用于铝及铝合金的Al－Ti－C系复合晶粒细化剂的制备方法

摘要

用于铝及铝合金的Al－Ti－C系复合晶粒细化剂的制备方法，其目的是提高合成过程的冷却速度，减少TiC粒子晶界聚集几率，提高Al－Ti－C的细化性能，按配比进行混料，将混合物压成圆柱状预制块，将预制块在15～200℃温度范围内保温烘干处理2小时，(1)用石墨盘将一定量预制块压入760～820℃铝熔体中，预制块加入量按合成产物的Ti含量3～5％计算；(2)待热爆合成反应完成后，保温2分钟，保温温度760～820℃；(3)对上述铝熔体进行机械搅拌，搅拌时间5～10分钟，搅拌速度60～100转/分钟，使合成产物完全稀释、分散于铝熔体中；(4)铝熔体静止5～10分钟后，浇注入金属型中，即得产品。

说明书

技术领域

本发明涉及铝及铝合金复合晶粒细化剂的制备方法，属金属材料加工技术领域。

背景技术

作为铝及各种铝合金的晶粒细化剂的中间合金可明显提高铝及铝合金的机械性能和物理性质。Al-Ti-C是新型的铝及铝合金细化剂，具有TiC粒子尺寸较小、铝液中聚集倾向低、不易被Zr、Cr等原子毒化等优点，是近年来国内外研究的热点，在铝加工业尤其是铝板带箔加工业中具有良好的应用前景。

由于C元素对Al液的浸润性极差，制备Al-Ti-C中间合金的关键是如何有效地将足够数量碳引入中间合金中。常规熔炼方法采用过热处理Al、Al-Ti合金熔体，提高碳的润湿性，增加合金中TiC含量，其基本原理为：在真空条件下通过机械、电磁搅拌等方法，向Al-Ti合金熔体中加入化学活性石墨，制备Al-Ti-C中间合金。但高温熔炼存在合金中Al3Ti相形态不佳、工艺复杂、成本高等缺点，因此长期以来Al-Ti-C未实现工业生产和应用。

目前，国际上Al-Ti-C系中间合金细化剂的制备主要是参照Banerji和Reif于80年代中期发表的专利；在国内，清华大学的方鸿生，李建国和张柏清等也于1998年申请了类似的专利。即在感应炉或电阻炉中熔化铝钛合金至1000℃～1200℃左右，加入稀土或碱土金属或它们的混合物作为活化剂，1～2分钟后加入石墨粉，采用机械或电弧搅拌的方式加速反应的进行，保温一段时间后，除渣浇铸成锭，得到晶粒细化剂产品。其生产工艺复杂，稀土价格昂贵，原料和工艺成本很高，而且生产不稳定，成分不均匀。最主要的，是熔炼技术不能从本质上解决C的加入量问题。因此，不足以满足大规模的工业生产和应用。

兰州理工大学夏天东等人在2003年申请了的专利自蔓延高温合成(SHS)，制备出了铝及铝合金晶粒细化剂Al-Ti-C中间合金，并能够控制其中的TiC和Al3Ti相的比例和形态，获得的Al-Ti-C合金中TiC粒子尺寸细小，可达到亚微米级，但合成过程后合金冷却较慢，存在TiC粒子晶界聚集现象，影响Al-Ti-C的细化性能。

发明内容

本发明的目的是提高合成过程的冷却速度，减少TiC粒子晶界聚集几率，提高Al-Ti-C的细化性能。

本发明是用于铝及铝合金的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的制备方法，按重量百分比，Al为25～76.00％，Ti为15.0～57.00％，C为3.15～10.00％，按所述配比进行混料，将混合物压成圆柱状预制块，将预制块在15～200℃温度范围内保温烘干处理2小时，然后：

