一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法
【專利摘要】本發明屬于金屬材料制備領域，具體涉及到一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法。本發明的原理是：通過將均勻混合的鋁鈦混合粉體在一定溫度下燒結，制備成Al3Ti相顆粒尺寸在2~6范圍內的Al-10wt.%Ti中間合金，然后將該鋁鈦中間加入到工業鋁液中，由于彌散細小的顆粒狀Al3Ti提供了更多有效異質形核核心，可減少變質劑的加入量、縮短變質響應時間，有效提高晶體的形核率，同時，可以降低變質溫度，達到進一步細化工業純鋁晶粒尺寸的目的。
【專利說明】一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬材料制備領域，具體涉及到一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法。
【背景技術】
[0002]鋁及鋁合金是現代工業廣泛使用的重要材料，進一步提高其綜合性能一直是材料科學者研究的重點內容之一；鋁合金由于質輕、比強度高、耐腐蝕、導電導熱性能好、易加工等特性，廣泛應用于機械、航空航天、建筑、電器電子和汽車等領域，尤其是在高新【技術領域】的應用，對鋁錠及鋁坯在后續深加工工藝中的組織也提出了嚴格的要求，而控制其組織和性能的關鍵之一是熔鑄出最佳的鑄態晶粒組織——細小均勻的等軸晶；然而鋁及其合金在鑄造條件下容易形成粗大的晶粒組織，要實現其廣泛應用，必須改善其鑄態組織；晶粒細化對提高鋁及鋁合金產品質量和成品率有極其重要的作用，例如晶粒細化，能使鑄造組織均勻，防止鑄錠裂紋，提高鑄造速度和鑄造成品率，從而改善加工產品的機械性能、加工性能以及內部與表面質量等；A1-Ti系晶粒細化劑在鋁合金中，尤其在半連續或連續鑄造法工業生產鋁鑄錠中以得到了較早的應用，實踐證明，使用Al-Ti晶粒細化劑，通過Al3Ti相的包晶反應是^ (Al)成核，促進了鑄造組織細化；對鋁及鋁合金的組織進行晶粒細化處理，可顯著提高材料的加工工藝性能和力學性能，從而對提高鋁及鋁合金產品質量和成品率有著重要的作用，為獲得優良的鑄態細化晶粒組織，既可 通過在液態鋁及鋁合金中加入細化劑，也可通過控制冷速或借助外加能量(如機械震動、電磁攪拌、對流和超聲波)等細化手段實現；多年來的研究顯示，在鋁熔體中添加細化劑是最簡便有效且成本低廉的細化處理方法。
[0003]目前，工業生產中廣泛采用的鋁合金晶粒細化劑有AlT1、AlTiB等中間合金，與通過加鈦鹽的方法相比較，具有放出氣體少、鈦回收率高和成分容易控制等優點；AlTiC中間合金起源于1949年，Cibula發現碳在Al-Ti 二元合金中生成的TiC具有晶粒細化作用，從而建立了碳化物理論；TiC不易發生聚集沉淀，對導致AlTiB“中毒”的鎬、鉻、錳等元素具有“免疫”功能，但是，AlTiC的細化能力低于AlTiB中間合金，而且表現出明顯的衰減性，再加上制備的復雜程度，一直沒有取代AlTiB的工業應用，由于普通鋁鈦中間合金中的Al3Ti相仍比較粗大，因此其變質作用得不到充分的發揮。
[0004]目前，隨著工業上對純鋁的物理性能和力學性能要求的不斷提高，要求開發變質效果更好的鋁鈦中間合金，一方面要求其加入量更小，降低變質成本；另一方面要求鋁鈦中間合金中的Al3Ti相更加細小且彌散分布，使其對純鋁的變質響應時間更短，提高變質處理效果。
[0005]為了改善鋁鈦中間合金對純鋁的變質效果，專利CN 102994788 A“一種Al_5%Ti中間合金細化純鋁的方法”采用等通道變形制備具有細小塊狀Al3Ti相的Al-5%Ti中間合金，對純鋁進行變質處理后，使純鋁的晶粒尺寸細化到200 以下，獲得了較好的綜合物理力學性能；但是該專利對鋁鈦中間合金經過對多道次的變形處理，變質劑的生產成本過高，且由于擠壓后的鋁鈦中間合金中Al3Ti相仍比較粗大，因此，對工業純鋁的變質處理還有很大的提升空間。
【發明內容】
[0006]本發明的目的主要是通過粉末冶金法制備一種鋁鈦中間合金，提供一種細化工業純鋁的方法。
[0007]一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，包括下述步驟:
A:招欽中間合金制備
將鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1在丙酮介質中球磨混合，將經干燥的鋁鈦混合粉末壓片、真空燒結，制備出Al3Ti相細小彌散分布的Al-lOwt.%Ti中間合金；
B:將工業純鋁塊和常規使用的精煉劑放入石墨坩堝中在69(T710 °C的井式爐里加熱至熔化，保溫l(Tl5min，將Al-lOwt.%Ti中間合金加入到熔融的鋁液中，通過控制鋁鈦中間合金的加入量和變質處理時間，獲得變質效果好的的純鋁液；
C:將變質后的工業鋁液澆入鋼模中冷至室溫得到所需的工業純鋁鑄件。
[0008]步驟A中鋁粉平均粒度在300目以下，納米鈦粉的平均粒度為800nm。
[0009]所述的將鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1在丙酮介質中球磨混合指:先用丙酮和納米鈦粉 配成懸濁液，納米鈦粉的體積分數為丙酮的lvol%，聚氧乙烯20山梨醇酐單油酸酯的加入量為丙酮的lvol%，利用甲酸和氨水調節懸濁液的PH值到7，再進行30min的超聲處理；將鋁粉加入到納米鈦粉懸濁液中，按照鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1，配置鋁鈦混合粉末懸濁液；將鋁鈦混合粉末懸濁液濕法球磨，球磨的轉速為150r/min，球磨時間為2.5小時。
[0010]所述的壓片的壓力為llMPa，壓片直徑為8mm，厚度為2mm;燒結溫度為625 0C，保溫時間為10小時，真空度小于0.1pa ;燒結后的鋁鈦中間合金中Al3Ti相顆粒大小為2 ~6 。
[0011]步驟B中的工業純鋁的熔煉溫度為69(T710 0C ,比采用普通變質劑處理時的熔煉溫度低3(T50 0C ;變質處理相應時間縮短，控制攪拌和靜置時間為30-300秒，當時間僅為30-120秒時就可以取得較佳的變質效果。
[0012]步驟B中中間合金的加入量為工業純鋁重量的0.1-1.0%，變質后的工業純鋁的晶粒平均尺寸在100-165 _之間；與普通變質劑相比，在變質劑加入量相同時，本發明采用的變質劑變質效果更好。
[0013]本發明的原理是:通過將均勻混合的鋁鈦混合粉體在一定溫度下燒結，制備成Al3Ti相顆粒尺寸在2飛范圍內的Al-lOwt.%Ti中間合金，然后將該鋁鈦中間加入到工業鋁液中，由于彌散細小的顆粒狀Al3Ti提供了更多有效異質形核核心，可減少變質劑的加入量、縮短變質響應時間，有效提高晶體的形核率，同時，可以降低變質溫度，達到進一步細化工業純鋁晶粒尺寸的目的。
【具體實施方式】
[0014]實施例1采用長沙天久金屬材料有限公司生產的粒徑小于300目的鋁粉，上海超威納米科技有限公司生產的平均粒度為SOOnm的納米鈦粉，將兩種粉末以質量比為9:1配比分別稱樣，配制Al-Ti混合粉末；在XQM-1型行星球磨機中以150r/min的轉速球磨2.5h，再將粉末在壓片機上以IlMPa壓力壓片成形，壓片直徑為8mm，厚度為2mm，接著將壓片試樣放入剛玉坩堝中，利用自行組裝真空機組密封在石英管中，石英管中的真空度小于0.1pa,將密封的試樣在KBF1400箱式退火爐中625 °C下燒結IOh ;將工業純鋁和精煉劑放入石墨坩堝中在690 0C的井式爐里加熱至熔融，保溫15min，將制備的鋁鈦中間合金加入到熔融的鋁液中，中間合金的加入量為純鋁重量的0.1%，在鋁液表面覆蓋一層經過脫水處理的NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:47:23重量比配制的復合鹽覆蓋劑，對熔體進行攪拌和靜置30s，將鋁液澆入鋼模中，脫模，水冷至室溫。
[0015]將澆鑄好的鋁錠，在距底部上方20mm處鋸開，制備金相試樣，觀察顯微組織，測量晶粒尺寸，利用HXD-1000TMC維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測量。
[0016]實施例2
