锌-铝-钽中间合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于合金材料技术领域，涉及一种锌-铝-钽中间合金及其制备方法和应用，制备的锌-铝-钽中间合金可用于细化锌-铝合金中初生α-Al晶粒。
【背景技术】
[0002]锌-铝合金因其优良铸造工艺、机械加工工艺性能及一定的优良力学性能，有着较为广泛的市场应用。含铝量大于5wt.%的锌-铝合金结晶凝固范围宽，在凝固过程中容易生成尺寸较大、分枝复杂的初生α -Al树枝晶，由此带来成分偏析、缩松、缩孔等组织结构缺陷，进而带来力学、耐腐蚀性能下降等问题。故实际生产中通常向锌-铝合金中添加晶粒细化剂以细化晶粒组织，以获得理想的合金组织结构和性能。
[0003]目前已经出现了几种锌基中间合金细化剂，如:Zn-Ti，Zn-Zr, Zn-Al-Zr,Zn-Al-T1、Zn-Al-T1-B，Zn-Al-T1-C,等。这些中间合金细化剂主要是以含有钛或锆元素为基础。实际生产中，锌-铝合金中往往可能会添加其它各种各样的化学元素(如铜、锰、镁等)，也可能会不可避免地含有各种杂质元素(如铁、铅等)。在用中间合金进行晶粒细化时，中间合金可能会与待细化的合金中的某些元素发生干涉作用而产生不利效果，例如用Zn-Al-T1-C细化含有硅元素的锌-铝合金时，硅元素会与钛元素在熔体发生化学反应且生成物会覆盖在形核粒子TiC的表面，从而导致细化效果的大大下降(即细化“中毒”现象)；含有Zr元素的中间合金在细化含有B元素的锌-铝合金时会因Zr与B的反应导致中间合金细化“中毒”问题。由于锌-铝合金中的元素种类多种多样，有时一种锌-铝合金中会同时含有多种元素，因此细化“中毒”情况也会多种多样。要解决这一问题，就需要为实际生产提供基于不同元素体系的不同种类的中间合金细化剂，以便在不同的应用中能够容易做出有利选择。因此，开发不含有锆或钛元素的更多其它种类的高效锌基中间合金细化剂在实际生产中具有重要意义。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种锌-铝-钽中间合金，该中间合金对锌-铝合金具有高效晶粒细化作用。
[0005]本发明还提供了该中间合金的制备方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
一种锌-铝-钽中间合金，其特征在于:由以下质量百分含量的成分组成:钽1_14%，铝5-40%，其余为锌；
所述的Ta元素以TaAl3xZnx化合物粒子形式镶嵌于中间合金的基体中，其中，0.25〈χ〈1.I ；
所述的基体为锌-铝基体。
[0007]上述锌-铝-钽中间合金中，所述的TaAl3 合物粒子为球形或多面体状，粒子外径尺寸为0.1-4 μ m，大多数外径尺寸在0.5-2 μ m范围内； 上述锌-招-钽中间合金中，所述的TaAl3 xZnx化合物粒子为体心四方晶体结构。
[0008]本发明锌-铝-钽中间合金的制备方法，包括以下步骤:
1)称取m(l-0.0lk-0.0ln)克纯锌、m (0.01k+0.0025η)克纯铝和0.02169mn克K2TaF7;其中，m为锌-铝-钽中间合金的总质量，k%S铝在锌-铝-锆中间合金中的质量百分含量，n%为钽在锌-招-错中间合金中的质量百分含量；
2)将纯铝和纯锌同时放入熔化炉内熔化至650-730°C，得锌-铝熔体，然后保持650-730 °C 加入 K2 TaF7并反应 5_60min ；
3)步骤2)反应后的锌-铝熔体分成上层油状物和下层合金熔体两层，去掉上层油状物，将下层合金熔体充分搅拌后浇注入模具中，合金熔体凝固后即得锌-铝-钽中间合金。
[0009]上述制备方法中，步骤I)所述的K2TaF7为粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-10 μ m。
[0010]上述制备方法中，步骤2)所述的K2TaF7* 1_5批次加入，每批次K 2 TaF7W入后反应时间为5-15min。
[0011]上述制备方法中，步骤2)所述的K2TaF7加入后，在反应过程中对熔体进行充分搅拌，转速为80-200转/分钟。
[0012]上述锌-铝-钽中间合金的应用:可用于细化锌-铝合金中的a-Al晶粒，方法为向锌-铝合金熔体中加入比例为0.2-4wt.%的锌-铝-钽中间合金，保温5-20min后，搅拌锌-铝合金熔体，然后浇注。
[0013]本发明上述中间合金的制备方法中，将K2 TaF7W入铝液后发生如下化学反应:
3KZ TaF7 + (14-3x)Al + xZn = 6KF + 5A1F3+ 3TaAl3 xZnx
其中的KF和AlF3以液体形式漂浮于合金熔体上层，TaAl 3 ^!^固体粒子进入合金熔体中。
