專利名稱：用于鋁及鋁合金AI－Ti－C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑及其燃燒合成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁及鋁合金復(fù)合晶粒細(xì)化劑Al-Ti-C及其燃燒合成工藝，屬金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為鋁及各種鋁合金的晶粒細(xì)化劑的中間合金可明顯提高鋁及鋁合金的機械性能和物理性質(zhì)。特別在生產(chǎn)純鋁及鋁合金帶材和箔材時必須加入細(xì)化合金，加入量為3％。國內(nèi)外鋁及鋁合金晶粒細(xì)化合金主要有Al-Ti，Al-Ti-B，Al-Ti-B-RE，和Al-Ti-C系列，產(chǎn)品形式有合金錠和線材。近年來，主要以線材形式供貨，應(yīng)用比較成熟的合金系列有Al-Ti-B，Al-Ti-B-RE，而Al-Ti-C系列正在研究和開發(fā)。Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的研制，使細(xì)化效果顯著增加，但隨著該中間合金的循環(huán)使用，廢料中可帶來一定量的硼，可能對一些產(chǎn)品產(chǎn)生污染，同時，作為晶粒細(xì)化劑有效成分的TiB2，在細(xì)化過程中聚集、沉淀，對產(chǎn)品性能和美觀產(chǎn)生不良影響，而且，在含Cr-、Mn-和Zr-的鋁合金中，Al-Ti-B中間合金表現(xiàn)出極弱或完全失去其晶粒細(xì)化能力，也就是通常所說的晶粒細(xì)化劑“中毒”現(xiàn)象。Al-Ti-C系晶粒細(xì)化劑可以成功地解決這一問題。但由于鋁熔體不濕潤C，使之合金化很困難。長期以來，Al-Ti-C未實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。目前，國際上Al-Ti-C系中間合金細(xì)化劑的制備主要是參照Banerji和Reif于80年代中期發(fā)表的專利；在國內(nèi)，清華大學(xué)的方鴻生，李建國和張柏清等也于1998年申請了類似的專利。即在感應(yīng)爐或電阻爐中熔化鋁鈦合金至1000℃-1200℃左右，加入稀土或堿土金屬或它們的混合物作為活化劑，1-2分鐘后加入石墨粉，采用機械或電弧攪拌的方式加速反應(yīng)的進行，保溫一段時間后，除渣澆鑄成錠，得到晶粒細(xì)化劑產(chǎn)品。其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，稀土價格昂貴，原料和工藝成本很高，而且生產(chǎn)不穩(wěn)定，成分不均勻。最主要的，是熔煉技術(shù)不能從本質(zhì)上解決C的加入量問題。因此，不足以滿足大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于鋁及鋁合金Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，包括鋁、鈦、碳元素，反應(yīng)物和合成后細(xì)化劑的組成為按重量百分比為成分含量(wt％)鋁(Al) 0-81.00鈦(Ti) 10.01-50.00碳(C)4.01-10.00稀土(Re) 0.001-5.00按化學(xué)計量比(原子比)為成分 原子數(shù)鋁(Al) 9-20鈦(Ti) 4碳(C) 1-4稀土(Re)0.001-5.00上述稀土元素Re為分散劑和凈化劑。
燃燒合成以上所述Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑的燃燒合成工藝，按以上所述的成分配方配制原料(1)在球磨機上混料，時間2-4小時，轉(zhuǎn)速100-300轉(zhuǎn)/分鐘，球料比1-20；(2)將球磨后的混合物壓成圓柱狀坯樣，壓力分別采用75-150MPa；(3)在真空中或惰性氣體保護下進行燃燒合成，采用熱爆模式時，加熱速度為10-40℃/min；采用自蔓延模式時，保溫溫度為400-450℃左右，保溫時間≥15min；反應(yīng)后采用惰性氣流快速冷卻，即得中間合金；經(jīng)以上燃燒工藝后得到的細(xì)化劑可直接用于鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化，或(4)對合成產(chǎn)物進行第二步稀釋加工，即將燃燒合成的試樣在800℃左右的鋁熔體中稀釋到含Ti量為3wt％，即得產(chǎn)品。
具體實現(xiàn)方式本發(fā)明是一種用于燃燒合成Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，包括鋁、鈦、碳元素，其組成為按重量百分比為成分 含量(wt％)鋁(Al) 0-81.00鈦(Ti) 10.01-50.00碳(C) 4.01-10.00稀土(Re) 0.001-5.00按化學(xué)計量比(原子比)為成分 原子數(shù)鋁(Al)9-20鈦(Ti)4碳(C) 1-4稀土(Re) 0.001-5.00上述稀土元素Re為分散劑和凈化劑。
燃燒合成以上所述Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑的燃燒合成工藝，按以上所述的成分配方配制原料，然后(1)在球磨機上混料，時間2-4小時，轉(zhuǎn)速100-300轉(zhuǎn)/分鐘，球料比1-20；(2)將球磨后的混合物壓成圓柱狀坯樣，壓力分采用75-150MPa；(3)在真空中或惰性氣體保護下進行燃燒合成，采用熱爆模式時，按以下步驟進行(3)-1-1、將壓制成形的坯料放在反應(yīng)爐中，抽真空后充入惰性氣體保護，采用10-40℃/min的加熱速度加熱，在660℃-780℃時激活放熱反應(yīng)當(dāng)溫度記錄儀顯示試樣溫度發(fā)生突變后，關(guān)掉加熱電源。放出的熱量足以維持上述反應(yīng)的自發(fā)進行，并使溫度升高到足以激活并維持第二步反應(yīng)自發(fā)進行，即