采用長沙天久金屬材料有限公司生產的粒徑小于300目的鋁粉，上海超威納米科技有限公司生產的平均粒度為SOOnm的納米鈦粉，將兩種粉末以質量比為9:1配比分別稱樣，配制Al-Ti混合粉末；在XQM-1型行星球磨機中以150r/min的轉速球磨2.5h，再將粉末在壓片機上以IlMPa壓力壓片成形，壓片直徑為8mm，厚度為2mm，接著將壓片試樣放入剛玉坩堝中，利用自行組裝真空機組密封在石英管中，石英管中的真空度小于0.lpa，將密封的試樣在KBF1400箱式退火爐中625 °C下燒結IOh ;將工業純鋁和精煉劑放入石墨坩堝中在700 的井式爐里加熱至熔融，保溫12min ;將制備的鋁鈦中間合金加入到熔融的鋁液中，中間合金的加入量為純鋁重量的0.1%，在鋁液表面覆蓋一層經過脫水處理的NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:47:23重量比配制的復合 鹽覆蓋劑，對熔體進行攪拌和靜置240s，將鋁液澆入鋼模中，脫模，水冷至室溫。
[0017]將澆鑄好的鋁錠，在距底部上方20mm處鋸開，制備金相試樣，觀察顯微組織，測量晶粒尺寸，利用HXD-1000TMC維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測量。
[0018]實施例3
采用長沙天久金屬材料有限公司生產的粒徑小于300目的鋁粉，上海超威納米科技有限公司生產的平均粒度為SOOnm的納米鈦粉，將兩種粉末以質量比為9:1配比分別稱樣，配制Al-Ti混合粉末；在XQM-1型行星球磨機中以150r/min的轉速球磨2.5h，再將粉末在壓片機上以IlMPa壓力壓片成形，壓片直徑為8mm，厚度為2mm，接著將壓片試樣放入剛玉坩堝中，利用自行組裝真空機組密封在石英管中，石英管中的真空度小于0.1pa,將密封的試樣在KBF1400箱式退火爐中625 eC下燒結10h，將工業純鋁和精煉劑放入石墨坩堝中在710 0C的井式爐里加熱至熔融，保溫lOmin，將制備的鋁鈦中間合金加入到熔融的鋁液中，中間合金的加入量為純鋁重量的0.3%，在鋁液表面覆蓋一層經過脫水處理的NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:47:23重量比配制的復合鹽覆蓋劑，對熔體進行攪拌和靜置60s，將鋁液澆入鋼模中，脫模，水冷至室溫。
[0019]將澆鑄好的鋁錠，在距底部上方20mm處鋸開，制備金相試樣，觀察顯微組織，測量晶粒尺寸，利用HXD-1000TMC維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測量。[0020]實施例4
采用長沙天久金屬材料有限公司生產的粒徑小于300目的鋁粉，上海超威納米科技有限公司生產的平均粒度為SOOnm的納米鈦粉，將兩種粉末以質量比為9:1配比分別稱樣，配制Al-Ti混合粉末，在XQM-1型行星球磨機中以150r/min的轉速球磨2.5h，再將粉末在壓片機上以IlMPa壓力壓片成形，壓片直徑為8mm，厚度為2mm，接著將壓片試樣放入剛玉坩堝中，利用自行組裝真空機組密封在石英管中，石英管中的真空度小于0.lpa。將密封的試樣在KBF1400箱式退火爐中625 0C下燒結10h，將工業純鋁和精煉劑放入石墨坩堝中在710 0C的井式爐里加熱至熔融，保溫lOmin，將制備的鋁鈦中間合金加入到熔融的鋁液中，中間合金的加入量為純鋁重量的0.6%，在鋁液表面覆蓋一層經過脫水處理的NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:47:23重量比配制的復合鹽覆蓋劑，對熔體進行攪拌和靜置90s，將鋁液澆入鋼模中，脫模，水冷至室溫。
[0021]將澆鑄好的鋁錠，在距底部上方20mm處鋸開，制備金相試樣，觀察顯微組織，測量晶粒尺寸，利用HXD-1000TMC維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測量。
[0022]實施例5
采用長沙天久金屬材料有限公司生產的粒徑小于300目的鋁粉，上海超威納米科技有限公司生產的平均粒度為SOOnm的納米鈦粉，將兩種粉末以質量比為9:1配比分別稱樣，配制Al-Ti混合粉末；在XQM-1型行星球磨機中以150r/min的轉速球磨2.5h，再將粉末在壓片機上以IlMPa壓力壓片成形，壓片直徑為8mm，厚度為2mm，接著將壓片試樣放入剛玉坩堝中，利用自行組裝真空機組密封在石英管中，石英管中的真空度小于0.lpa。將密封的試樣在KBF1400箱式退火爐中625 °C下燒結IOh ;將工業純鋁和精煉劑放入石墨坩堝中在690 0C的井式爐里加熱至熔融，保溫15min ;將制備的鋁鈦中間合金加入到熔融的鋁液中，中間合金的加入量為純鋁重量的1.0%，在鋁液表面覆蓋一層經過脫水處理的NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:47:23重量比配制的復合鹽覆蓋劑，對熔體進行攪拌和靜置120s，將鋁液澆入鋼模中，脫模，水冷至室溫。
