專利名稱：AI－Ti－C晶粒細(xì)化劑及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化劑及其制造工藝。
目前，Al-Ti-B中間合金是鋁及鋁合金中最常用的晶粒細(xì)化劑，在一些鋁及鋁合金中具有良好的晶粒細(xì)化效果。但該細(xì)化劑仍存在如下一些問題(1)Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的冶金質(zhì)量差，夾雜物含量高，在細(xì)化鋁及鋁合金晶粒的同時也污染了鋁及鋁合金。(2)Al-Ti-B中TiB2粒子尺寸較大，容易在鋁液中聚集下沉，且易被鋁液中微量的Zr、Cr、Mn等元素“毒化”，從而不僅導(dǎo)致鑄錠變形加工產(chǎn)品的質(zhì)量下降，而且還會出現(xiàn)晶粒細(xì)化效果衰退現(xiàn)象。(3)Al-Ti-B中的化合物，真正起非均質(zhì)形核基底作用的不到1％，其形核潛能遠(yuǎn)未發(fā)揮出來。(4)Al-Ti-B的組織結(jié)構(gòu)對制備工藝參數(shù)極其敏感，影響其生產(chǎn)及應(yīng)用的穩(wěn)定性。因此，鋁工業(yè)界很久以來一直希望有一種可接受的Al-Ti-B中間合金晶粒細(xì)化劑的代用品。未來鋁及鋁合金晶粒細(xì)化劑和發(fā)展趨勢是研制高效、潔凈、穩(wěn)定型中間合金晶粒細(xì)化劑。自從1949年Cibula提出TiC在晶粒細(xì)化中的重要作用以來，人們發(fā)現(xiàn)含TiC粒子的Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑較少存在與Al-Ti-B細(xì)化劑有關(guān)的缺陷，并已公認(rèn)含TiC粒子的Al-Ti-C中間合金是最有發(fā)展前途的鋁用晶粒細(xì)化劑。國內(nèi)外許多研究者對Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑的制造方法進(jìn)行了探索。但由于碳與液態(tài)鋁不潤濕，傳統(tǒng)的冶煉方法均未成功。直至80年代中期，德國的A.Banerji和W.Reif采用機(jī)械攪拌或感應(yīng)熔煉的方法將約2wt％的預(yù)熱石墨或無定形碳粉加至Al-5～10wt％Ti合金液中，成功地制備了含有TiC粒子的Al-Ti-C中間合金，并獲得了多國專利，專利號UK2171723A，US835747。隨后，我國的方鴻生等人將氟鈦酸鹽(K2TiF6或Na2TiF6)、石墨粉和鋁粉包于鋁箔中，然后加入到鋁液中，并在一定的機(jī)械攪拌的作用下，也制備了含TiC粒子的Al-Ti-C中間合金，并于1998年獲得專利號98119378.1的中國專利。用上述兩種方法制備的Al-Ti-C中間合金均具有優(yōu)良的晶粒細(xì)化效果，甚至在某些情況下，其晶粒細(xì)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Al-Ti-B商用中間合金。但是，上述兩種制備方法，依然屬于傳統(tǒng)的冶煉方法范疇，即在鋁液的熔煉過程中，讓外加的原料在鋁液中合成TiC，然后鑄造成形，獲得所需的Al-Ti-C中間合金細(xì)化劑。這種冶煉方法不僅工序復(fù)雜，工藝難以穩(wěn)定控制，而且不可避免帶入外來的夾雜物，也難以制備TiC粒子含量大于15％的Al-Ti-C中間合金細(xì)化劑，從而難以實現(xiàn)高效、潔凈、穩(wěn)定型Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制備。
本發(fā)明提出的一種Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑，其成份重量百分比為Ti 30-60％，C 7-15％其系為Al。
本發(fā)明提出的所述的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制造工藝，包括如下步驟(1)按所述比例配好的Al粉，Ti粉和C粉球磨混料10～24小時，(2)將混合料冷壓成30～60％相對密實度的預(yù)制塊備用，(3)對上述預(yù)制塊在100-200℃溫度下保溫烘干，(4)烘干處理后的預(yù)制塊置于含高純氬氣的反應(yīng)室內(nèi)，使鎢絲高溫點燃預(yù)制塊，發(fā)生自蔓延合成反應(yīng)，(5)自蔓延合成反應(yīng)完成后，取出預(yù)制塊并冷卻，即得到所需Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑。
