点燃试样，当温度记录仪显示试样温度发生突变后，熄弧。SHS反应自发进行；

(3)-2-2、反应完成后，通入惰性气流使试样快速冷却；

以上燃烧合成所得的细化剂可直接用于铝及铝合金的晶粒细化，或者：

(4)、进行第二步加工。即将燃烧合成的试样在800℃左右的铝熔体中稀释到含Ti量为3重量％，即可用之细化铝及铝合金的晶粒。

本发明制备的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂在细化铝及铝合金时，细化剂的添加量按使含Ti量为0.01-0.05重量％计算。随铝及铝合金种类和铸造工艺不同，细化温度在600-900℃不等。有效时间在2小时以上。对工业纯铝，按含Ti量为0.03重量％加入采用本发明工艺制备的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂时，晶粒尺寸都可细化至95微米以下，大部分在75微米左右。对铝合金，晶粒尺寸可细化至135-150微米以下。

采用本发明的燃烧合成工艺制备Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，可以从根本上解决C的加入量问题。因为反应基本上是从固态或准固态条件下开始，反应前可以很容易地将C在反应物中混合均匀，与Ti充分接触，反应时液态停留时间极短，放热反应提供的高温极大地提高了铝熔体对C的湿润性；同时由于Al₃Ti和TiC相在燃烧合成过程中原位(in situ)生成，加之反应时间极短，使其以较小的尺寸存在于铝基体的晶界，而来不及偏聚和长大成为尺寸较大的颗粒，因而可在Ti、C含量很高的情况下在稀释和细化过程中均匀的分解并分散开来，作为有效的形核质点细化晶粒；再者，由于反应时温度很高，可以蒸发掉一些杂质和杂相，具有自身净化效果；而且，采用本发明的燃烧合成工艺制备Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，设备和工艺都比较简单，能耗极小，生产成本很低，细化效果好，适合大规模的工业生产和推广应用。

Claims (2)

1、用于铝及铝合金Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，包括铝、钛、碳元素，其特征在于细化剂的组成按重量百分比为：铝(Al)35-81.00％，钛(Ti)10.01-50.00％，碳(C)4.01-10.00％，稀土(Re)0.001-5.00％，稀土元素Re为分散剂和净化剂。

2、燃烧合成权利要求1所述Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的燃烧合成工艺，按权利要求1中的成分配方配制原料，其特征在于：

(1)在球磨机上混料，时间2-4小时，转速100-300转/分钟，球料比1-20；

(2)将球磨后的混合物压成圆柱状坯样，压力分别采用75-150MPa；

(3)在真空中或惰性气体保护下进行燃烧合成，采用热爆模式时，加热速度为10-40℃/min；采用自蔓延模式时，保温温度为400-450℃左右，保温时间≥15min；反应后采用惰性气流快速冷却，即得中间合金。