一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，包括球磨、壓制、燒結(jié)的易于工業(yè)化生產(chǎn)細(xì)化劑的低成本工藝步驟。本發(fā)明細(xì)化劑不僅析出了分布均勻的、有效的異質(zhì)形核核心TiB2和TiAl3兩相,還形成了可以凈化鋁熔體的冰晶石(K3AlF6)組織。應(yīng)用本發(fā)明細(xì)化劑對鋁及鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化后，純鋁的平均晶粒尺寸為250微米以下，能夠有效提高鑄造鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化效果。
【專利說明】一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于鋁及鋁合金熔煉過程中需要加入的細(xì)化劑，屬于金屬材料粉末加工領(lǐng)域，更特別地說，是指一種應(yīng)用于鋁及鋁合金中的高效細(xì)化劑，該高效細(xì)化劑采用了球磨-壓制-燒結(jié)低成本的工藝組合加工制得。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進(jìn)步，高鐵、電子、信息、遠(yuǎn)洋、汽車、航空航天新材料等工業(yè)領(lǐng)域用鋁量日益增加，鋁合金的應(yīng)用也越來越廣泛，2010年，全球鋁合金產(chǎn)量為4042萬噸。因此，在當(dāng)今世界，人均鋁消耗量已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力、國防工業(yè)現(xiàn)代化和人民生活水平的重要指標(biāo)之一。然而，純鋁的強(qiáng)度和硬度都低，從而限制了其應(yīng)用范圍，因此，需要采用合金化和晶粒細(xì)化等方法來提高純鋁及鋁合金的強(qiáng)度和硬度。
[0003]目前，在鋁加工工業(yè)中最常用的鋁及鋁合金晶粒細(xì)化劑是Al-T1-B中間合金，其對所有鋁及鋁合金鑄錠組織具有顯著的細(xì)化作用，可使鑄錠、鑄件組織均勻，減少偏析，提高塑性，防止裂紋、縮孔等缺陷；同時(shí)顯著提高鑄錠、鑄件強(qiáng)度。對于需軋制、擠壓、拉伸、鍛造生產(chǎn)用的各種錠坯，板坯制品，可顯著提高機(jī)械性能，改善表面處理的外觀質(zhì)量，提高材料的使用價(jià)值和成品率。
[0004]上世紀(jì)80年代末，美國的KBA公司研制出Al-T1-C中間合金。本世紀(jì)初，一些科研單位及企業(yè)陸續(xù)開始進(jìn)行含稀土的晶粒細(xì)化劑產(chǎn)品的研發(fā)。這些都是只基于提高單一的晶粒細(xì)化功能進(jìn)行的研發(fā)和改進(jìn)。然而，隨著整體加工技術(shù)的發(fā)展，以往由多個(gè)鋁合金部件構(gòu)成的飛行器部件，目前均由大塊鋁合金錠整體加工而成，這既降低能源、材料消耗，也提高了產(chǎn)品的安全可靠性。以國產(chǎn)大型客機(jī)、嫦娥工程等為代表的我國航空航天重大高新技術(shù)項(xiàng)目，大多采用這種整體加工技術(shù)。這就對大尺寸鋁合金材料的冶金質(zhì)量提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求，單一的細(xì)化功能細(xì)化劑產(chǎn)品已不能滿足大型鑄件產(chǎn)品，尤其是航空航天用大型鋁合金鑄件的性能改善的高標(biāo)準(zhǔn)要求。細(xì)化劑產(chǎn)品向具有凈化、細(xì)化等多功能復(fù)合型的聯(lián)合細(xì)化劑方向轉(zhuǎn)變勢在必行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了提高鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化，本發(fā)明采用球磨-壓制-燒結(jié)低成本的工藝組合來制得高效的細(xì)化劑。本發(fā)明細(xì)化劑不僅析出了分布均勻的、有效的異質(zhì)形核核心TiB2和TiAl3兩相，還形成了可以凈化鋁熔體的冰晶石(K3AlF6)組織。應(yīng)用本發(fā)明細(xì)化劑對鋁及鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化后，純鋁的平均晶粒尺寸為250微米以下，能夠有效提高鑄造鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化效果。