所述的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制造工藝，其進(jìn)一步特征在于(1)球磨混料時磨球為Al2O3球，球料比為1/2～1/5，(2)保溫烘干在備用的預(yù)制塊使用前進(jìn)行，烘干處理時間為0.5-1小時。
與其它工藝相比，采用SHS技術(shù)制備Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑具有如下特點(1)工藝簡便，節(jié)省能源，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因為SHS技術(shù)無需復(fù)雜的合成設(shè)備，且反應(yīng)一旦點燃，則不需外部再提供任何能量，整個燃燒合成過程完全依靠自身放出的熱量自動、快速(2～15mm/s)地完成。(2)SHS過程中的燃燒溫度高達(dá)3000K以上，可使原料中的夾雜物揮發(fā)掉，實現(xiàn)潔凈細(xì)化劑的制備。(3)SHS過程中存在較大的溫度梯度，且合成細(xì)化劑中的TiC粒子系從鋁基體中原位(in situ)合成、長大的。因此，細(xì)化劑中的TiC粒子具有很高的活性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，前者可保證合成的細(xì)化劑具有有效的晶粒細(xì)化效果，后者則保證合成的細(xì)化劑具有強(qiáng)的抗晶粒細(xì)化效果衰退的能力。(4)合成的細(xì)化劑為多孔狀，既有利于破碎分裝又有利于使用時在鋁液中的快速，均勻分散，提高晶粒細(xì)化效果。(5)采用傳統(tǒng)的冶煉方法一般難以合成TiC粒子含量大于15％的晶粒細(xì)化劑，但采用SHS技術(shù)很容易做到這一點，而且合成的細(xì)化劑中，各組成相的含量、尺寸等可通過調(diào)整SHS工藝參數(shù)得以有效控制，具有良好的生產(chǎn)穩(wěn)定性。因此，采用SHS技術(shù)可實現(xiàn)高效、潔凈、穩(wěn)定型Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的低成本制備。
在高純純氬氣的反應(yīng)室，發(fā)生自蔓延反應(yīng)制得晶粒細(xì)化劑，該細(xì)化劑中合成的TiC尺寸為3～4μm，產(chǎn)品較致密，在鋁液中加入量為0.5wt％時，凝固的試樣為等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸細(xì)化至200μm左右，其晶粒細(xì)化效果穩(wěn)定性0.5小時左右。
實施例240％Ti+10％C+50％Al(1)球磨混料10小時，磨球Al2O3，球料比1/4；(2)混合料冷壓為相對密實度50％的預(yù)制塊；(3)預(yù)制塊在100℃烘干1小時。
自蔓延反應(yīng)同上，制得細(xì)化劑中合成的TiC尺寸2～3μm，產(chǎn)品疏松程度中等，在鋁液中加入量為0.2wt％時，凝固的試樣為等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸細(xì)化至150～200μm，其晶粒細(xì)化效果穩(wěn)定性為1小時。
實施例356％Ti+14％C+30％Al(1)球磨混料12小時，磨球Al2O3，球料比1/5，(2)混合料冷壓為相對密實度40％的預(yù)制塊，(3)預(yù)制塊在150℃烘干處理0.5小時。
自蔓延反應(yīng)同上，制得細(xì)化劑中合成的TiC晶粒尺寸約1μm，產(chǎn)品疏松多孔，約有30％的孔隙，在鋁液中加入量為0.1wt％時，凝固的試樣具有細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸約150μm。


圖1(a)為該細(xì)化劑斷口形貌，圖1(b)為其顯微結(jié)構(gòu)，可見TiC為約1μm的球狀顆粒，且在鋁基體中弧立分布，未發(fā)現(xiàn)TiC粒子聚集的現(xiàn)象。
