一种Al-Ti-C-Sc中间合金细化剂及其制备方法与流程

一种al-ti-c-sc中间合金细化剂及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种al-ti-c-sc中间合金细化剂及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金是一种重量轻、比强度高、导电导热性能好且资源丰富的金属，广泛应用于汽车、机械、航空航天等各个领域。随着电子、汽车、机械等产业向着轻量化、精密化、智能化的方向发展，尤其是航空与军事工业等高新技术领域的飞速发展，更是对铝合金的综合性能提出了更高的要求。而铝合金晶粒细化是提升铝合金综合性能的重要手段，细化晶粒不仅可以提高材料的强韧度，还可以保证材料具有优异的铸造性能和加工性能。细化晶粒的方法主要包括电磁作用、超声波振动、快速凝固、添加细化剂等方法，前几类方法都在设备复杂、成本较高等不同程度上受到局限，所以，在铝工业中，向铝熔体内添加晶粒细化剂是最经济、最有效的方法。目前国内较常用的晶粒细化剂有al-ti、al-b、al-ti-b等中间合金晶粒细化剂，其中al-ti-b中间合金作为细化剂添加容易形成tib2相，并在铝熔体中沉淀聚集，使得细化效果随时间推移逐步衰退。除此之外，诸如v、mn等元素的存在，极易使细化效果衰弱甚至消失，也就是俗称的“毒化作用”。人们相继发明了al-ti-c中间合金晶粒细化剂，但取而代之的问题是，石墨与铝液的润湿性太差，从而造成难以大规模产业化生产。为了解决上述问题，本发明创新性的在al-ti-c中间合金中添加了稀土元素钪(sc)，钪元素对铝合金具有很强的晶粒弥散、晶粒细化作用，还可以有效的抑制al的再结晶，al与sc形成的al3sc与基体al母相共格，对位错的扩展和亚晶的生长起到钉扎作用，从而促进晶粒细化。添加微量的sc元素对铝及铝合金具有很好的晶粒细化的效果。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：本发明的目的是提供一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，以解决上述背景技术中提到的al-ti-b系列细化剂细化效果随时间不断衰退、细化效果不明显、“毒化”现象以及al-ti-c系列细化剂中c元素与铝液并不润湿的问题。
4.技术方案：一种al-ti-c-sc中间合金细化剂，所述中间合金细化剂的组成元素质量百分比为：ti 5％-10％、c 1％-5％、sc 0.5％-2％，其余为al。优选的，所述细化剂的铸锭组织包括α-al、tial3、tic和al3sc。一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按重量比1：3-5的比例混合后，添加预制体粘结剂，制备粒径为1-10毫米的预制体；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭预热后，在保护气体下加热熔融，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层
草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分批压入至铝液的底部，加热搅拌，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。优选的，所述步骤(1)中预制体粘结剂为矿粉粘结剂，所述预制体的粒径为5mm，所述预制体密度大于2.7g/mm3。优选的，所述步骤(1)中预制体为在倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为1.5-2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°‑
30
°
。优选的，所述步骤(3)中铝液的融化温度为800℃-900℃。优选的，所述步骤(3)中铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1000℃-1200℃，加热搅拌的时间为5-10min，静置保温的温度850℃-900℃，保温时间为30-60min。有益效果：本发明的al-ti-c-sc中间合金细化剂及其制备方法具有以下优点：1.本发明突破性的使用石墨-氟钛酸钾预制体，将石墨粉末与氟钛酸钾粉末通过热压结合在一起投入铝液，在铝液中，相对于氟钛酸钾较低的熔点，氟钛酸钾粉末立刻熔化，并在石墨周围包裹了一层氟钛酸钾熔化膜，它首先与铝发生如下：3k2tif6+4al＝2kalf4+k3alf6+kf+alf3+3ti、k2tif6+2al＝2alf3+2k+ti、al(l)+ti
→
tialx热还原反应，并放出大量热量，使得周围溶液温度持续上升至1000
°
以上，在该温度下，溶液初期形成的亚稳态tial9相会逐渐转化为稳定的tial3金属间化合物。这时，c原子与alti3粒子还有过量的ti原子发生还原反应，即生成了tic，从而使c原子跟al熔体发生润湿；2.本发明采用新型工艺所开发的新型al-ti-c-sc中间合金细化剂，避免传统al-ti-b合金所造成的细化效果衰退现象及“毒化”现象，能够大幅推动al-ti-c合金在晶粒细化剂方面的应用，拥有更好的市场前景，将大幅提升晶粒细化剂的细化效果，可进一步提升铝及其铝合金的综合性能；3.通过添加微量稀土元素sc、采用粉体造粒机形成小型球状石墨-氟钛酸钾预制体，并利用氟钛酸钾熔化膜包裹碳粉，使碳原子与alti3以及过量的ti原子充分反应，形成tic，从而达到与铝液润湿等的新型工艺技术，能够解决铝钛硼合金晶粒细化效果随时间衰退、变质退化以及碳在铝液中润湿性差等有害问题，有效细化铝合金的晶粒尺寸。分批投入预制体和al-2sc合金工艺，有效改善tic及tial3聚集的问题。整体提升铝合金综合力学性能，并且改善其铸造性能。
附图说明
图1为制备al-ti-c-sc中间合金细化剂工艺流程图；图中标号为：1.纯铝锭；2.坩埚电阻炉；3.铝液；4.草木灰；5.铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；6.碳棒；7.合金铝溶液；8.金属模具；9.al-ti-c-sc中间合金细化剂；10.石墨粉；11.氟钛酸钾粉末；12.粘结剂；13.粉体造粒机；14.预制体块；15.al-2sc合金块。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭(1)、石墨粉(10)、氟钛酸钾粉末(11)、al-2sc合金块(15)按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、0.5％，93.5％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂(12)，倾斜式粉体造粒机(13)中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°
