一种Al‑Ti‑RE中间合金的制备方法与流程

本发明属于冶金
技术领域：
，具体涉及一种Al-Ti-RE中间合金的制备方法。
背景技术：
：近年来，铝及其合金由于质量轻，性价比优良，造型美，综合性能好，已经在机械工业、汽车工业、航空与军事工业等高科技领域得到了广泛的应用。然而，众所周知，铝熔液在凝固结晶过程中容易产生粗大的柱状晶和羽毛状晶组织，造成力学性能，如加工性能、屈服强度和延伸率等的下降。因此，在铝合金铸造的实际生产中，通常需要采取各种措施对凝固结晶组织进行细化，获得更加细小和均匀分布的等轴晶组织，从而提高其力学性能。在铝熔体中添加各种细化剂进行组织细化处理是目前最广泛和实用的一种细化方式，常见的细化剂有Al-Ti-B、Al-Ti、Al-Ti-C等，其中，Al-Ti-B是使用最多的。但是，该细化剂也有其固有的缺陷，一方面是TiB2粒子硬度大、容易偏聚，且容易和Zr、Cr、Mn等元素发生“毒化”作用；另一方面是其抗衰减性能不是很好，致使其在制备罐材用料、超薄铝箔、磁盘、阳极氧化产品等铝及铝合金制品时并不能满足生产需要。Al-Ti中间合金也是一种行之有效的细化剂，而且由于没有TiB2粒子的影响，在细化铝箔等特殊铝合金制品时往往更具优势，但是其细化效果与Al-Ti-B相比要差很多，因此，如何对Al-Ti中间合金的细化性能进行改善提高便显得十分重要。研究表明，稀土元素加入Al-Ti中间合金后，能够在Al3Ti晶界上析出，阻碍其进一步长大，起到控制Al3Ti的尺寸的作用，而且，稀土元素本身也是一种细化剂，能够对铝晶粒起到很好的细化作用。因此，鉴于稀土元素的这些优良性能，本发明考虑制备一种Al-Ti-RE中间合金用于特殊铝合金制品的细化。同时，从钛废材循环利用的角度出发，Al-Ti-RE制备过程中的Ti源从钛制品在机械加工过程中产生的金属钛屑（如车屑、刨屑、锯屑等）中获得。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种Al-Ti-RE中间合金的制备方法，该方法制备的Al-Ti-RE中间合金细化效果好、质量高，并实现钛废料的循环利用。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：（1）钛屑除油：把机械加工过程中产生的金属钛屑在100～150℃保温25～35min，将钛屑表面残留的油质清除；（2）钛屑剪切：将除油处理后的钛屑在剪切粉碎机上进行剪切并破碎；（3）钛屑压饼：将破碎后的钛屑放在油压机上压制成0.5～2.0kg的圆饼；（4）纯铝熔化：在中频感应炉内将称取的铝锭加热至750~850℃；（5）合金化处理：将计算好重量的钛屑饼分批用钟罩压入铝熔体，同时开启机械搅拌机进行搅拌，搅拌时间25～35min；（6）一次除气和除渣处理：用石墨管通氩气或氮气，通气量以让熔体从下至上连续翻滚沸腾为宜，熔体里的残渣会不断浮出表面；通气3~5min后，移除石墨管，关闭气源，将表面浮出的残渣清除掉；（7）添加稀土合金：将预热至400~500℃的Al-10RE中间合金块加入熔体中，待Al-10RE中间合金块熔化后，开启机械搅拌机搅拌3~8min；（8）二次除气和除渣处理：利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气3~5min，并将浮在液面的残渣清除，得到纯净的Al-Ti-RE合金熔体；（9）铸锭：维持合金熔液在750～800℃之间，开始放流，并通过旋转铸造机铸锭。在本发明中Al-Ti-RE中间合金分别为Al-5Ti-0.5RE、Al-5Ti-1RE、Al-10Ti-0.5RE等。在本发明步骤（1）中钛屑的保温温度在120～145℃之间。在本发明中钛屑的纯度≥97%，厚度≤2mm。在本发明中步骤（2）中钛屑需破碎长度≤2mm。在本发明中钛屑要压制成1.0～2.0kg的圆饼状。在本发明中铝液与钛屑饼的反应温度在780~820℃之间。在本发明中石墨管的孔径为20mm。在本发明中Al-10RE中间合金要先预热至450~500℃。在本发明中Al-Ti-RE中间合金熔体的浇注温度为760～780℃。本发明有益效果：1、Al-Ti-RE合金的细化效果更好。与Al-Ti合金相比，由于RE元素的加入，一方面抑制了Al3Ti相的长大，使其尺寸明显减少；另一方面RE元素本身也具有较好的细化作用，因此，Al-Ti-RE合金的细化效果更好。2、钛废料循环利用。本发明中的Ti源采用了钛行业机械加工过程中产生的钛屑废料，从而实现了钛废料的循环利用。