一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法

专利名称：一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝钛碳中间合金细化剂的制备方法，尤其是一种铝钛碳锶 合金细化剂的制备方法。
背景技术：
自1986年Banerji等人通过采用特殊工艺，成功地制造出Al-Ti-C中间合金 细化剂以来，Al-Ti-C合金细化剂的研究工作有了新的进展，研究人员探索出了 多种不同的制备方法，如液-固反应法、SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis,自蔓延高温合成)铸造法、XD (Exothermic Desposition,放热反应 法)法、VLS (Vapor-liquid-solid，气-液-固接触反应法)法、快速凝固法、接触 反应法等，但这些方法生产成本高、设备复杂、条件苛刻，很难实现工业化应 用。为了将来生产的铝钛碳锶合金中间合金细化剂能够投入工业生产，我国也 在不断进行该方面的研究，如2004年12月31日申请的公告号为CN1298463 的"在超声场作用下制备铝钛碳中间合金晶粒细化剂的方法"发明专利中就公 开了一种更便捷的制备方法。但是该发明中还是有不少遗憾，比如工艺流程中 对于原料没有进行必要的处理，众所周知，石墨粉与铝熔体润湿难，如果不进 行处理，将大大增加整个工艺的最终效果，也相当于增加了加工的成本，不利 于工业化生产。其中的覆盖剂使用的是NaCl和KC1，却没有任何保护方式，在 反应过程中将产生剧毒的HCl，如果不处理，将对工作人员身体造成严重的损害。更为严重的是，该发明专利中提到了以包含镧、铈的混合稀土、以及锶、磷作 为成份，但是没有说明它们是以什么为原料制作的，毕竟这些化合物如果是不 纯净单一元素，而是混合物，其中的一些额外的混合元素会对最终产物带来不 可估量的后果。例如锶元素，如果是直接加入的话同时，由于其特性，在进行 高温反应的同时，其将不断与空气中的水蒸气反应，产生氢气和无用的氧化锶，
在最终产品中产生针孔。该生产工艺中需要使用频率达到15-25KHz的超声波发 生器，这类设备无论是购买成本还是使用成本都非常高昂，不利于工厂大规模 生产使用。

发明内容
本发明的目的是提供一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，拥有更良好的 控制性，增强钛源和碳源相对铝熔体的润湿性，确保流程产品的稳定性，提高 最终产品的成品率，提高加工效率，减少加工流程中的损耗，并且不会污染环 境。为了达到上述技术效果，本发明一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，包
括以下步骤
1、 将原料石墨粉在坩埚电阻炉中70(TC预热30 60min， &1^6在干燥箱内80 。C预热30 60min;
2、 用中频感应炉熔化工业纯铝；
3、 将铝熔体过热至800 900°C，将预热好的K2TiF6和石墨粉均匀混合后加入 铝熔体；
4、 在铝熔体表面撒上铝合金覆盖剂；
5、 升高炉温至1200 1300°C，保温20 30min;
6、 熔体经搅拌后用惰性气体精炼；
7、 降温至800 900。C除盐扒渣后浇注于预热的金属型中。
8、 除去表面盐层和熔渣后加入Al-10Sr中间合金，保温后熔体经除渣浇注于砂 型中。
其中该方法中所述的Al-1 OSr制造工艺为
1、 用石墨坩埚熔化工业纯铝；
2、 待纯铝熔化后，升温至83(TC;
3、 将工业锶加入铝熔体；
4、 熔体经搅拌后用惰性气体精炼，保温15min;
5、 扒渣后浇注到预热的金属型中。
由于本发明中的锶是先合成化合物AL-10Sr，同时用惰性气体精炼，能减少 整个生产过程中的针孔产生的机会。在操作流程完全符合规范的情况下，能完 全避免针孔的出现，同时也对后期加工带来了便利。
优选的，铝合金覆盖剂各成分质量百分比为NaCl 30%， KC140%， NaF30%。 这样配比的覆盖剂价格低廉，同时能保证反应过程的良好，KCl^NaCl混合物 为主要成分的熔剂可以覆盖和保护铝液不被氧化。尤其是因为添加了 NaF这个 活性熔剂，能大大提高铝液的实收率。
优选的，所用的惰性气体为高纯氩气，这也是性价比最高的惰性气体，有 利于工业化生产。
