一种Al-B-RE中间合金的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种A1-B-RE中间合金的制备方法，属于新材料技术领域中材料及冶 金技术领域。
【背景技术】
[0002] 铝(A1)，原子序数13，原子量27，为银白色轻金属，熔点约660°C，沸点2327°C，密度 2.7g/cm3,具有较强的韧性和抗拉强度、优良的导电性。与传统导电材料金属铜相比，电导 率是铜的62%，但密度仅为铜的33%。在电阻相同的条件下，铜和铝的体积比为0.618,重量 比为2.03,因此用铝代替铜作为导电材料已经获得越来越多的应用。然而众所周知，工业纯 错中通常含有一定数量的杂质元素，如3^6、11、￥、0、21'、]/[11等，这些元素以溶解状态存在 于固溶体中，易吸收导电材料的自由电子，以填充它们尚未填满的电子壳层，从而导致材料 的导电性大幅下降。为了消除这些元素对铝导电性的影响，一般需要进行净化处理除去这 些杂质元素，即，在铝熔炼时通过添加特殊元素，使其与杂质元素发生化学反应，生成一些 不溶性化合物，从而达到清除杂质，提高铝导电性的目的。目前，净化处理中使用最多的是 硼和稀土元素，其添加方式多样，如电解槽中直接电解稀土或硼砂、熔炼炉内加硼盐(KBF4) 等，其中以中间合金(A1-B、A1-RE)方式进行添加具有操作简单方便、添加量易控制、不产生 烟雾、不污染电解槽、不侵蚀耐火材料等优点，因而成为目前工业上最主要的添加方式。
[0003] 大量的研究表明，硼和稀土均对铝熔体中杂质元素有很好的净化作用，但是在实 际工业运用中总是被单一使用，致使净化效果未能达到极致，而实际上，这两种元素在杂质 元素的净化过程中具有很好的互补效应，其中，硼对于!^、&、111等过渡族元素具有很强 的作用，能形成高熔点、大密度的硼化合物，之后通过静置沉降或过滤进行除去;稀土对过 渡族元素杂质的作用很小，但对于Fe和Si具有非常明显的作用，而且还可以显著提高导电 材料的力学、耐腐蚀及耐热等性能，因此，如果能把这两种元素同时进行添加，将使铝在导 电过程中的各种性能得到很好的提升。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种A1-B-RE中间合金的制备方法，该方法制 备的A1-B-RE中间合金杂质少、B实收率高。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种A1-B-RE中间合金的制备方 法，首先在中频感应炉内氟硼酸钾和铝液的合金化反应，然后添加稀土元素，再除渣、除气， 最后浇铸即得，具体步骤如下：
[0006] (1)原料配制:按照A1-B-RE中间合金的比例计算各原料的重量，称取备用；
[0007] (2)纯铝熔化:在中频感应炉内将称取的铝锭加热至680~720°C，直至铝锭完全熔 化成铝液；
[0008] (3)添加钾冰晶石粉末:在铝液表面中铺上钾冰晶石粉末；
[0009] (4)KBF4第一次加料：当钾冰晶石粉末全部熔化后，边机械搅拌边向铝液中第一次 加入KBF4,第一次KBF4加入量为KBF4总加入重量的65~75%;加料速度控制在15~20kg/min，以降低KBF4的挥发;加入KBF4结束后继续机械搅拌3~8min，然后静置5~15min，使KBF4 充分反应；
[0010] (5)清除渣层:将KBF4和铝液反应后产生的渣液倒掉一部分，得到熔体；
[0011] (6 )KBF4第二次加料:边机械搅拌边向熔体中第二次加入KBF4，第二次KBF4加入量 为第一次加入KBF4后剩余的KBF4,加入速度控制在10~15kg/min，以降低KBF4的挥发;第二 次加入KBF4结束后，继续机械搅拌3~5min，然后静置5~15min;
[0012] (7)表面渣层处理:将中频感应炉升温至800~850°C，保温，机械搅拌3~5min，然 后清除熔体表面渣层；
[0013] (8)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；
[0014] (9)添加稀土合金:将预热至400~500°C的A1-10RE中间合金块加入熔体中，待A1-10RE中间合金块完全恪化后，机械搅拌3~8min;
[0015] (10)二次除气、除渣及浇注：利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气5~ lOmin，夹杂在熔体内部的渣会自动浮在表面，之后将这些浮渣清除掉，浇注，得到纯净的 A1-B-RE中间合金。
[0016] 步骤(3)中钾冰晶石粉末用量为铝液总重量的1.5~2.5%。
[0017] 所述Al-Ti-B中间合金生产过程中产生的副产物一钾冰晶石粉末中为KA1F4和 K3A1F6质量比3~3.2:1的混合物。
[0018] 所述钾冰晶石粉末中还含有Ti元素，Ti元素的质量分数为0.05%以下。
[0019] 步骤(5)中倒掉渣液的量为第一次KBF4加入重量的70~73%。
[0020] 步骤(7)表面渣层处理过程中加入CaF2辅助清除渣层，CaF2的加入量为KBF4总加入 重量的1~1.5%。
[0021] 所述石墨管的孔径为20mm。
[0022] 本发明有益效果：