(1)用石墨盘将一定量预制块压入760～820℃铝熔体中，预制块加入量按合成产物的Ti含量3～5％计算；

(2)待热爆合成反应完成后，保温2分钟，保温温度760～820℃；

(3)对上述铝熔体进行机械搅拌，搅拌时间5～10分钟，搅拌速度60～100转/分钟，使合成产物完全稀释、分散于铝熔体中；

(4)铝熔体静止5～10分钟后，浇注入金属型中，即得产品。

经以上制备方法得到的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂可直接用于铝及铝合金的晶粒细化。

本发明的有益之处在于：本发明的制备方法制备Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，其合成反应在固态或准固态条件下进行，Al、C、Ti粉末预先得到均匀混合，放热反应提供的高温极大地提高了铝熔体对C的湿润性，且液态停留时间短，从根本上解决C的加入量问题；同时由于Al3Ti和TiC相在燃烧合成过程中原位生成，避免了表面污染及氧化，且以亚微米尺寸存在，利于作为有效形核质点细化晶粒；另外，通过铝熔体快速加热反应合成Al3Ti和TiC相，然后通过自身扩散、机械搅拌使Al3Ti和TiC颗粒均匀分布于铝熔体中，浇铸成一定浓度的中间合金。实现了铝熔体中连续合成母合金和稀释成中间合金的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂制备全过程，减去了母合金(预制块)的冷却环节，避免了此过程中发生的Al3Ti和TiC颗粒向晶界聚集现象，可获得Al3Ti和TiC颗粒均匀分布的Al-Ti-C晶粒细化剂，可有效改善细化性能。而且，采用本发明的铝液中热爆合成工艺制备Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，设备和工艺简单，能耗小，生产成本低，细化效果好，适合大规模的工业生产和推广应用。

附图说明

图1是本发明Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的组织形态图。图2是未加Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图。图3是加入0.01％(含Ti量)Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图。图4是加入0.02％(含Ti量)Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图。

具体实施方式

本发明的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，包括铝、钛、碳元素，按重量百分比，Al为25～76.00％，Ti为15.0～57.00％，C为3.15～10.00％。

本发明的制备方法为，按上述的成分配比配制原料，然后按以下步骤进行制备：

(1)选用Al粉，300目，纯度为99.7％，Ti粉，300目，纯度为99.6％，C粉，300目，纯度为99.9％。

(2)在球磨机上混料，时间2～5小时，转速100-300转/分钟，球料比5～20；

(3)将球磨后的混合物压成圆柱状预制块，压力分别采用60～～100MPa；

(4)将上述预制块在150～200℃温度范围内保温烘干处理2小时；

(5)用石墨盘将一定量预制块压入760～820C铝熔体中，预制块加入量按合成产物的Ti含量3-5％计算；

(6)待热爆合成反应完成后，保温5分钟，保温温度760～820C；

(7)对上述铝熔体进行充分机械搅拌，搅拌时间5～10分钟，搅拌速度60～100转/分钟，使热爆合成产物完全稀释、分散于铝熔体中；

(8)铝熔体静止5～10min后，浇注入金属型中，即得产品。

如图1所示，从本发明的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的组织形态图可以看出，复合晶粒细化剂由Al、Al₃Ti、TiC三相组成，其中TiC粒子以0.4～0.8m的小球状形式存在，并在铝基体上均匀分布，Al₃Ti粒子以2～5m的小块状形式存在，以疏松的团簇状分布在铝基上，并且在Al₃Ti团簇中存在大量TiC粒子。本发明的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂避免了Al₃Ti和TiC颗粒向晶界聚集现象，可有效改善细化性能。

制备的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂在细化铝及铝合金时，细化剂的添加量按使含Ti量为0.01～0.05％计算。

图2所示为未加Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图。

对于工业纯铝，加入含Ti量0.01％的本发明制备方法制备的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，晶粒尺寸可细化至100微米以下，图3所示为加入含Ti量0.01％的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图，与图2对比，晶粒尺寸细化的效果是比较明显的。

加入含Ti量0.02％的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂，晶粒尺寸可细化至75微米以下。对于铝合金，晶粒尺寸可细化至135～150微米以下，图4所示为加入含Ti量0.02％的Al-Ti-C系复合晶粒细化剂的工业纯铝剖面金相图。