优选的，所用的搅拌方式为磁性搅拌。因为超声波搅拌购买成本高，设备 使用维护费用也非常高，不利于工业化生产；而手工搅拌不均匀，且工人很难 在制造过程中的高温恶劣环境下持续工作。因此我们选用了成本适中而搅拌效 果好的磁性搅拌。
本发明由于采用了上述技术方案，将原料石墨粉在坩埚电阻炉中70(TC预热
30 60min, &21^6在干燥箱内8(TC预热30 60min;对钛源和碳源进行预处理 增强与铝熔体的润湿性，能确保后期反应的稳定性。选择廉价的工业K2TiF6作 为钛源，有利于企业大规模生产。熔体经搅拌后用惰性气体精炼，能更进一步 避免反应过程中针孔的产生，也避免空气中的杂质影响反应的质量，提高了最 终产品的成品率以及成品质量。


下面结合附图对本发明作进一步说明
图1为Al-Sr二元相图。
图2为Al-10Sr合金OM显微组织，其中(a)、 (b)是在不同倍率的显微镜下 拍摄所得。
图3为铝钛碳锶合金OM组织，其中(a)、 (b)是在不同倍率的显微镜下拍摄 所得。
具体实施例方式
在铸铝工业中，锶对亚共晶和共晶型Al-Si铸造合金中的共晶硅有变质作用。 锶的变质作用具有长效性、重熔性等一系列优点，能够改善铸件的力学性能和 铸造性能，并且使用方便、无污染和无过变质危险，从而得到了广泛应用。由 于金属锶的化学性质比较活泼，在空气中极易氧化，因此在生产中我们选择采 用Al-Sr中间合金的形式加入。
如图1所示Al-Sr二元相图，在共晶温度(654°C)时，锶的溶解度约为4%。 当锶溶解度达8% 10%时，液相线温度为700 800。C。制备铝钛碳锶合金时， 若选择锶含量太低的A1-Sr中间合金中，加入时易降低铝液温度；锶含量过高， Al-Sr合金制备温度增高，铝液易吸气和氧化。因此，铝钛碳锶合金合金的Sr 源选择锶含量为8% 10%的Al-Sr中间合金。这样还能保证在反应过程中不出 现针孔。
制备原料为工业纯铝(w (Al) =99.7%)、工业纯锶(w (Al) =99.9%)。 加热设备为坩埚电阻炉、烘箱，其它熔炼工具有石墨坩埚、扒渣及搅拌工 具、钟形罩、金属型、高纯氩气、涂料等。 Al-10Sr合金制备过程为
(1) 金属型的选择及预热
金属型的选择对熔炼合金量、冷却速度及后续的切削加工都会产生影响。 金属型需先预热以后再刷涂料，这样可使涂料中水分迅速蒸发，且易喷刷均匀 (防止涂料向下流)，获得一层紧密的涂料层。但是预热温度不宜过高，否则涂 料容易剥落。
另外，预热可以避免金属因冷却速度过快而造成气孔、縮孔、冷隔、浇不 足等铸造缺陷；可以避免金属型因急冷急热而剧烈膨胀，起到保护金属型的作 用，延长金属型使用寿命；可以减轻铸件的包紧力，有利于脱型。
(2) 涂料的配制
涂料的作用①耐热涂料将高温金属溶液与型壁隔开，避免发生熔焊现象， 保护金属型不被烧伤；⑦减轻高温液体金属对金属型的热冲击作用，减小型壁 的内应力；G)通过改变涂料层厚度可以改变金属的冷却速度；④减小铸件包紧 力，便于脱型。
试验用的涂料由偏硅酸钠、Al(OH)3、水配制而成。
(3) Al-10Sr合金制备过程
首先做好以下准备工作除去金属型内壁、扒渣及搅拌工具表面铁锈，预热后并刷上配制好的涂料；除去炉料表面油污、氧化物等脏物；为了避免合金 中掺有Fe杂质，选择石墨坩埚，将石墨坩埚内壁清理干净，检查石墨坩埚是否 有裂缝等缺陷，检査无误后，方可用于试验；干燥扒渣及搅拌工具；预热金属 型。
具体制备过程为
1) 用石墨坩埚熔化工业纯铝；
2) 待纯铝熔化后，升温至83(TC;
3) 将工业纯锶加入铝熔体；
4) 保温15min;
4) 熔体经搅拌后用高纯氩气精炼；
5) 扒渣后浇注到预热的金属型中。
其中的搅拌过程一般选用磁性搅拌。在确保搅拌质量的同时，也降低了成 本。小规模生产时刻选用永磁搅拌，而在大规模生产的时候应选用电磁搅拌， 否则可能无法达到产业化要求。而使用了高纯氩气精炼能更进一步避免反应过 程中针孔的产生，也避免空气中的杂质影响反应的质量，提高了最终产品的成 品率以及成品质量。
这样就能得到如图2所示的中间金属Al-10Sr合金，Al-10Sr中间合金组织 由基体、板条状组织和细针状组织组成。
然后，我们使用制备好的Al-10Sr合金进一步制备铝钛碳锶合金细化剂。
制备原料工业纯铝(w (Al) =99.7% )、工业氟钛酸钾(K2TiF6， w (K2TiF6) =99.8%)、石墨粉(粒度为200目)、铝箔。