，制备粒径为5毫米的预制体(14)，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物(5)；(3)将纯铝锭(1)100-150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉(2)中加热熔融，融化温度为900℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰(4)隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，使用碳棒(6)搅拌加热搅拌温度为1050℃，加热搅拌的时间为10min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为30min，得到合金铝溶液(7)；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液(7)倒入预热至300℃的金属模具(8)中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂(9)。实施例2一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、2％，92％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为1.5kw，所述造粒机的倾斜角为30
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为850℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1100℃，加热搅拌的时间为8min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为50min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热至300℃的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。实施例3一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为10％、1％、0.5％，88.5％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为30
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；
(3)将纯铝锭100℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为850℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1100℃，加热搅拌的时间为5min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度900℃，保温时间为50min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热至300℃的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。将实施例1，实施例2和实施例3制备的al-ti-c-sc中间合金细化剂以重量份1％的含量投入预先以700℃熔化的a356.2铝合金铝溶液中，升温至750℃，搅拌5分钟，除渣并静置10分钟后浇入预热200℃的金属型模具中，冷却后获得通过al-ti-c-sc中间合金细化剂细化后的a356.2铝合金。对经al-ti-c-sc中间合金细化剂细化后的a356.2铝合金进行屈服强度、抗拉强度、伸长率及硬度测试，测试结果如下： 抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)伸长率(％)硬度(hb)实施例1255.4250.01.09274.0实施例2276.4263.71.09579.4实施例3245.4233.71.08177.3从上述实施例中可以看出，增加钪元素的含量至2wt％，具体情况如下：钪元素的增多，合金细化的程度更加明显，而且铝合金的综合力学性能和铸态组织均得到更好改善；增加ti元素的含量至10wt％，具体情况如下：k2tif6(氟钛酸钾)粉末增多，即ti含量的增多，这必将导致中间合金的熔点升高，表面张力变大，c元素与al元素的润湿性进一步变差，熔化温度在1000℃以上，而且k2tif6与铝液反应放出大量热量，使得溶液表面张力变小，石墨与铝液的润湿性增强，其综合效果在熔炼温度1000℃以上较好。对比例1一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、0.5％，93.5％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭100-150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为900℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为850℃，加热搅拌的时间为10min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为30min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热至300℃的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。对比例2
一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、0.5％，93.5％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭100-150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为900℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1050℃，加热搅拌的时间为10min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为30min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液直接倒入金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。对比例3一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、0.5％，93.5％进行配料，将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭100-150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为900℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物一批直接压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1050℃，加热搅拌的时间为10min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为30min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热至300℃的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。对比例4按照实施例1的方法制作al-ti-c-sc中间合金细化剂并作为细化剂添加a356.2铝合金，不同的是，采用ti粉与c粉通过粉体造粒机制成ti-c预制体，具体步骤如下：一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯铝锭、石墨粉、氟钛酸钾粉末、al-2sc合金块按ti、c、sc、al重量百分比分别为5％、1％、0.5％，93.5％进行配料，将石墨粉末和钛粉按比例混合后，添加预制体粘结剂，倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°