[0014]制备方法中，通过分批加入K2 TaF7和进行熔体搅拌能够控制所生成的TaAl 3 xZnx的长大，使之具有较小的尺寸且在熔本中分布均匀。
[0015]本发明所提供的锌-铝-钽中间合金在锌-铝基体中含有大量的尺寸小于3 μπι的TaAl3 χΖηχ(0.25<χ<1.1)化合物粒子，此粒子具有体心四方晶体结构。将此中间合金加入到待细化的锌-铝合金熔体中后，中间合金基体熔化后释放出TaAl3 χΖηχ (0.25<χ<1.1)固体粒子，在随后的锌-铝合金凝固过程中这些粒子会成为a -Al晶粒结晶形核的基底(图7)，从而使锌-铝合金的晶粒由复杂的大尺寸树枝晶转变为细小的花瓣甚至是多面体晶粒(图3、4、5、6 )。所给锌-铝-钽中间合金中的大多数TaAl3xZnJi子尺寸控制在0.5-2 μπι范围内是因为:这个尺寸范围可有效的充当a-Al晶粒结晶的形核基底，尺寸太小时粒子的形核能力下降，尺寸偏大时单个粒子形核能力强但是粒子数量会因此大大减少而使合金的总体细化能力下降且粒子尺寸偏大还会带来粒子在中间合金中易沉淀等一系列质量问题。
[0016]本发明提供的锌-铝-钽中间合金具有高效的晶粒细化效果，且制备方法简单，为锌-铝合金的晶粒细化提供了在钛、锆系中间合金之外的另一个选择。
【附图说明】
[0017]图1为实施例1所制Zn_27wt.%Al_7wt.%Ta中间合金的扫描电镜(SEM)低倍组织结构图；图中白色颗粒为TaAl3 xZnx粒子，灰色和浅白色物相为锌-铝基体； 图2为实施例1所制Zn-27Al-7Ta中间合金的扫描电镜(SEM)高倍组织结构图；图中白色颗粒分子式为TaAl3 xZnx，灰色和浅白色物相为锌_铝基体；
图3为未细化Zn-30wt.%Al合金的光学显微镜照片；图中发亮的晶粒组织为初生α -Al晶粒；
图4为在Zn-30wt.%A1合金中加入0.5%实施例1所制备的Zn_27Al_7Ta中间合金进行细化后的光学显微镜照片；图中发亮的晶粒组织为初生α -Al ;
图5为在Zn-30wt.%A1合金中加入1%实施例1的Zn_27Al_7Ta中间合金进行细化后的光学显微镜照片；图中发亮的晶粒组织为初生α -Al ;
图6为在Zn-30wt.%A1合金中加入3%实施例1的Zn_27Al_7Ta中间合金进行细化后的光学显微镜照片；图中发亮的晶粒组织为初生α -Al ;
图7为在Zn-30wt.%A1合金中加入1%实施例1的Zn_27Al_7Ta中间合金进行细化后的扫描电镜照片；
图8为图7中I处的扫描电镜能谱图。
【具体实施方式】
[0018]下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对
【发明内容】
进行限定。
[0019]实施例1
一种锌-铝-钽中间合金，由以下质量百分含量的成分组成:钽7%，铝27%，其余为锌，即Zn-27Al-7Ta中间合金。
[0020]制备1000克上述Zn-27Al_7Ta中间合金，步骤为:
1)称取原料纯锌660克、纯铝287.5克和K2TaF7 151.83克；其中K2TaF7为粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-10 μ m ；
2)将纯铝和纯锌同时放入熔化炉内熔化至650-730°C，得锌-铝熔体，然后保持650-730°C分2批加入K2 TaF7,每批次K2 TaF7加入后反应7min，反应过程中用碳棒进行搅拌，转速为100转/分钟；
3)步骤2)反应后的锌-铝熔体分成上层油状物和下层合金熔体两层，去掉上层油状物，将下层合金熔体充分搅拌后浇注入模具中，合金熔体凝固后即得Zn-27Al-7Ta
中间合金。
[0021]本实施例制备的Zn-27Al_7Ta中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成:钽7%，铝27%，余量为锌。钽元素以TaAl3 xZnx (0.25〈x〈l.1)化合物粒子的方式镶嵌于锌-铝基体中。TaAl3 xZnx (0.25〈x〈l.1)具有体心四方晶体结构，粒子尺寸在0.1-4 μπι范围内，大多数尺寸在0.5-2 μπι范围内，其显微组织结构如图1和图2所示。图1为低倍组织结构图；图2为高倍组织结构图；图1中，用X射线衍射与扫描电镜相结合分析可知:白色颗粒为TaAl3 χΖηχ (0.25<χ<1.1)，具有体心四方晶体结构，灰色和浅白色物相为锌-铝基体。图2中，白色颗粒分子式为TaAl3xZnx (0.25<χ<1.1)，灰色和浅白色物相为锌-铝基体；
向Zn-30wt.%A1锌-铝合金熔体中加入比例为0.5wt.%的实施例1的Zn-27Al_7Ta中间合金，保温5-20min后，搅拌锌-铝合金熔体，然后浇注。未细化Zn_30wt.