[0023]將澆鑄好的鋁錠，在距底部上方20mm處鋸開，制備金相試樣，觀察顯微組織，測量晶粒尺寸，利用HXD-1000TMC維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測量。
[0024]工業純鋁及實施例1~5細化方法下晶粒大小和顯微硬度測試結果見表1。可以看出，在工業純鋁中加入本方法制備的鋁鈦中間合金后，并且隨著中間合金加入量的增加，純鋁晶粒尺寸明顯減小，顯微硬度呈明顯上升趨勢。
[0025]因此采用本發明的鋁鈦中間合金細化工業純鋁方法，即在工業純鋁液中添加經燒結工藝制備的鋁鈦中間合金，與專利CN 102994788 A相比，在相同的鈦加入量時，本方法制備的工業純鋁的晶粒尺寸更佳細小。在本專利所述的實驗條件下，經變質處理后的工業純鋁晶粒尺寸在100-165 μ m,能獲得較好的力學性能。
[0026]表1工業純鋁及實施例1~5細化方法下晶粒平均大小和顯微硬度
【權利要求】
1.一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于包括下述步驟: A:招欽中間合金制備 將鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1在丙酮介質中球磨混合，將經干燥的鋁鈦混合粉末壓片、真空燒結，制備出Al3Ti相細小彌散分布的Al-lOwt.%Ti中間合金； B:將工業純鋁塊和常規使用的精煉劑放入石墨坩堝中在690-7100C的井式爐里加熱至熔化，保溫l(Tl5min，將Al-lOwt.%Ti中間合金加入到熔融的鋁液中，通過控制鋁鈦中間合金的加入量和變質處理時間，獲得變質效果好的的純鋁液； C:將變質后的工業鋁液澆入鋼模中冷至室溫得到所需的工業純鋁鑄件。
2.如權利要求1所述的一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于:步驟A中鋁粉平均粒度在300目以下，納米鈦粉的平均粒度為800nm。
3.如權利要求1所述的一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于:所述的將鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1在丙酮介質中球磨混合指:先用丙酮和納米鈦粉配成懸濁液，納米鈦粉的體積分數為丙酮的lvol%，聚氧乙烯20山梨醇酐單油酸酯的加入量為丙酮的lvol%，利用甲酸和氨水調節懸濁液的PH值到7，再進行30min的超聲處理；將鋁粉加入到納米鈦粉懸濁液中，按照鋁粉和經過修飾的納米鈦粉以質量比為9:1，配置鋁鈦混合粉末懸濁液；將鋁鈦混合粉末懸濁液濕法球磨，球磨的轉速為150r/min，球磨時間為2.5小時。
4.如權利要求1所述的一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于:所述的壓片的壓力為llMPa，壓片直徑為8mm，厚度為2mm ;燒結溫度為625 °C ,保溫時間為10小時，真空度小于0.1pa ;燒結后的鋁鈦中間合金中Al3Ti相顆粒大小為2飛Miil。
5.如權利要求1所述的一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于:步驟B中的工業純鋁的熔煉溫度為69(T710 °C,比采用普通變質劑處理時的熔煉溫度低30^50 0C ;變質處理相應時間縮短，控制攪拌和靜置時間為30~300秒，當時間僅為3(Tl20秒時就可以取得較佳的變質效果。
6.如權利要求1所述的一種鋁鈦中間合金細化工業純鋁的方法，其特征在于:步驟B中中間合金的加入量為工業純鋁重量的0.f 1.0%，變質后的工業純鋁的晶粒平均尺寸在100-165 之間；與普通變質劑相比，在變質劑加入量相同時，本發明采用的變質劑變質效果更好。
【文檔編號】C22C21/00GK103627917SQ201310544122
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】王建華, 伍波, 李廣宇, 蘇旭平, 涂浩, 劉亞 申請人:常州大學