[0006]本發(fā)明提出了一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，包括下列步驟:
[0007]第一步:原料配制
[0008]將工業(yè)純鋁(Al)粉末、工業(yè)純氟鈦酸鉀(K2TiF6)粉末和氟硼酸鉀(KBF4)粉末按照一定質(zhì)量比例混合，制成混合原料；
[0009]用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工業(yè)純K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末。
[0010]第二步:球磨混合
[0011]將混合原料加入球磨容器中，選好球料比、裝球容積比和球磨介質(zhì)；然后設(shè)置球磨溫度、轉(zhuǎn)速、時(shí)間，在氬氣氣氛中進(jìn)行球磨，得到球磨后混合粉；
[0012]在本發(fā)明中，球磨容器為不銹鋼球磨罐。
[0013]在本發(fā)明中，球磨介質(zhì)為不銹鋼球,大球直徑為1mm,小球直徑為5mm。大球與小球之比(個(gè)數(shù))為1:3?8。
[0014]在本發(fā)明中，球料比(重量份)為10:0.5?1.5。
[0015]在本發(fā)明中，球磨溫度為15°C?35°C,球磨容器的轉(zhuǎn)速為300?350rpm,轉(zhuǎn)60min停lOmin，并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為20?40小時(shí)。
[0016]第三步:壓制
[0017]將球磨后混合粉裝入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa壓力下壓制成型，得到細(xì)化劑成型體；
[0018]第四步:燒結(jié)
[0019]將細(xì)化劑成型體在真空度為1.0X KT3Pa?3.0X 10_3Pa，燒結(jié)溫度為550°C?600°C的條件下進(jìn)行燒結(jié)30?150分鐘，制得細(xì)化劑。
[0020]本發(fā)明細(xì)化劑的制備方法主要考慮了工業(yè)化生產(chǎn)下的條件限制，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，選原料簡單、制備過程易操控，壓制-燒結(jié)在工廠的實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行加工成型，簡化了傳統(tǒng)對壓制-燒結(jié)的工藝過程；采用工業(yè)級能夠降低原料成本。經(jīng)本發(fā)明球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制得的細(xì)化劑在鋁及鋁合金熔煉過程中加入，起到了細(xì)化鋁及鋁合金晶粒的效果，純鋁的平均晶粒尺寸為250微米以下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明制備細(xì)化劑的工藝流程框圖。
[0022]圖2A是本發(fā)明實(shí)施例1制得的細(xì)化劑宏觀形貌照片。
[0023]圖2B是本發(fā)明實(shí)施例1制得的細(xì)化劑微觀組織中含有K3AlF6的SEM圖片。
[0024]圖2C是本發(fā)明實(shí)施例1制得的細(xì)化劑微觀組織中含有TiAl3和TiB2的圖片。
[0025]圖2D是本發(fā)明實(shí)施例1制得的細(xì)化劑的X衍射圖。
[0026]圖3是將本發(fā)明實(shí)施例1制得的細(xì)化劑加入純鋁中熔煉后的晶粒照片。
[0027]圖4是將本發(fā)明實(shí)施例2制得的細(xì)化劑加入鋁合金中熔煉后的晶粒照片。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0029]參見圖1所示，本發(fā)明提出了一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，包括下列步驟:
[0030]第一步:原料配制
[0031]將工業(yè)純鋁(Al)粉末、工業(yè)純氟鈦酸鉀(K2TiF6)粉末和氟硼酸鉀(KBF4)粉末按照一定質(zhì)量比例混合，制成混合原料；