3、成分均匀。本发明使用了中频感应炉进行合金化操作，在搅拌过程中同时伴随着电磁搅拌和机械搅拌，尤其是电磁搅拌可以不停的把沉在底部的Al3Ti颗粒搅拌起来，从而实现了Al-Ti-RE合金各元素成分的均匀分布。4、减少Ti元素的烧损。本发明把钛屑破碎后压饼，并用钟罩将其压入铝液内部，避免了钛和空气接触而发生氧化反应，从而有效减少了Ti元素的烧损，降低了生产成本。5、稀土烧损少。添加Al-10RE中间合金时，先将其预热至400℃-500℃，使其熔化时间显著缩短，从而减少了RE元素在高温下存在的时间，降低了烧损程度，提高了RE实收率。6、改善Al-Ti-RE合金的流动性。随着Ti元素含量的增加，Al-Ti合金熔液的流动性会下降，从而影响除气、除渣、铸造等过程，但是稀土元素加入后，Al-Ti-RE合金熔液的流动性就得到了很大的改善，并有利于除气、除渣、铸造等过程的进行。7、Al-Ti-RE合金锭铸造质量好，气孔/针孔少。稀土元素加入铝液后，一方面会与Al反应生成Al4RE金属间化合物，而该化合物对[H]的吸附能力极强，可以把铝液中的氢以化学吸附方式固定住氢；另一方面稀土元素很活跃，容易和[H]反应生成REH2，从而固定住氢。这两种方式的共同作用下，极大的减少了铝液中可以形成气孔/针孔的游离态[H]，进而大幅度减少Al-Ti-RE合金铸锭时析出气孔或针孔，提高了Al-Ti-RE合金锭的铸造质量。8、Al-Ti-RE合金的洁净度高。合金制备过程中，由于温度高，并与空气直接接触，因而有部分氧化夹杂物生成，而稀土元素的加入可以将残留在Al-Ti中间合金中这些细小氧化夹杂物去除，从而提高合金熔液的洁净度。9、环保、无污染。本工艺全程无烟气释放，工人操作环境好，整条生产线环保无污染。附图说明以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。图1为Al-5Ti中间合金的金相图。图2为实施例1Al-5Ti-0.5RE中间合金的金相图。图3为实施例2Al-5Ti-1RE中间合金的金相图。图4为Al-10Ti中间合金的金相图。图5为实施例3Al-10Ti-0.5RE中间合金的金相图。具体实施方式以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。本发明所用铝锭的纯度为99.7%，钛屑的纯度为97%，厚度不超过2mm。实施例1本实施例Al-5Ti-0.5RE中间合金的制备方法，具体步骤如下：（1）钛屑除油：把机械加工过程中产生的金属钛屑在120℃保温30min；（2）钛屑剪切：将除油处理后的钛屑在剪切粉碎机上进行剪切并破碎至2mm以下；（3）钛屑压饼：将破碎后的钛屑放在油压机上压制成1.5kg左右的圆饼；（4）纯铝熔化：在中频感应炉内将铝锭900kg加热至850℃，清除铝液表面的杂质及氧化膜；（5）合金化处理：将50kg重的钛屑饼分两次用钟罩压入铝熔体，同时开启机械搅拌机进行搅拌，搅拌时间25min；（6）一次除气和除渣处理：用石墨管通氩气或氮气，通气量以让熔体从下至上连续翻滚沸腾为宜，熔体里的残渣会不断浮出表面；通气3min后，移除石墨管，关闭气源，将表面浮出的残渣清除掉；（7）添加稀土合金：将预热至450℃的Al-10RE中间合金块50kg一次加入熔体中，待Al-10RE中间合金块完全熔化后，机械搅拌3min；（8）二次除气和除渣处理：利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气3min，并将浮在液面的残渣清除，得到纯净的Al-5Ti-0.5RE合金熔体；（9）铸锭：维持合金熔液在800℃之间，开始放流，并通过旋转铸造机铸锭。本实施例生产的Al-5Ti-0.5RE中间合金的成分如表1所示。按照原料添加的实际重量，从理论上计算应该得到Al-5Ti-0.5RE合金，实际产品测试得到Al-4.8Ti-0.44RE合金，因此Ti的实收率=4.8/5=96%，RE的实收率=0.44/0.5=88%。另外，对Al-5Ti-0.5RE中间合金进行金相分析，结果见图2，图2中可以看到，在α-Al基体中分布着大量的颗粒状物质，这是Al-Ti-RE中间合金在化学反应过程中生成的第二相。研究显示，Al-Ti合金生成的金属间化合物为Al3Ti，Al-RE合金生成的是Al4RE，因此，在图2中出现的第二相颗粒是Al3Ti和Al4RE的混合物。与图1相比，金相图并没有明显的区别。