一种低碳铁铝合金及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低碳铁铝合金及其制备方法。其技术方案是：先按刚玉粉∶石墨粉的质量比为(3~5)∶1配料，混合，得混合粉；再按混合粉∶高纯铁粉的质量比为(1.5~2)∶1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩埚内，置入石墨坩埚内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩埚内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩埚置于真空加热炉内，抽真空至1Pa以下，在流动氩气的条件下，以5~30℃/min的升温速率升温至1550~1700℃，保温5~60分钟，随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。本发明制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
【专利说明】
一种低碳铁铝合金及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于铁铝合金技术领域。尤其涉及一种低碳铁铝合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]铁铝金属间化合物主要包括Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2AldPFeAl3等五种典型结构，其中受人关注的主要是Fe3Al和FeAl基金属间化合物。由于铁铝金属间化合物具有优异的抗高温氧化、耐热腐蚀和抗硫化腐蚀的性能，而且还具有密度低、比强度高、耐磨性好和成本低廉等一系列优点。铁铝合金作为新一代中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等，被广泛用于熔炉装置、热交换管道、汽车阀门、熔盐设备等高温恶劣环境中。
[0003]目前，铁铝合金的加工方法主要包括熔铸法和粉末冶金方法。熔铸法主要包括真空中频感应熔铸、高频感应加热熔铸和电子束加热熔铸等方法，还包括先在空气中感应熔炼后再电渣重恪的方法。由于铁铝合金中Al含量远远高于传统合金，Al与Fe的恪点相差较大;加之铁铝合金的形成过程会放出大量的热，致使熔池温度急剧上升引起过热，使得浇铸过程中容易引入氢原子，铸锭中产生大量孔洞。
[0004]采用粉末冶金法制备铁铝合金的方法通常通过Fe粉和Al粉、或者预合金粉末经过无压或加压等工艺烧结而成。由于Fe和Al的扩散系数相差很大，将Fe和Al元素粉末压坯，进行无压反应烧结时，烧结体将因为科肯塔尔现象产生大量孔隙和体积膨胀;并且含Al量越高，无压烧结膨胀现象越严重。
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种低碳铁铝合金的制备方法，所制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和无膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(3?5):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.5?2):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以5?30°C/min的升温速率升温至1550?1700°C，保温5?60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁铝合金。
[0007]所述刚玉粉中的Al2O3含量彡99wt% ;粒径为I?ΙΟΟμπι。
[0008]所述石墨粉中的C含量彡98wt% ;粒径为I?200μπι。
[0009]所述高纯铁粉中的Fe含量彡99wt% ;粒径为50?500μπι。
[0010]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
[0011]高温下高纯铁粉将熔化成铁液，继而混合粉中的石墨(C)和刚玉(Al2O3)亦溶于铁液中，分别形成[C]、[Al]和[O]。其中，[C]和[O]反应形成的CO气体随着流动的氩气而离开反应体系，导致铁液中[C]和[O]形成CO气体的反应持续进行，而铁液中[O]的消耗会导致刚玉(Al2O3)持续溶于铁液并提供大量的[Al]，由此生成一种铁铝合金。在反应进行中，石墨中的碳也会部分溶入铁铝合金，最终形成一种低碳铁铝合金。在整个反应进程中，反应体系处于静态加热并通入了流动的氩气，相关反应进行程度平稳，反应热很快由流动的氩气带出体系，避免了因冷却过程在合金中出现孔洞的现象出现。同时，整个反应是液相反应控制过程，亦避免了粉末冶金制备铁铝合金时出现体积膨胀的问题发生。
[0012]本发明制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量75?80wt% ,Al含量12?20wt%，C含量3?5wt%，Si含量0.1?0.5wt%。该低碳铁铝合金可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
[0013]因此，本发明制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
【具体实施方式】
[0014]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
[0015]为避免重复，现将本【具体实施方式】所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述:
[0016]所述刚玉粉中的Al2O3含量彡99wt% ;粒径为I?ΙΟΟμπι。
[0017]所述石墨粉中的C含量彡98wt% ;粒径为I?200μπι。
[0018]所述高纯铁粉中的Fe含量彡99wt% ;粒径为50?500μπι。
[0019]实施例1
[0020]一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(3.5?4):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.6?1.8):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以5?15°C/min的升温速率升温至1550?1600 °C，保温5?20分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁招合金。