[0032]用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工業(yè)純K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末。
[0033]第二步:球磨混合
[0034]將混合原料加入球磨容器中，選好球料比、裝球容積比和球磨介質(zhì)；然后設(shè)置球磨溫度、轉(zhuǎn)速、時(shí)間，在氬氣氣氛中進(jìn)行球磨，得到球磨后混合粉；
[0035]在本發(fā)明中，球磨容器為不銹鋼球磨罐。
[0036]在本發(fā)明中,球磨介質(zhì)為不銹鋼球,大球直徑為1mm,小球直徑為5mm。大球與小球之比(個(gè)數(shù))為1:3?8。
[0037]在本發(fā)明中，球料比(重量份)為10:0.5?1.5。
[0038]在本發(fā)明中，球磨溫度為15°C?35°C,球磨容器的轉(zhuǎn)速為300?350rpm,轉(zhuǎn)60min停lOmin，并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為20?40小時(shí)。
[0039]第三步:壓制
[0040]將球磨后混合粉裝入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa壓力下壓制成型，得到細(xì)化劑成型體；
[0041]在本發(fā)明中，壓制是在工廠的環(huán)境溫度下進(jìn)行的，將裝有球磨后混合粉的模具直接放在加壓機(jī)操作臺上，壓成餅形(或者其他易于放入鋁及鋁合金熔煉用的形狀)即可。改變了傳統(tǒng)金屬粉末在溫壓下才能進(jìn)行壓制(參考2008年12月第I版，李元元著的《金屬粉末溫壓成形原理與技術(shù)》，第2頁公開內(nèi)容)、以及后續(xù)的燒結(jié)處理。簡化了壓制工藝，降低了細(xì)化劑的生產(chǎn)成本，且操作方便，易于控制。
[0042]第四步:燒結(jié)
[0043]將細(xì)化劑成型體在真空度為1.0X KT3Pa?3.0X 10_3Pa，燒結(jié)溫度為550°C?600°C的條件下進(jìn)行燒結(jié)30?150分鐘，制得細(xì)化劑。
[0044]實(shí)施例1
[0045](一 )制細(xì)化劑
[0046]第一步:將100重量份的工業(yè)純Al粉末、11.8重量份的工業(yè)純K2TiF6粉末和8重量份的KBF4的粉末混合均勻，得到混合原料；
[0047]所有粉末的平均粒度為小于300目。
[0048]第二步:在球磨設(shè)備上，將混合原料加入不銹鋼球磨罐中，在氬氣氣氛中進(jìn)行球磨，得到球磨后混合粉；
[0049]球料比為10:1,球磨介質(zhì)為不銹鋼球,大球直徑為1mm,小球直徑為5mm,大球與小球比為1:4.5。
[0050]球磨溫度為22°C,球磨罐的轉(zhuǎn)速為350rpm,轉(zhuǎn)60min停1min,并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為24小時(shí)。
[0051]為了驗(yàn)證球磨的效果，在實(shí)驗(yàn)條件下選用南京南大儀器廠生產(chǎn)的QM-1SP4行星式球磨機(jī)。在50ml的不銹鋼球磨罐中，根據(jù)所要磨的粉末量,球磨比為10:1,算出所需要的加入的不銹鋼球的球磨介質(zhì)的質(zhì)量，大球與小球比為1:4.5,用電子稱稱取所需的球放入球磨罐里，然后將球磨罐放入真空手套箱，抽真空，充入氬氣惰性氣體，在真空手套箱內(nèi)稱取所需的粉料，并加入2%?4%的硬脂酸作為助磨劑，防止粉末在球磨的過程中粘到球磨介質(zhì)和球磨罐上。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)施例中說明的球磨工藝能夠沿用到工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)使用的球磨工藝。
[0052]第三步:在壓力機(jī)的操作臺上，將球磨后混合粉裝入模具中，在20°C、80MPa壓力下保持I分鐘壓制成型，得到圓餅形細(xì)化劑成型體；
