CN1243127C - 一种稀土铝硅钛合金的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种稀土铝硅钛合金的生产方法。该方法先在工业铝电解槽中添加氧化钛或氟化钛重量百分比0.3～4%和混合稀土碳酸盐重量百分比0.1～2%，控制合适的分解电压4～6v，制备出含钛重量百分比0.2～1%和含稀土重量百分比0.1～0.5%的铝合金。然后在真空包或混合炉的液态稀土铝钛合金中利用喷射粉末设备，以氮气或氩气作为载体将硅粉带入铝熔体内，制得各种牌号的含钛和稀土的铸造铝硅合金材料。本方法硅含量控制准确，保温时间短，熔体成分均匀，易实现合金化的自动操作，减少环境污染，可降低生产稀土铝硅钛合金成本，提高硅的实收率，达到98%以上。最主要的特点是避免了直接在电解槽中生产含硅铝钛合金时加入的氧化硅对电流效率和生产工艺造成的不利影响。
Description
技术领域：
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种稀土铝硅钛合金的生产方法。
背景技术：
铸件是铝合金重要用途之一，全世界每年约有30％的纯铝以砂模、金属模和压力铸造等形式用于铝合金铸件生产，是交通运输和汽车制造工业等不可缺少的重要材料。随着社会的发展，汽车、轮船、拖拉机等运载工具需要具有高耐磨性和高热稳定性铸造铝硅合金，用来制造内燃机发动机以提高发动机的性能。为了提高铸造铝硅合金的耐磨性和热稳定性，在铝硅合金中，加入少量的钛，能起细化洁净组织、增加耐磨性和抗蚀性，提高合金强度和增大热稳定性的作用，满足要求。美国、日本、英国、法国等先进国家已经广泛使用含钛的铸造铝硅合金，其用量已经达到全部铸造铝硅合金的80～100％。这些合金主要应用在汽车发动机汽缸和活塞以及其他的零部件，使发动机获得了节能和降低烟气排放的好效果。此外，含钛的铝硅铸造合金还可以制造机电产品、农业机械、轻工产品和国防工业等方面。除了在铝硅合金中添加钛以外，加入稀土元素也能提高铸造铝硅合金的性能。在铝硅钛合金中添加稀土元素能使合金性能更优良。稀土元素的原子比铝原子对于氢、氧、氮等气体的亲和力大，易从铝中夺取这些气体生成化合物而浮到液面造渣排除，同时稀土还能与铁、铜等金属杂质生成金属间化合物而析出，从而起到除气排杂的作用。此外，添加稀土还可以起到细化结晶组织和变质作用，稀土原子易于附着在铝及其合金晶粒新相表面的缺陷处，阻碍晶粒继续长大，从而使结晶组织细化。因此添加稀土可以使合金材料的机械强度、硬度、表面抛光度、耐磨性和热稳定性都明显提高，同时还能提高合金液体的流动性、减少铸件偏析、气孔和表面裂纹，提高铸件成品率。
铝硅铸造合金的传统生产方法是用纯金属熔融配制，即兑掺法。含钛和稀土的铝硅钛合金则是用纯铝纯硅熔配成铝硅中间合金，然后再加少量钛和稀土。由于这几种纯金属制取过程复杂，使得合金的生产流程长、成本高、能耗大。为了降低含钛铝硅合金的生产成本，专利申请号为94116235.4的发明专利提出在铝电解槽中以除铁含硅钛氧化铝为原料直接生产铝硅钛合金工艺。这种直接电解法生产铝硅钛合金应该比对掺法带来更大的社会效益和经济效益，但没有推广应用的原因是在电解过程中大量氧化硅的存在，导致电流效率大大降低，阳极氧化严重，不能进行正常工业生产，抵消了由于采用直接电解法带来的好处。直到目前我国含钛铸造铝硅合金的品种仍然较少，且采用对掺法生产成本较高。
发明内容：
本发明目的是要解决直接电解法生产铝硅钛合金存在的电流效率低，阳极氧化严重的问题。
一种稀土铝硅钛合金的生产方法，该方法采用熔盐电解和粉末喷射技术联合生产方法，以氧化钛或氟化钛和混合稀土化合物为原料，在工业电解槽上直接生产出稀土铝钛合金，然后在真空包或混合炉中用粉末喷射技术加入硅粉，从而得到各种牌号的稀土铝硅钛合金。生产步骤如下：
1.使用的电解槽为工业用自焙槽或预焙槽，氧化铝、氧化钛或氟化钛及混合稀土碳酸盐为电解原料；
2.将以上原料用于工业铝电解槽，在冰晶石体系的电解质中直接电解生产含稀土和钛的铝合金，冰晶石体系电解质的重量百分比为：冰晶石70～95％，氟化钙3～6％，氟化镁0～10％，氟化锂0～10％，氯化钠0～10％；电解质冰晶石中氟化钠和氟化铝的摩尔比为2～2.7。
3.工业电解槽操作控制参数为：电解温度930～970℃，工作电压4～6V，电极距离3.5～5cm，电解质中氧化铝重量百分比浓度为3～5％，添加氧化钛与氟化钛重量百分比0.3～4％、混合稀土碳酸盐重量百分比0.1～2％；
4.在真空包或混合炉的液态稀土铝钛合金中利用喷射粉末设备，以氮气或氩气作为载体将硅粉带入铝熔体内，制得各种牌号的含钛和稀土的铸造铝硅合金材料，硅粉颗粒尺寸为0.1～0.4mm，真空包或混合炉的保温温度为850～910℃，氮气或氩气用量为10～20L/kg硅粉，气流量为550～850L/min，给料率为40～50kg/min。用本发明生产的稀土铝硅钛合金主要成分重量百分比范围为：稀土0.1～0.5％、钛0.2～1％、硅8～13％，其余为铝和其他微量杂质。