经细化实验检验，添加0.2%的Al-5Ti-0.5RE中间合金后，纯铝晶粒可以细化至562μm，比添加0.2%的Al-5Ti中间合金的纯铝晶粒尺寸小200μm-300μm左右。表1Al-5Ti-0.5RE中间合金化学成分（wt.%）样品TiRESiFeAlAl-5Ti-0.5RE4.80.440.08670.154余量实施例2本实施例Al-5Ti-1RE中间合金的制备方法，具体步骤如下：（1）钛屑除油：把机械加工过程中产生的金属钛屑在120℃保温30min；（2）钛屑剪切：将除油处理后的钛屑在剪切粉碎机上进行剪切并破碎至2mm以下；（3）钛屑压饼：将破碎后的钛屑放在油压机上压制成1.5kg左右的圆饼；（4）纯铝熔化：在中频感应炉内将铝锭850kg加热至850℃，清除铝液表面的杂质及氧化膜；（5）合金化处理：将50kg重的钛屑饼分两次用钟罩压入铝熔体，同时开启机械搅拌机进行搅拌，搅拌时间25min；（6）一次除气和除渣处理：用石墨管通氩气或氮气，通气量以让熔体从下至上连续翻滚沸腾为宜，熔体里的残渣会不断浮出表面；通气3min后，移除石墨管，关闭气源，将表面浮出的残渣清除掉；（7）添加稀土合金：将预热至450℃的Al-10RE中间合金块100kg分两次加入熔体中，待Al-10RE中间合金块完全熔化后，机械搅拌5min；（8）二次除气和除渣处理：利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气3min，并将浮在液面的残渣清除，得到纯净的Al-5Ti-1RE合金熔体；（9）铸锭：维持合金熔液在800℃之间，开始放流，并通过旋转铸造机铸锭。本实施例生产的Al-5Ti-1RE中间合金的成分如表1所示。按照原料添加的实际重量，从理论上计算应该得到Al-5Ti-1RE合金，实际产品测试得到Al-4.8Ti-0.86RE合金，因此Ti的实收率=4.8/5=96%，RE的实收率=0.86/1=86%。对Al-5Ti-1RE中间合金进行金相分析，结果见图3。与图2相比，金相图并没有明显的区别。经细化实验检验，添加0.2%的Al-5Ti-1RE中间合金后，纯铝晶粒可以细化至408μm，分别比添加0.2%的Al-5Ti-0.5RE中间合金的纯铝晶粒尺寸小100μm-150μm左右。表2Al-5Ti-1RE中间合金化学成分（wt.%）样品TiRESiFeAlAl-5Ti-1RE4.80.860.08890.167余量实施例3本实施例Al-10Ti-0.5RE中间合金的制备方法，具体步骤如下：（1）钛屑除油：把机械加工过程中产生的金属钛屑在120℃保温30min；（2）钛屑剪切：将除油处理后的钛屑在剪切粉碎机上进行剪切并破碎至2mm以下；（3）钛屑压饼：将破碎后的钛屑放在油压机上压制成1.5kg左右的圆饼；（4）纯铝熔化：在中频感应炉内将铝锭850kg加热至850℃，清除铝液表面的杂质及氧化膜；（5）合金化处理：将100kg重的钛屑饼分三次用钟罩压入铝熔体，同时开启机械搅拌机进行搅拌，搅拌时间35min；（6）一次除气和除渣处理：用石墨管通氩气或氮气，通气量以让熔体从下至上连续翻滚沸腾为宜，熔体里的残渣会不断浮出表面；通气5min后，移除石墨管，关闭气源，将表面浮出的残渣清除掉；（7）添加稀土合金：将预热至450℃的Al-10RE中间合金块50kg分两次加入熔体中，待Al-10RE中间合金块完全熔化后，机械搅拌5min；（8）二次除气和除渣处理：利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气3min，并将浮在液面的残渣清除，得到纯净的Al-10Ti-0.5RE合金熔体；（9）铸锭：维持合金熔液在800℃之间，开始放流，并通过旋转铸造机铸锭。本实施例生产的Al-10Ti-0.5RE中间合金的成分如表1所示。按照原料添加的实际重量，从理论上计算应该得到Al-10Ti-0.5RE合金，实际产品测试得到Al-9.42Ti-0.43RE合金，因此Ti的实收率=9.42/10=94.2%，RE的实收率=0.43/0.5=86%。对Al-10Ti-0.5RE中间合金进行金相分析，结果见图5。与图4相比，金相图也没有明显的区别。经细化实验检验，添加0.2%的Al-10Ti-0.5RE中间合金后，纯铝晶粒可以细化至433μm，比添加0.2%的Al-10Ti中间合金的纯铝晶粒尺寸小300μm-400μm左右。表3Al-10Ti-0.5RE中间合金化学成分（wt.%）样品TiRESiFeAlAl-10Ti-0.5RE9.420.430.09450.212余量当前第1页1 2 3