[0053]第四步:將圓餅形細(xì)化劑成型體在真空度為1.0X10_3Pa，燒結(jié)溫度為560°C的條件下燒結(jié)45分鐘，制得細(xì)化劑。由于制得的細(xì)化劑要加入到鋁及鋁合金的熔煉過程中，對細(xì)化劑的燒結(jié)條件相對要求較低，這有利于降低細(xì)化劑的生產(chǎn)成本，也使得工業(yè)化生產(chǎn)過程中易于操控。
[0054]實(shí)施例1制得細(xì)化劑的宏觀形貌如圖2A所示，細(xì)化劑的微觀組織如圖2B、圖2C所示，圖中可以看出，不僅析出了分布均勻的、有效的異質(zhì)形核核心TiB2和TiAl3兩相，還形成了可以凈化鋁熔體的冰晶石(K3AlF6)組織。細(xì)化劑的X衍射分析如圖2D所示，進(jìn)一步證實(shí)了 TiB2、TiAl3 和 K3AlF6 的存在。
[0055]( 二)細(xì)化劑檢驗(yàn)
[0056]采用中華人民共和國有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T 447.1-2001對實(shí)施例1制得的細(xì)化劑的晶粒細(xì)化能力進(jìn)行檢驗(yàn)。
[0057]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，在牌號為A199.70的純鋁在熔煉過程中加入0.2%的細(xì)化劑。使牌號為A199.70的純鋁的平均晶粒尺寸為250微米以下，A199.70純鋁的晶粒照片如圖3所示。
[0058]實(shí)施例2
[0059]采用與實(shí)施例1相同的步驟，而細(xì)化劑原料不同，將100重量份的工業(yè)純Al粉末、12.5重量份的工業(yè)純K2TiF6粉末和7.6重量份的KBF4的粉末混合均勻。
[0060]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，在牌號為A199.70的純鋁在熔煉過程中加入0.2%的細(xì)化劑。使牌號為A199.70的純鋁的平均晶粒尺寸為320微米以下。
[0061]實(shí)施例3
[0062]采用與實(shí)施例1相同的步驟，而燒結(jié)條件不同:在真空度為2.0X10_3Pa，燒結(jié)溫度為600°C的條件下燒結(jié)120分鐘。
[0063]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，在牌號為A199.70的純鋁在熔煉過程中加入0.2%的細(xì)化劑。使牌號為A199.70的純鋁的平均晶粒尺寸為300微米以下。
[0064]實(shí)施例4
[0065](一 )制細(xì)化劑
[0066]第一步:將100重量份的工業(yè)純Al粉末、11.8重量份的工業(yè)純K2TiF6粉末和8重量份的KBF4的粉末混合均勻，得到混合粉；
[0067]所有粉末的平均粒度為小于300目。
[0068]第二步:將混合粉加入球磨罐中，進(jìn)行球磨，得到球磨混合粉；
[0069]選用南京南大儀器廠生產(chǎn)的QM-1SP4行星式球磨機(jī)。球磨溫度為28°C，球磨罐的轉(zhuǎn)速為300rpm，轉(zhuǎn)60min停lOmin，并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為36小時(shí)。
[0070]球料比為10:1.5，球磨介質(zhì)為不銹鋼球，大球與小球比為1:3.5，大球直徑為1mm,小球直徑為5mm。
[0071]在本發(fā)明中，在50ml的不銹鋼球磨罐中，根據(jù)所要磨的粉末量，球料比為10:1.5，算出所需要的加入的不銹鋼球的球磨介質(zhì)的質(zhì)量，大球與小球比為1:3.5，用電子稱稱取所需的球放入球磨罐里，然后將球磨罐放入真空手套箱，抽真空，充入氬氣惰性氣體，在真空手套箱內(nèi)稱取所需的粉料，并加入2%?4%的硬脂酸作為助磨劑，防止粉末在球磨的過程中粘到球磨介質(zhì)和球磨罐上。
[0072]第三步:將球磨混合粉裝入模具中，在30°C、50MPa壓力下壓制成型；
[0073]第四步:在600°C、真空度為1.5X 10?條件下進(jìn)行燒結(jié)60分鐘，制得細(xì)化劑。
[0074]( 二)細(xì)化劑檢驗(yàn)
[0075]采用中華人民共和國有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T 447.1-2001對實(shí)施例2制得的細(xì)化劑的晶粒細(xì)化能力進(jìn)行檢驗(yàn)。