制备工具包括
加热设备坩埚电阻炉、烘箱，
其它工具石墨坩埚、扒渣及搅拌工具、钟形罩、金属型等。 铝钛碳锶合金细化剂具体制备过程为
石墨粉在埘埚电阻炉中70(TC预热45min， K2TiF6在干燥箱内80C预热 50min。用中频感应炉熔化工业纯铝；铝熔体过热至900C，加入预热的氟钛 酸钾和石墨粉；用石墨搅拌器搅拌熔体；在熔体表面撒上铝合金覆盖剂，保温 20min;升温至1200C以上，保温15min;扒去表面盐层和熔渣；降温至800 900C，加入预热好的自制Al-10Sr合金；保温后再用石墨搅拌器搅拌并浇铸于 砂型中。所有工艺在封闭环境中进行，中间气体将经过过滤网过滤后进入中和 塔进行处理。
Al-10Sr中间合金选择在生成TiAl3、 TiC粒子后再加入铝熔体。最终生成如 图3所示的铝钛碳锶合金细化剂。由于采用了本发明的技术方案，最终产品的 晶粒尺寸将达到亚纳米级，比现有的产品要小得多。此外，在反应过程中通过 封闭环境避免HC1等有毒气体发散，并且再最后先通过过滤网过滤掉尾气中的 杂质，再通过中和塔，以水淋以及石灰中和等方法，处理掉HCL等有害气体， 使得整个生产过程不会污染环境。
权利要求
1、一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)将原料石墨粉在坩埚电阻炉中700℃预热30～60min，K2TiF6在干燥箱内80℃预热30～60min；2)用中频感应炉熔化工业纯铝；3)将铝熔体过热至800～900℃，将预热好的K2TiF6和石墨粉均匀混合后加入铝熔体；4)在铝熔体表面撒上铝合金覆盖剂；5)升高炉温至1200～1300℃，保温20～30min；6)熔体经搅拌后用惰性气体精炼；7)降温至800～900℃除盐扒渣后浇注于预热的金属型中；8)除去表面盐层和熔渣后加入Al-10Sr中间合金，保温后熔体经除渣浇注于砂型中。
2、 根据权利要求1所述的一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在于该 方法中所述的Al-10Sr制造工艺为1) 用石墨坩埚熔化工业纯铝；2) 待纯铝熔化后，升温至83(TC;3) 将工业锶加入铝熔体；4) 熔体经搅拌后用惰性气体精炼，保温15min;5) 扒渣后浇注到预热的金属型中。
3、 根据权利要求1所述的一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在于该 方法中所述的铝合金覆盖剂各成分质量百分比为NaCI30。/。，KC140。/c)，NaF30。/。。
4、 根据权利要求1或2所述的一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在 于其所用的惰性气体为高纯氩气。
5、 根据权利要求1或2所述的一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在 于所述搅拌方式为磁性搅拌。
6、 根据权利要求1或2所述的一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，其特征在 于所述反应过程均在封闭环境下进行，反应产生气体经过过滤网过滤后进入 中和塔进行处理。
全文摘要
本实发明公开了一种铝钛碳锶合金细化剂的制备方法，包括以下步骤将原料石墨粉在坩埚电阻炉中700℃预热30～60min，K₂TiF₆在干燥箱内80℃预热30～60min；将铝熔体过热至800～900℃，将预热好的K₂TiF₆和石墨粉均匀混合后加入铝熔体；在铝熔体表面撒上铝合金覆盖剂；升高炉温至1200～1300℃，保温20～30min；熔体经搅拌后用惰性气体精炼；降温至800～900℃浇注于金属型中。除去盐层和熔渣后加入Al-10Sr中间合金，保温后熔体经除渣浇注于砂型中。本发明由于采用了上述技术方案，对钛源和碳源进行预处理增强与铝熔体的润湿性，确保后期反应的稳定性。熔体经搅拌后用惰性气体精炼，避免反应过程中针孔的产生，也避免空气中的杂质影响反应的质量，提高了最终产品的成品率以及成品质量。
文档编号C22C1/02GK101338381SQ20071007131
公开日2009年1月7日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者宏 李, 葛炳灶, 陈晓龙 申请人:葛炳灶