(3)-1-2、反應(yīng)完成后，通入惰性氣流使試樣快速冷卻；以上燃燒合成所得的細(xì)化劑可直接用于鋁及鋁合金的晶粒，或者(4)、進行第二步加工。即將燃燒合成的試樣在800℃左右的鋁熔體中稀釋到含Ti量為3wt％，即可用之細(xì)化鋁及鋁合金的晶粒。采用自蔓延燃燒合成模式時，按以下步驟進行(3)-2-1、將壓制成形的坯料放在反應(yīng)爐中，抽真空后充入惰性氣體保護。采用一定的加熱速度將試樣加熱到400-450℃左右后保溫15min以上，然后采用電弧從一端點燃試樣，當(dāng)溫度記錄儀顯示試樣溫度發(fā)生突變后，熄弧。SHS反應(yīng)自發(fā)進行；(3)-2-2、反應(yīng)完成后，通入惰性氣流使試樣快速冷卻；以上燃燒合成所得的細(xì)化劑可直接用于鋁及鋁合金的晶粒，或者(4)、進行第二步加工。即將燃燒合成的試樣在800℃左右的鋁熔體中稀釋到合Ti量為3wt％，即可用之細(xì)化鋁及鋁合金的晶粒。
本發(fā)明制備的Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑在細(xì)化鋁及鋁合金時，細(xì)化劑的添加量按使含Ti量為0.01-0.05wt％計算。隨鋁及鋁合金種類和鑄造工藝不同，細(xì)化溫度在600-900℃不等。有效時間在2小時以上。對工業(yè)純鋁，按含Ti量為0.03wt％加入采用本發(fā)明工藝制備的Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑時，晶粒尺寸都可細(xì)化至95微米以下，大部分在75微米左右。對鋁合金，晶粒尺寸可細(xì)化至135-150微米以下。
采用本發(fā)明的燃燒合成工藝制備Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，可以從根本上解決C的加入量問題。因為反應(yīng)基本上是從固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)條件下開始，反應(yīng)前可以很容易地將C在反應(yīng)物中混合均勻，與Ti充分接觸，反應(yīng)時液態(tài)停留時間極短，放熱反應(yīng)提供的高溫極大地提高了鋁熔體對C的濕潤性；同時由于Al3Ti和TiC相在燃燒合成過程中原位(in situ)生成，加之反應(yīng)時間極短，使其以較小的尺寸存在于鋁基體的晶界，而來不及偏聚和長大成為尺寸較大的顆粒，因而可在Ti、C含量很高的情況下在稀釋和細(xì)化過程中均勻的分解并分散開來，作為有效的形核質(zhì)點細(xì)化晶粒；再者，由于反應(yīng)時溫度很高，可以蒸發(fā)掉一些雜質(zhì)和雜相，具有自身凈化效果；而且，采用本發(fā)明的燃燒合成工藝制備Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，設(shè)備和工藝都比較簡單，能耗極小，生產(chǎn)成本很低，細(xì)化效果好，適合大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.用于鋁及鋁合金Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，包括鋁、鈦、碳元素，本發(fā)明的特征在于反應(yīng)物和合成后細(xì)化劑的組成為按重量百分比為成分 含量(wt％)鋁(Al) 0-81.00鈦(Ti) 10.01-50.00碳(C) 4.01-10.00稀土(Re)0.001-5.00按化學(xué)計量比(原子比)為成分 原子數(shù)鋁(Al) 9-20鈦(Ti) 4碳(C)1-4稀土(Re) 0.001-5.00上述稀土元素Re為分散劑和凈化劑。
2.燃燒合成權(quán)利要求1所述Al-Ti-C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑的燃燒合成工藝，按權(quán)利要求1中的成分配方配制原料，其特征在于(1)在球磨機上混料，時間2-4小時，轉(zhuǎn)速100-300轉(zhuǎn)/分鐘，球料比1-20；(2)將球磨后的混合物壓成圓柱狀坯樣，壓力分別采用75-150MPa；(3)在真空中或惰性氣體保護下進行燃燒合成，采用熱爆模式時，加熱速度為10-40℃/min；采用自蔓延模式時，保溫溫度為400-450℃左右，保溫時間≥15min；反應(yīng)后采用惰性氣流快速冷卻，即得中間合金；經(jīng)以上燃燒工藝后得到的細(xì)化劑可直接用于鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化，或(4)對合成產(chǎn)物進行第二步稀釋加工，即將燃燒合成的試樣在800℃左右的鋁熔體中稀釋到含Ti量為3wt％，即得產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明是用于鋁及鋁合金Al－Ti－C系復(fù)合晶粒細(xì)化劑，包括鋁、鈦、碳元素，其反應(yīng)物和合成后細(xì)化劑是由鋁、鈦、碳、稀土組成，其配制方法為在球磨機上混料，將球磨后的混合物壓成圓柱狀坯樣，在真空中或惰性氣體保護下進行燃燒合成，采用熱爆模式時，加熱速度為10－40℃/min；采用自蔓延模式時，保溫溫度為400－450℃左右，保溫時間≥15min；反應(yīng)后采用惰性氣流快速冷卻，即得中間合金。
文檔編號C22B21/06GK1442499SQ0213935
公開日2003年9月17日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者夏天東, 王振洋, 劉天佐, 趙文軍, 王曉軍, 蘭曄峰 申請人:甘肅工業(yè)大學(xué)