[0076]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸為280微米以下，Al-7% S1-0.4% Mg合金的晶粒照片如圖4所示。
[0077]實(shí)施例5
[0078]采用與實(shí)施例2相同的步驟，而燒結(jié)條件不同:在真空度為2.0X10_3Pa，燒結(jié)溫度為550°C的條件下燒結(jié)150分鐘。
[0079]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸為300微米以下。
[0080]實(shí)施例6
[0081]采用與實(shí)施例2相同的步驟,而球磨條件不同:球料比為10:1,球磨介質(zhì)為不銹鋼球，大球直徑為10mm，小球直徑為5mm，大球與小球比為1:4.5 ;球磨溫度為22°C，球磨罐的轉(zhuǎn)速為350rpm，轉(zhuǎn)60min停lOmin，并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為24小時(shí)；燒結(jié)條件不同:在真空度為2.0X10_3Pa，燒結(jié)溫度為550°C的條件下燒結(jié)150分鐘。
[0082]按照YS/T 447.1-2001行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A的條件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸為300微米以下。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，其特征在于包括有下列步驟: 第一步:原料配制 將工業(yè)純鋁(Al)粉末、工業(yè)純氟鈦酸鉀(K2TiF6)粉末和氟硼酸鉀(KBF4)粉末按照一定質(zhì)量比例混合，制成混合原料； 用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工業(yè)純K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末； 第二步:球磨混合 將混合原料加入球磨容器中，選好球料比、裝球容積比和球磨介質(zhì)；然后設(shè)置球磨溫度、轉(zhuǎn)速、時(shí)間，在氬氣氣氛中進(jìn)行球磨，得到球磨后混合粉； 所述球磨容器為不銹鋼球磨罐； 所述球磨介質(zhì)為不銹鋼球，大球直徑為1mm,小球直徑為5mm。大球與小球之比(個(gè)數(shù))為1:3?8 ; 所述球料比(重量份)為10:0.5?1.5 ; 球磨條件:球磨溫度為15°C?35°C,球磨容器的轉(zhuǎn)速為300?350rpm,轉(zhuǎn)60min停lOmin，并調(diào)整轉(zhuǎn)的方向，總共球磨時(shí)間為20?40小時(shí)； 第三步:壓制 將球磨后混合粉裝入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa壓力下壓制成型，得到細(xì)化劑成型體； 第四步:燒結(jié) 將細(xì)化劑成型體在真空度為1.0X 10_3Pa?3.0X 10_3Pa，燒結(jié)溫度為550°C?600°C的條件下進(jìn)行燒結(jié)30?150分鐘，制得細(xì)化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，其特征在于:制得的細(xì)化劑中存在有異質(zhì)形核核心TiB2和TiAl3兩相，以及凈化鋁熔體的冰晶石(K3AlF6)組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，其特征在于:制得的細(xì)化劑加入到純鋁中，使得純鋁的平均晶粒尺寸為250微米以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋁及鋁合金的球磨-壓制-燒結(jié)工業(yè)化制細(xì)化劑的方法，其特征在于:制得的細(xì)化劑加入到鋁合金中，使得鋁合金的平均晶粒尺寸為280微米以下。
【文檔編號】C22C21/00GK104404285SQ201410643563
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】馬朝利, 徐聰, 王雪姣, 王文紅, 趙衛(wèi)濤 申請人:北京航空航天大學(xué), 河北四通新型金屬材料股份有限公司