[0023] 1、高B实收率(80 %以上）。传统氟盐法制备A1-B中间合金时，温度高，KBF4的挥发 量大，而且氧化烧损严重，导致B元素的实收率低。本发明采用较低的KBF4和铝液的合金化 温度(680-720°C)，并控制了加料速度，减少了KBF4的挥发，而边加料边搅拌，能够使KBF4均 匀的分布在反应界面，避免因KBF4的堆积而造成局部过热、生成物偏析等问题，又能够增加 KBF4化学反应速度和程度，从而提高了B实收率，降低了生产成本。
[0024] 2、熔体流动性好。在合金化反应之前于铝液表面先铺上一层钾冰晶石粉末，该粉 末熔化后在铝液表面形成一层水渣，该水渣一方面可以改善KBF4和铝液反应后生成渣的粘 稠性，促进铝液和渣的分离；另一方面它处于铝液和KBF4原料之间，可以起到KBF4原料过渡 层的目的，使KBF4原料均匀的与铝液发生反应，避免了A1液局部位置发生剧烈化学反应而 带来的急剧升温现象，从而有效抑制了A1B2向A1B12相的转变行为。此外，由于该钾冰晶石粉 末是在Al-Ti-B中间合金生产过程中产生的副产物，因此粉末里面拥有少量的Ti元素。这部 分Ti正好可以破坏A1B2的网状构造，改善熔体的流动性，保证后期的除渣和浇注过程的顺 利进行，同时，因为这部分的Ti元素含量比较低，所以又不会影响最后A1-B中间合金的杂质 元素总含量。
[0025] 3、质量高。本发明在中频感应炉内反应，利用中频感应炉的电磁搅拌作用并伴以 加料时的机械搅拌，不仅破碎了一些大尺寸的A1B2和A14RE颗粒，使整体A1B2和A14RE颗粒尺 寸减小，并且分布均匀，有效防止了A1B2和A14RE颗粒的团聚现象，消除偏析，有效提高了A1-B-RE中间合金的质量。
[0026] 4、稀土烧损少。添加A1-10RE中间合金时，先将其预热至400°C-500°C，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。
[0027] 5、洁净度高。RE的加入有效改善了合金熔体的流动性，在辅助于电磁搅拌和高速 旋转除气机的作用使得熔体内夹渣清除得很干净，因此，最终得到的A1-B-RE中间合金具有 很高的洁净度。
[0028] 6、B的化合物相单一。研究表明，960°C以上时，会发生A1B2向A1B12转变的反应，而 A1B12相的出现会使A1-B-RE的净化作用下降，因此，保证不出现A1B12相十分重要。本发明工 艺由于在化合反应时有一层钾冰渣层作为过渡层，有效阻止了局部高温现象的发生，而且 其他过程也未超过900°C_950°C，因此不会发生A1B2向相转变，最后得到的A1-B-RE 中间合金中B化合物相单一，从而保证A1-B-RE中间合金的质量。
[0029] 7、工艺简单，操作方便。本发明中没有使用复杂的设备，也没有出现繁琐的工艺流 程，因此对于生产企业来说工艺简单，操作方便。
【附图说明】
[0030] 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。
[0031] 图1为实施例1A1-3B-0.5RE中间合金的金相图；
[0032]图2为实施例2A1-4B-1RE中间合金的金相图；
[0033]图3为实施例3A1-5B-1RE中间合金的金相图。
【具体实施方式】
[0034]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。
[0035] 本发明所用铝锭的纯度为99.7%，KBF4的纯度为98%。
[0036] 实施例1
[0037]本实施例A1-3B-0.5RE中间合金的制备方法，具体步骤如下：
[0038] (1)原料配制:按照A1-3B-0.5RE中间合金的比例计算各原料的重量，称取备用；
[0039] (2)纯铝熔化:在中频感应炉内将铝锭995kg加热至700°C，直至铝锭完全熔化成铝 液，清除铝液表面的杂质及氧化膜；
[0040] (3)添加钾冰晶石粉末:在铝液表面铺上钾冰晶石粉末20kg;
[0041] (4)KBF4第一次加料：当钾冰晶石粉末全部熔化后，边搅拌边向铝液中第一次加入 KBF4245kg;加入速度控制在18kg/min，以降低KBF4的挥发;加料KBF4结束后继续搅拌8min， 然后静置15min，使KBF4充分反应；
[0042] (5)清除渣层:将KBF4和铝液反应后产生的渣层倒掉180kg，得到熔体；
[0043] (6)KBF4第二次加料:边搅拌边向熔体中第二次加入KBF4l05kg，加料速度控制在 15kg/min，以降低KBF4的挥发;第二次加入KBF4结束后，继续搅拌3min，然后静置8min;
[0044] (7)表面渣层处理:将中频感应炉升温至850°C，保温，机械搅拌3min，倒掉表面渣 层；同时加入5kgCaF2粉末，中和表面残留的液态渣，并将中和过程产生的渣也一起清除干 净；
[0045] (8)除气和除渣处理:用一根孔径为20mm的石墨管通氩气或氮气插入熔体底部，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；
[0046] (9)添加稀土合金:将预热至450°C的A1-10RE中间合金块50kg加入熔体中，待A1- 10RE中间合金块完全恪化后，机械搅拌5min;
[0047] (10)二次除气、除渣及浇注:利用高速旋转除气机，通氩气对熔体进行除气5min， 夹杂在熔体内部的渣会自动浮在表面，之后将这些浮渣清除掉，浇注，得到纯净的A1-3B-0.5RE中间合金。
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