与已有技术相比，本发明有以下特点：
1.本方法电解技术可降低生产稀土铝硅钛合金成本，硅粉末喷射技术能使硅的实收率高，可达到98％以上，硅含量控制准确，保温时间短，熔体成分均匀，易实现合金化的自动操作，减少环境污染，最主要的特点是避免了直接在电解槽中生产含硅铝合金时加入的氧化硅对电流效率和生产工艺造成的不利影响；
2.本发明方法具有灵活性，在第一步生产出稀土钛铝合金后，根据市场需求，既能加高含量硅生产高强度耐磨合金，又可加镁和低含量硅生产稀土铝导线。产业化投资少，仍然使用原来电解设备，只是投资购置喷射硅粉设备；
3.本发明生产的稀土铝硅钛合金铸造铝硅合金中与相同成分的铝硅合金相比，可以使高温强度提高30％以上；耐磨性提高3～4倍，使用寿命延长4倍左右；热膨胀系数下降20％左右，使活塞与缸套的间隙减小50％，而活塞与缸套间隙的减少有利于汽车等运输工具的节能和降低烟气的排放量。我国汽车、轮船、拖拉机等工业的发展急需开发和生产这种具有高耐磨性和高热稳定性的铸造稀土铝硅钛合金材料，提高内燃机车机发动机与汽车性能，特别是轿车的性能，增强在国际上竞争能力。
具体实施方式：
结合本发明的内容，提供以下二个实施例：
实施例1：在60kA侧插自焙阳极电解槽上用本发明制备稀土铝硅钛合金
1.将氧化钛或氟化钛、混合稀土碳酸盐和氧化铝为原料用于60kA侧插自焙阳极电解槽，冰晶石体系电解质的重量百分比为：冰晶石87％，氟化钙4％，氟化镁3％，电解质冰晶石中氟化钠和氟化铝的摩尔比为2.6；
2.工业电解槽操作控制参数为：电流强度60000安培，电解温度950℃，工作电压4.3V，电极距离4.2cm，电解质中氧化铝重量百分比浓度为5％，添加氧化钛或氟化钛重量百分比0.5％，混合稀土碳酸盐重量百分比0.2％；
3.在混合炉的液态稀土铝钛合金中利用喷射粉末设备，以氮气作为载体将硅粉带入铝熔体内，制得各种牌号的含钛和稀土的铸造铝硅合金材料，硅粉颗粒尺寸为0.2～0.3mm，混合炉的保温温度为900℃，氮气用量为14L/kg硅粉，气流量为570L/min，给料率为43kg/min。用本发明生产的稀土铝硅钛合金主要成分百分比范围为：稀土0.2％、钛0.4％、硅10.7％，其余为铝和其他微量杂质。
实施例2：在70kA预焙阳极电解槽上用本发明制备稀土铝硅钛合金
1.将氧化钛或氟化钛、混合稀土碳酸盐和氧化铝为原料用于70kA预焙阳极电解槽，冰晶石体系电解质的重量百分比为：冰晶石85％，氟化钙3％，电解质冰晶石中氟化钠和氟化铝的摩尔比为2.2，
2.工业电解槽操作控制参数为：电流强度70000安培，电解温度945℃，工作电压4.4V，电极距离4.5cm，电解质中氧化铝重量百分比浓度为3％，添加氧化钛或氟化钛重量百分比为1％，混合稀土碳酸盐重量百分比为0.2％；
3.在混合炉的液态稀土铝钛合金中利用喷射粉末设备，以氩气作为载体将硅粉带入铝熔体内，制得各种牌号的含钛和稀土的铸造铝硅合金材料，硅粉颗粒尺寸为0.3mm，混合炉的保温温度为900℃，氩气用量为18L/kg硅粉，气流量为620L/min，给料率为48kg/min。用本发明生产的稀土铝硅钛合金主要成分重量百分比范围为：稀土0.18％、钛0.5％、硅12％，其余为铝和其他微量杂质。
Claims (1)
1、一种生产稀土铝硅钛合金的生产方法，其特征在于：
(1)电解槽为工业用自焙槽或预焙槽，氧化铝、氧化钛或氟化钛及混合稀土碳酸盐为熔盐电解原料；
(2)将以上原料用于工业铝电解槽，在冰晶石体系的电解质中直接电解生产含稀土和钛的铝合金，冰晶石体系电解质的重量百分比为：
冰晶石70～95％，氟化钙3～6％，氟化镁0～10％，氟化锂0～10％，氯化钠0～10％；电解质冰晶石中氟化钠和氟化铝的摩尔比为2～2.7，
(3)工业电解槽操作控制参数为：
电解温度930～970℃，工作电压4～6V，电极距离3.5～5cm，电解质中氧化铝重量百分比为3～5％，氧化钛或氟化钛重量百分比为0.3～4％，混合稀土碳酸盐重量百分比为0.1～2％；
(4)在真空包或混合炉的液态稀土铝钛合金中利用喷射粉末设备，以氮气或氩气作为载体将硅粉带入铝熔体内，制得各种牌号的含钛和稀土的铸造铝硅合金材料，硅粉颗粒尺寸为0.1～0.4mm，真空包或混合炉的保温温度为850～910℃，氮气或氩气用量为10～20L/kg硅粉，气流量为550～850L/min，给料率为40～50kg/min。
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