，制备粒径为5毫米的预制体，预制体密度大于2.7g/mm3；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；
(3)将纯铝锭100-150℃预热后，在保护气体下置于rh-890坩埚炉中加热熔融，融化温度为900℃，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1050℃，加热搅拌的时间为10min，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温，静置保温的温度850℃，保温时间为30min，得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热至300℃的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。将对比例1-4制备的al-ti-c-sc中间合金细化剂以重量份1％的含量投入预先以700℃熔化的a356.2铝合金铝溶液中，升温至750℃，搅拌5分钟，除渣并静置10分钟后浇入预热200℃的金属型模具中，冷却后获得通过al-ti-c-sc中间合金细化剂细化后的a356.2铝合金。对经al-ti-c-sc中间合金细化剂细化后的a356.2铝合金进行屈服强度、抗拉强度、伸长率及硬度测试，测试结果如下： 抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)伸长率(％)硬度(hb)对比例1214.42231.08567.0对比例2265.4259.71.09177.4对比例3258.7251.31.09276.0对比例4253.1250.31.08772.0从上表中可以看出，对比例1中将温度下降之后，由于温度较低，不能将铝锭表面的al2o3薄膜熔化，c元素与铝液之间接触角大于90度，这将导致石墨与铝液不润湿，从而使石墨浮在溶液表面，生成不了tic，且溶液不均匀，起不到晶粒细化的作用；对比例2中，未将金属型模具进行预热处理，均匀溶液倒入其中，由于受到模具的激冷效果，铝溶液在形成表面细晶区，但是容易造成成型困难、粘膜、铸件裂纹等缺陷，虽然获得的铝棒性能得到优化，但是综合效益差；对比文件3中，未进行分批投入预制体块及al-2sc合金块，将预制体块及al-2sc合金块先后投入完全熔化的铝液，并不断施加搅拌，造成部分炉子中预制体与铝液反应不完全，从而使得碳粉无氟钛酸钾熔化膜包覆从而浮在铝液上方，即少量炉子出现碳粉与铝液不润湿现象；对比文件4中，采用ti粉与c粉通过粉体造粒机制成ti-c预制体，采用ti粉与碳粉通过物理混合制成预制体，ti粉的熔点远高于铝液温度，并不会熔化，而是在铝液中形成硬质点，c粉则因为与铝液的不润湿，且密度较低，浮于铝液表面，起不到相应的细化效果。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种al-ti-c-sc中间合金细化剂，其特征在于：所述中间合金细化剂的组成元素质量百分比为：ti 5％-10％、c 1％-5％、sc 0.5％-2％，其余为al。2.根据权利要求书1所述的al-ti-c-sc中间合金细化剂，其特征在于：所述细化剂的铸锭组织包括α-al、tial3、tic和al3sc。3.一种al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨粉末和氟钛酸钾粉末按重量比1：3-5的比例混合后，添加预制体粘结剂，制备粒径为1-10毫米的预制体；(2)将预制体与块状al-2sc混合，并用铝箔包装，得到用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物；(3)将纯铝锭预热后，在保护气体下加热熔融，待铝锭完全熔化成铝液，撒上一层草木灰隔绝空气，将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分批压入至铝液的底部，加热搅拌，至预制体和al-2sc完全溶解在铝液中，静置保温得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热的金属模具中，然后冷却至室温，得到al-ti-c-sc中间合金细化剂。4.根据权利要求3所述的al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中预制体粘结剂为矿粉粘结剂，所述预制体的粒径为5mm，所述预制体密度大于2.7g/mm3。5.根据权利要求3所述的al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中预制体为在倾斜式粉体造粒机中经逆流旋转摩擦形成，所述造粒机的功率为1.5-2.0kw，所述造粒机的倾斜角为20
°‑
30
°
。6.根据权利要求3所述的al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中铝液的融化温度为800℃-900℃。7.根据权利要求3所述的al-ti-c-sc中间合金细化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中铝箔包裹的预制体与al-2sc混合物分三批压入至铝液的底部，加热搅拌温度为1000℃-1200℃，加热搅拌的时间为5-10min，静置保温的温度850℃-900℃，保温时间为30-60min。

技术总结
本发明提供了一种Al-Ti-C-Sc中间合金细化剂，所述中间合金细化剂的组成元素质量百分比为：Ti5％-10％、C1％-5％、Sc0.5％-2％，其余为Al；其制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨粉末和氟钛酸钾粉末混合后，制备预制体；(2)制备用铝箔包裹的预制体与Al-2Sc混合物；(3)将步骤(2)中制备的用铝箔包裹的预制体与Al-2Sc混合物分批压入至铝液的底部，加热搅拌，至预制体和Al-2Sc完全溶解在铝液中，静置保温得到合金铝溶液；(4)将步骤(3)中的合金铝溶液倒入预热的金属模具中，然后冷却至室温，得到Al-Ti-C-Sc中间合金细化剂。Sc中间合金细化剂。Sc中间合金细化剂。


技术研发人员：廖敏 刘文鑫 喻鼎辉 廖志辉 喻强 沈甫原 朱云 李杰 赵以铭 罗学涛
受保护的技术使用者：福建泰然新材料有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8