專利名稱：用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑及其制備工藝，屬金屬材料技術領域。
實現微晶化并進而達到強韌化，是鋁及鋁合金以及其它金屬材料中重要而又普遍的研究課題。目前對晶粒細化的研究主要包括兩個途徑，即物理方法和化學方法。具體形式有如快速凝固、攪拌和添加形核劑(晶粒細化劑)及粉末冶金等，其中最有效實用而經濟的方法是加形核劑。
對于工業純鋁及鋁合金，目前普遍使用的細化劑是AlTi、AlTiB等系列的中間合金，其中Al5TilB是目前世界上公認的最好的細化劑之一。但是，仍存在一些先天的難以克服的問題。首先，AlTiB細化劑在使用過程中TiB2粒子容易聚集、沉淀，大大影響其衰退性能，尤其是極大的損壞軋材的表面質量并且損壞軋輥另外，AlTiB細化劑對含Zr、Cr等元素的鋁及鋁合金會失去細化效果。八十年代開發出來的AlTiC系細化劑為上述問題找到了一條新的解決途徑。然而，由于鋁液與石墨的潤濕性差等原因，碳引入鋁鈦合金中非常困難。目前，AlTiC中間合金細化劑典型的制備工藝是Banerji和Reif于80年代中期發表的專利，即在1250℃以上的高溫下在Al-Ti合金熔體中加入一定粒度(平均粒度為20微米)且預先在700-900℃烘干0.5-1小時的碳粉并快速攪拌達30分鐘以上制成。其生產工藝復雜，原料和工藝成本很高，而且生產的穩定性不高。上述因素極大地阻礙了AlTiC系列細化劑的發展。目前，世界上AlTiC細化劑的生產僅僅限于實驗室規模，至多是小規模的工業生產，還極少在鋁工業生產進行大規模的應用。
本發明的目的是提出一種用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑及其制備工藝，針對現有各種方法的缺陷，提出了一種全新的同時又簡單易行的中間合金細化劑的組成配方、制備方法及其對鋁和鋁合金的細化工藝。在細化劑的組成配方上，提出了Al-Ti-C-X成分系列；在細化劑的生產中加入組元X活化熔體，改善鋁熔體與碳粒中的潤濕性，顯著促進碳的吸收。在此基礎上研制出新一代鋁鈦碳-X復合細化劑。
本發明提出的一種用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑，其組成為成分 含量(wt％)鋁(Al) 81.48-99.98鈦(Ti) 0.001-10.00碳(C) 0.001-4.00活化劑(X) 0.001-4.50本發明制備上述晶粒細化劑的工藝，包括以下各步驟
①按上述配方和比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化鋁鈦合金至1000℃-1200℃左右，按比例加入活化劑③1-3分鐘后加入石墨粉，保持反應10-30分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到產品晶粒細化劑。
上述活化劑包括稀土元素(鑭(La)、鈰(Ce)等)和堿土元素(鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)等)中的一種或幾種。它(們)的主要作用一方面活化鋁熔體，促進碳的吸收；另一方面以某種方式加強中間合金的細化效果，進一步改善和提高鋁及鋁合金的微晶化和強韌化。所以說X既是細化劑的工藝元素，又是細化劑的組成元素。
本發明詳細的制備方法為按預先設計要求的成分比例準備好鋁鈦合金、石墨粉(粒度在50微米以下)、活化劑(稀土元素或堿土元素或它們的混合物)等原料備用。
在感應爐或電阻爐中熔化鋁鈦合金至1000℃-1200℃左右，加入活性劑(X)，約1-2分鐘后加入石墨粉。對于電阻爐，可以利用機械攪拌作用加速反應的進行；對于電磁感應爐，利用其自身的電磁攪拌作用進行攪拌即可。約10-30分鐘后，除渣澆鑄成錠，即得到產品晶粒細化劑。
本發明制備的細化劑在鋁及鋁合金的細化處理過程中，細化劑的添加量為0.1-2.0公斤/噸，處理溫度為600-760℃(與鋁合金種類和鑄造工藝有關)，有效時間不小于3小時。
利用本發明的工藝制備晶粒細化劑，其制備工藝簡單，生產成本低，細化效果好，適合于大規模工業生產和應用。本發明制備的復合晶粒細化劑適用于工業純鋁及各類鋁合金的微晶化及強韌化。例如，當細化劑加入量在2kg/噸鋁時，對工業純鋁，晶粒尺寸可細化到100微米以下；對鋁合金，晶粒尺寸可細化到150-200微米以下。同時工業純鋁及各類鋁合金的強度、塑性和韌性都得到顯著的提高。
本發明的實施方案，詳細描述如下實施例1用本發明的細化劑細化工業純鋁時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 92.65鈦(Ti) 5.00碳(C) 1.00鈰(Ce) 1.30制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1050℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約15分鐘；
④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為工業純鋁100克，加熱熔化到720℃，加入細化劑0.2克/100克鋁，保溫30分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸為100微米。12毫米標準金屬型試樣的拉伸性能為晶粒尺寸 抗拉強度 屈服強度 延伸率(μm)σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加細化劑 2000-3000 30-40 20-25 45-50添加細化劑 ～100 72-79 55-65 81-87實施例2用本發明的細化劑細化鑄鋁104合金時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 90.45鈦(Ti) 7.00碳(C) 0.50鑭(La) 2.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1050℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約10分鐘④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為鑄鋁104合金100克加熱熔化至720℃，細化劑加入量為0.2克/100克鋁。細化劑加入后保溫約30分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸約150微米。