[0021]本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量75?77wt%，Al含量 12?14wt%，C含量4.2?5wt%，Si含量0.4?0.5wt%。
[0022]实施例2
[0023]一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(4.5?5):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.7?1.9):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以15?20°C/min的升温速率升温至1600?1650°C，保温20?40分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，SP得低碳铁铝合金。
[0024]本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量76?78wt%，Al含量 13?15wt%，(:含量4.0?4.8￥七％，Si含量0.32?0.42wt%。
[0025]实施例3
[0026]—种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(4?4.5):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.8?2):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以20?30°C/min的升温速率升温至1650?1700°C，保温40?60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，即得低碳铁招合金。
[0027]本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量77?79wt%，Al含量14?17wt%，<:含量3.3?4.2界七％，Si含量0.2?0.35wt%。
[0028]实施例4
[0029]一种低碳铁铝合金及其制备方法。先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(3?3.5):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.5?1.7):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同。然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以20?30°C/min的升温速率升温至1650?1700°C，保温40?60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，SP得低碳铁铝合金。
[0030]本实施例制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量78?80wt%，Al含量 16?20wt%，C含量3?3.5wt%，Si含量0.1?0.25wt%。
[0031 ]本【具体实施方式】与现有技术相比具有如下积极效果:
[0032]高温下高纯铁粉将熔化成铁液，继而混合粉中的石墨(C)和刚玉(Al2O3)亦溶于铁液中，分别形成[C]、[Al]和[O]。其中，[C]和[O]反应形成的CO气体随着流动的氩气而离开反应体系，导致铁液中[C]和[O]形成CO气体的反应持续进行，而铁液中[O]的消耗会导致刚玉(Al2O3)持续溶于铁液并提供大量的[Al]，由此生成一种铁铝合金。在反应进行中，石墨中的碳也会部分溶入铁铝合金，最终形成一种低碳铁铝合金。在整个反应进程中，反应体系处于静态加热并通入了流动的氩气，相关反应进行程度平稳，反应热很快由流动的氩气带出体系，避免了因冷却过程在合金中出现孔洞的现象出现。同时，整个反应是液相反应控制过程，亦避免了粉末冶金制备铁铝合金时出现体积膨胀的问题发生。
[0033]本【具体实施方式】制备的低碳铁铝合金经检测，主要组分和含量如下:Fe含量75?80wt%，A1含量12?20wt%，C含量3?5wt%，Si含量0.1?0.5wt%。该低碳铁铝合金可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
[0034]因此，本【具体实施方式】制备的低碳铁铝合金组织结构均匀，合金中无孔洞和膨胀现象出现，可作为中高温结构材料、不锈钢替代材料和耐蚀合金等。
【主权项】
1.一种低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于:先按刚玉粉:石墨粉的质量比为(3?5):1配料，混合，得混合粉;再按混合粉:高纯铁粉的质量比为(1.5?2):1配料，将高纯铁粉和混合粉置入石墨坩祸内，置入石墨坩祸内的高纯铁粉包裹在混合粉中，坩祸内的高纯铁粉周围的混合粉厚度相同；然后将盛有混合粉和高纯铁粉的石墨坩祸置于真空加热炉内，抽真空至IPa以下，在流动氩气的条件下，以5?30°C/min的升温速率升温至1550?1700°C，保温5?60分钟，在流动氩气保护下随炉冷却，出炉后除去包裹在合金表面的非金属颗粒，SP得低碳铁铝合金。2.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述刚玉粉中的Al2O3含量彡99wt% ;粒径为I?ΙΟΟμπι。3.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述石墨粉中的C含量^98wt% ;粒径为I ?200μηι。4.根据权利要求1所述的低碳铁铝合金的制备方法，其特征在于所述高纯铁粉中的Fe含量彡99wt% ;粒径为50?500μπι。5.—种低碳铁铝合金，其特征在于所述低碳铁铝合金是根据权利要求1?4项中任一项所述的低碳铁铝合金的制备方法所制备的低碳铁铝合金。
【文档编号】C22C33/04GK105886880SQ201610283629
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】魏耀武, 张争, 李楠
【申请人】武汉科技大学