一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法

摘要

本发明属金属材料领域，涉及一种用于细化变质共晶及过共晶铝-硅系合金中初晶硅与共晶硅的铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法。该中间合金体系，磷元素以Ti5P3和TiP0.63化合物形式存在,并含有微米级和亚微米级的TiC和TiB2粒子。该合金化学组成按质量百分比为：铝82.00%-96.30%，钛2.50%-10.00%，磷1.00%-5.00%，碳0.10%-2.00%，硼0.10%-1.00%。制备步骤是：按比例准备好工业纯铝、铝-磷二元中间合金、铝-硼二元中间合金、纯钛和石墨粉。将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃-1100℃，加入铝-磷二元中间合金，搅拌2-5分钟，升温至1100℃-1400℃，同时加入纯钛和石墨粉，保温并搅拌5-30分钟后直接浇注成锭或制备成线材。所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金具有良好的细化变质效果。

说明书

技术领域

本发明属金属材料领域，特别涉及一种能够细化变质铝-硅系合金中初晶硅 与共晶硅的铝-钛-磷-碳-硼中间合金及其制备方法。

背景技术

目前，共晶及过共晶铝-硅系合金中初晶硅的细化主要采用添加磷的方法。自 上世纪三十年代发明磷细化初晶硅的专利以来，含磷中间合金的研究取得了较大 进展，如铜-磷、铝-铜-磷、铝-铁-磷和铝-硅-磷等中间合金。申请号为200510044827 的中国专利报道了一种含有铝、硅、磷的新型中间合金，该中间合金中含有大量 预先形成的AlP颗粒，其对初晶硅具有良好的细化效果，并在生产中获得了大规 模的推广应用。但是，该中间合金中的AlP化合物易于在空气中氧化、水解，从 而造成中间合金的磷在保存过程中的损耗。专利号为CN101613820B的中国专利 报道了一种铝-锆-磷中间合金，其中形成大量的ZrP化合物解决了AlP的储存损 耗问题，但是锆元素的添加大大提高了中间合金的生产成本，因此在生产中迫切 需要发明一种新的含磷铝基中间合金，在达到良好的细化效果的同时，便于长期 保存和使用，且生产成本较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够对共晶及过共晶铝- 硅合金中的初晶硅起到高效细化并显著提高合金的力学性能的铝-钛-磷-碳-硼中 间合金，同时提供一种生产成本低、工艺简便、适合工业化生产的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金，包含铝、钛、磷元素，其特征是它还含有碳和 硼元素，各组分的质量百分比为：铝82.00%-96.30%，钛2.50%-10.00%，磷 1.00%-5.00%，碳0.10%-2.00%，硼0.10%-1.00%；磷元素主要以Ti₅P₃和TiP_0.63形式存在于中间合金中；含有微米级和亚微米级的TiC、TiB₂粒子。Ti₅P₃和TiP_0.63粒子加入到共晶及过共晶铝-硅合金熔体中后，Ti₅P₃和TiP_0.63与铝熔体反应生成 AlP，为初晶硅提供异质核心。同时，引入的TiC、TiB₂粒子不仅能够促进AlP的 细化效果，而且能细化α-Al晶粒，进一步细化共晶团，提高合金的综合力学性能。

反应的原理是利用TiC结构的不稳定性，P元素能够掺杂到其晶格中，进而导 致发生结构转变，形成Ti₅P₃和TiP_0.63化合物，B元素对该反应起催化作用。

上述一种铝-钛-磷-碳-硼中间合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）首先按以下质量百分比准备好所需要原料：14.30%-72.00%的铝-磷二元 中间合金、3.00%-17.00%的铝-硼二元中间合金、2.50%-10.00%纯钛， 0.10%-2.00%石墨粉，余为纯铝；其中所用铝-磷二元中间合金中磷的百分含 量为5.00%-7.00%，铝-硼二元中间合金中硼的百分含量为3.00%-6.00%；

（2）将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃ -1100℃，加入铝-磷二元中间合金，搅拌2-5分钟；

（3）升温至1100-1400℃，同时加入纯钛和石墨粉，保温并搅拌5-30分钟 后浇注成锭或制成线材。

所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为：

直接制备含有Ti₅P₃和TiP_0.63的铝-钛-磷-碳-硼中间合金比较困难，而通过添加 微量的碳和硼元素作为反应的催化剂，即可合成含有大量Ti₅P₃和TiP_0.63颗粒的铝 -钛-磷-碳-硼中间合金，所含化合物不易水解、氧化，有利于磷的储存，而其中 的钛元素还能起到细化基体α-Al晶粒的作用，有利于提高合金的综合性能。采用 该中间合金对共晶及过共晶铝-硅系合金进行细化处理，其中的初晶硅可以被很 好地细化，而且对共晶硅也能起到良好的变质作用。该合金的制备工艺简单，生 产效率高，适合大规模生产和应用。

具体实施方式

下面给出本发明的三个最佳实施例：

实施例1

（1）按工业纯铝9.70%、铝-磷二元中间合金65.00%、铝-硼二元中间合金 13.30%、纯钛10.00%、石墨粉2.00%的质量百分比称取原料，其中铝 -磷二元中间合金的含磷量为7.00%,铝-硼二元中间合金中硼含量为 6.00%。

（2）将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃ -1100℃，加入铝-磷二元中间合金，搅拌2-5分钟；

（3）升温至1100℃-1400℃，同时加入纯钛和石墨粉，保温并搅拌15-25 分钟后直接浇注成锭或制备成线材。

所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为：

其中，磷元素以Ti₅P₃和TiP_0.63形式存在于中间合金中；且含有微米 级和亚微米级的TiC、TiB₂粒子。

实施例2

（1）按工业纯铝26.00%、铝-磷二元中间合金58.00%、铝-硼二元中间合 金10.00%、纯钛5.00%、石墨粉1.00%的质量百分比称取原料，其中 铝-磷中间合金的含磷量为6.00%,铝-硼中间合金中硼含量为4.00%。

（2）将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃ -1100℃，加入铝-磷二元中间合金，搅拌2-5分钟；

（3）升温至1100℃-1400℃，同时加入纯钛和石墨粉，保温并搅拌10-15 分钟后直接浇注成锭或制备成线材。

所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为：

其中，磷元素以Ti₅P₃和TiP_0.63形式存在于中间合金中；且含有微米 级和亚微米级的TiC、TiB₂粒子。

实施例3

（1）按工业纯铝39.80%、铝-磷二元中间合金50.00%、铝-硼二元中间合金 6.70%、纯钛3.00%、石墨粉0.50%的质量百分比称取原料，其中铝- 磷二元中间合金的含磷量为5.00%,铝-硼二元中间合金中硼含量为 3.00%。

（2）将配好的纯铝与铝-硼二元中间合金一起置于中频炉中熔化至900℃ -1100℃，加入铝-磷二元中间合金，搅拌2-5分钟；

（3）升温至1100℃-1400℃，同时加入纯钛和石墨粉，保温并搅拌5-10分 钟后直接浇注成锭或制备成线材。

所制备铝-钛-磷-碳-硼中间合金的组成为：

其中，磷元素以Ti₅P₃和TiP_0.63形式存在于中间合金中；且含有微米 级和亚微米级的TiC、TiB₂粒子。