12毫米標準金屬型試樣的拉伸性能(T5處理)為晶粒尺寸 抗拉強度 屈服強度 延伸率(μm)σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加細化劑4000-5000 240-250190-2001-2添加細化劑～150 340-355275-2855-6實施例3用本發明的細化劑細化鑄鋁107合金時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 96.48鈦(Ti) 3.00碳(C) 0.20鈣(Ca) 0.30制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1100℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約10分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為鑄鋁107合金100克加熱熔化至740℃，細化劑加入量為0.2克/100克鋁。細化劑加入后保溫約60分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸約150微米。12毫米標準金屬型試樣的拉伸性能(T6處理)為晶粒尺寸(μm) σb(MPa)σ0.2(MPa) ψ(％)未加細化劑 4000-5000 320-340 210-2303-4添加細化劑 ～150 410-435 240-2557-9實施例4用本發明的細化劑細化鑄鋁201合金時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 85.45鈦(Ti) 8.00碳(C) 2.50鍶(Sr) 4.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1100℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約20分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為
鑄鋁201合金100克加熱熔化至720℃，細化劑加入量為0.2克/100克鋁。細化劑加入后保溫約30分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸約150微米。12毫米標準砂型試樣的拉伸性能(T5處理)為晶粒尺寸 抗拉強度 屈服強度 延伸率(μm)σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加細化劑 4000-5000 350-365240-2603-4添加細化劑 ～150 420-445325-3757-9實施例5用本發明的細化劑細化鑄鋁301合金時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分 含量(wt％)鋁(Al) 92.95鈦(Ti) 6.00碳(C)0.10鎂+鈰(Mg+Ce) 1.00制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1150℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約10分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為鑄鋁301合金100克加熱熔化至680℃，細化劑加入量為0.2克/100克鋁。細化劑加入后保溫約20分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸約150微米。12毫米標準砂型試樣的拉伸性能(T4處理)為晶粒尺寸 抗拉強度 屈服強度 延伸率(μm)σb(MPa)σ0.2(MPa)δ(％)未加細化劑 4000-5000 310-330 150-170 10-12添加細化劑 ～150 380-415 245-275 16-18實施例6用本發明的細化劑細化鑄鋁402合金時，細化劑的配方、制備工藝及細化工藝如下細化劑的配方成分含量(wt％)
鋁(Al)90.90鈦(Ti)7.00碳(C) 1.50鈣+鍶+鑭(Ca+Sr+La)0.50制備工藝為①按配方比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化工業純鋁至1150℃，加入活化劑；③約2分鐘后加入石墨粉，保持反應約25分鐘；④除渣，澆鑄成錠，即得到細化劑產品。
細化工藝為鑄鋁402合金100克加熱熔化至690℃，細化劑加入量為0.2克/100克鋁。細化劑加入后保溫約30分鐘，在金屬型內澆鑄成直徑40毫米、高45毫米的圓柱錠，距底部15毫米處的晶粒尺寸約150微米。12毫米標準砂型試樣的拉伸性能(人工時效處理)為晶粒尺寸 抗拉強度 屈服強度 延伸率(μm) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)未加細化劑 4000-5000 235-250160-180 3-5添加細化劑 ～200 310-335225-265 7-9
權利要求
1.一種用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑，其特征在于，該細化劑的組成為成分 含量(wt％)鋁(Al)80.48-99.98鈦(Ti)0.00-10.00碳(C) 0.00-4.00活化劑(X) 0.00-4.50上述活化劑為稀土元素和堿土元素中的一種或幾種。
2.一種制備如權利要求1所述的晶粒細化劑的工藝，其特征在于，該工藝包括以下各步驟①按權利要求1成分比例配好原料備用；②在電阻爐或感應爐中熔化鋁鈦合金至1000℃-1200℃，按比例加入活化劑；③1-3分鐘后加入石墨粉，保持反應10-30分鐘④除渣，澆鑄成錠，即得到產品晶粒細化劑。
全文摘要
本發明涉及一種用于鋁及鋁合金的復合晶粒細化劑及其制備工藝,細化劑的主要成分包括鋁、鈦、碳及活化劑,活化劑為稀土元素和堿土元素。細化劑的制備工藝是首先按比例準備好原料,在爐中將鋁鈦合金熔化至1000℃－1200℃,加入活化劑,1－3分鐘后加入石墨粉,保持反應,除渣、澆鑄成錠,即為產品。本發明制備工藝簡單、生產成本低,細化效果好,適合于大規模工業生產和應用。
文檔編號C22C21/00GK1215088SQ98119378
公開日1999年4月28日 申請日期1998年9月25日 優先權日1998年9月25日
發明者方鴻生, 李建國, 張柏清, 馬洪濤, 鄭燕康 申請人:清華大學