采用合成的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑，對工業(yè)純鋁(99.7wt％)進(jìn)行了晶粒細(xì)化效果實驗。圖2顯示了細(xì)化劑的加入量對凝固試樣(Φ35mm×60mm)的宏觀組織結(jié)構(gòu)的影響(細(xì)化溫度1003K，保溫時間3min，試樣為室溫鋼模鑄造)?？梢?，當(dāng)鋁液未經(jīng)細(xì)化處理時，凝固的試樣具有粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)(圖2(a))，而在鋁液中加入僅僅0.02wt％的晶粒細(xì)化劑3min后，凝固的試樣即轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶(圖2(b))。而且，隨著細(xì)化劑加入量增加為0.05wt％，晶粒變得越來越細(xì)(圖2(c))。當(dāng)細(xì)化劑的加入量為0.1wt％時，凝固的試樣具有細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu)(圖2(d))。因此，合成的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑不僅晶粒細(xì)化效果顯著，而且生效迅速。
為了進(jìn)一步考察合成的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的晶粒細(xì)化效果穩(wěn)定性，研究了鋁液的保溫時間對試樣宏觀結(jié)構(gòu)的影響，其結(jié)果如圖3所示(細(xì)化溫度1003K，細(xì)化劑加入量0.1wt％)。圖3(a)、圖3(b)分別為鋁液保溫0.5小時和1小時試樣的晶粒尺寸變化情況，與圖2(d)顯示的試樣的宏觀結(jié)構(gòu)相比，盡管鋁液的保溫時間高達(dá)1.5小時，但圖3(c)顯示的試樣的晶粒尺寸沒有明顯的增加。只有當(dāng)鋁液的保溫時間為2.0小時時，試樣的晶粒尺寸才有所增加，但其結(jié)構(gòu)依然為全部的等軸晶結(jié)構(gòu)，如圖4(d)所示。因此，合成的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑還具有很強(qiáng)的抗晶粒細(xì)化衰退能力。
權(quán)利要求
1.一種Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑，其成份重量百分比為Ti 30-60％，C 7-15％，其系為Al。
2.一種權(quán)利要求1所述的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制造工藝，包括如下步驟(1)按所述比例配好的Al粉，Ti粉和C粉球磨混料10～24小時，(2)將混合料冷壓成30～60％相對密實度的預(yù)制塊備用，(3)對上述預(yù)制塊在100-200℃溫度下保溫烘干，(4)烘干處理后的預(yù)制塊置于含高純氬氣的反應(yīng)室內(nèi)，使鎢絲高溫點燃預(yù)制塊，發(fā)生自蔓延合成反應(yīng)，(5)自蔓延合成反應(yīng)完成后，取出預(yù)制塊并冷卻，即得到所需Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑。
3.如權(quán)利要求2所述的Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制造工藝，其特征在于(1)球磨混料時磨球為Al2O3球，球料比為1/2～1/5，(2)保溫烘干在備用的預(yù)制塊使用前進(jìn)行，烘干處理時間為0.5-1小時。
全文摘要
本發(fā)明的Al－Ti－C晶粒細(xì)化劑及其制造工藝,屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及用于鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化劑及其制造工藝。本發(fā)明目的是開發(fā)一種低成本且易于產(chǎn)業(yè)化的工藝方法,該晶粒細(xì)化劑成份重量百分比為Ti30－60%,C7－15%,其系為Al。其制造工藝步驟為(1)原料球磨混料,(2)混合料冷壓成30－60%相對密實度的預(yù)制塊,(3)預(yù)制塊在100－200℃保溫洪干,(4)烘干后在高純氬氣反應(yīng)室內(nèi)自蔓延高溫合成所需晶粒細(xì)化劑。該工藝簡便,節(jié)省能源,溫度高,合成的細(xì)化劑雜質(zhì)少,為多孔狀,有利于破碎和使用,其中TiC粒子含量高,具有很高的活性和熱力學(xué)穩(wěn)定性。
文檔編號C22C1/03GK1352312SQ0113364
公開日2002年6月5日 申請日期2001年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者嚴(yán)有為, 魏伯康, 林漢同 申請人:華中科技大學(xué)