专利名称：一种钒铝合金材料的制备方法
一种钒绍合金材料的制备方法技术领域
本发明属于冶金领域，特别涉及一种钒铝合金材料的制备方法。
背景技术：
钒铝合金是由钒元素和铝元素组成的二元中间合金，具有很高的硬度和弹性。常用的钥;招合金包括V SS-Al45> V S5-Al35和V85-Al15不同牌号产品。钥;招合金是一种用于钛合金的基础原料，钛合金广泛用于航天航空工业、化学和选矿设备工业、海洋设备和运动器材制造、生物医学器材制造工业、汽车制造业、舰船制造业、军事工业以及日用消费品制造业。其中，T1-6A1-4V(含4wt% V)和T1-8Al-lMo-lV，这两种钛合金总共占钛合金市场的 50wt%。目前，国内普遍的钒铝合金生产方法主要采用传统的金属热还原法，即用石墨板砌筑高温冶炼炉和炉罩，然后将粉状五氧化二钒和铝粉按一定配比用人工混合后装入反应炉中；然后点火冶炼；自然冷却24小时出炉；人工整理去除氧化膜；破碎包装。由于五氧化二钒与金属铝反应放出大量的热量，热量大幅过剩、使反应呈现爆炸性，在绝热的情况下足以使体系的温度升高到3000°C以上。因此，炉料中通常要配入一定量的消热剂来控制反应速度和反应产物的温升。上述传统的金属热还原法所面临的主要问题一是由于消热剂总是含有一定量的Fe、S1、P和重金属元素，这样就给产品的杂质控制带来更多的麻烦。二是成分均匀性差，合金锭各个部位偏析较大，不同部位的偏差达到3%。因此很难达到航空级钛合金制备的要求。
也有本领域人员对金属热还原法做了改良，比如2010年9月I日中国发明专利申请公布号CN 101818270 A公开了一种钒铝合金材料的制备方法，该法按质量百分比计，称取粉末状的A120% -33. 1%, V20550% -66. 9%，在球磨机中混合8_16小时后，置于铜模具中用压力机在60-80MPa的压力下压实，将装有压好的反应物料的模具放于铝热反应容器中，物料上放置引燃剂，用惰性气体吹出残余的空气，在2-7MPa氩气保护下，加热到300°C左右进行反应，获得钒铝合金，其中，按照质量百分数，V为75% -95%，Al为 5.0% -25.0%, S含量约O. 15%, Fe含量约O. 50%。显然在上述工艺中，所获得的产品中 Fe和S等杂质含量较高，这是由于在球磨机中混合8-16小时会引进一些杂质。另外，由于铝热反应在密闭的压力容器中进行，因此极大限制了钒铝合金的产量，此外，由于要求设备的耐压性能强，因此会提高制造成本。发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种钒铝合金材料的制备方法，该制备方法以五氧化二钒和金属铝为原料，于反应装置中点火还原制得钒铝合金；对反应炉料进行了创造性的改革，主要反应不用添加消热剂、助热剂，且制得的产品均匀性好， 金属回收率高，生产成本低，Fe、Si含量在O. 30wt%以下。
本发明所述的一种钒铝合金材料的制备方法如下所述①制造钒铝合 金球初次制球，取外购对应所生产同牌号的钒铝合金成品，在真空中频感应炉进行加热 1800°C，熔化，铸成直径为20-25mm的实心球体若干；自然冷却到30_40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮；②配料用五氧化二钒和金属铝为原料，按待生产牌号的钒铝合金要求，取重量配比为V 55-75%, Al 25- 45%，在球磨机中混合2_3小时后，在混料中掺入钒铝合金球，球掺入量按重量计为混料总重量的O. 2-0. 25倍；③装料将掺球的混料置350°C ±5°C的烘烤设备中烘烤4-5小时，于铜模具中装料，用压力机在60-80MPa的压力下压实；④冶炼将装有压好料的铜模具放于铝热反应容器中，混料上放置过氧化钡引燃剂，过氧化钡的纯度为分析纯，镁带引燃，用1-1. 5MPa惰性气体保护混料进行反应；反应结束后，将熔融状态的钒铝合金液重量的四分之一，又铸成直径为20-25_的实心球体若干；自然冷却到30-40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮和残留余渣返回步骤②配料；剩余四分之三熔融状态的钒铝合金液金在离心浇铸机中进行产品浇铸；在真空状态下，采用氩气循环冷却5小时，使钒铝合金毛胚锭的温度降到200°C以下后出炉；⑤表面整理取出钒铝合金毛胚锭，将其初整、去除表面残留余渣，然后进行抛丸精整；⑥破碎包装将精整过的钒铝合金进行取样、质检，最后按照产品粒度要求，将钒铝合金进行破碎， 包装入库。
上述制备出的钒铝合金，进行破碎粒度为30_50mm。
在整个工艺中有以下影响因素(I)原料影响因素采用铝热还原法冶炼生产钒铝合金产品，原料的质量要求是控制产品质量的关键，生产合格的钒铝合金产品，入炉原料必须选用高纯原料，否则会直接影响到产品的质量达标程度；因此，我们针对该工艺的特点，对入炉原料的质量提出了相关要求，具体情况如下 五氧化二钒主要成分要求为(以下为质量百分比)=V2O5 ≥99.5%, P ≤0.01%, C≤O. 01%, S ≤O. 02%,Pb ≤O. 01%,Mo ≤O. 01%,K≤O.1%,Na ≤O.1%,B ≤O. 001%, W ≤ O. 006%, Fe ≤ O. 01%, Cu ≤ O. 01%, Si ≤ O. 04%, Ni ≤ O. 002 %, Mn ≤ O. 02 %, Mg ≤ O. 04%, Cr ≤O. 01%，其它微量元素≤ O. 1% ；铝粉主要成分要求为A1≥99. 6 %，Fe≤O. 15 %，Si≤O. 20 %，Cu≤O. 02 %， P≤ 0. 03%。
(2)炉料单位热效应的影响为了促使整个冶炼反应能够顺利进行，和得到钒金属的充分还原，用本发明的掺球混料作炉料必须保障足够的单位热量，才能使冶炼反应顺利进行。炉料单位热量配低，会出现反应不彻底，出现闷炉现象。但炉料单位热量配高会出现反应过激，喷溅损失过大，金属烧损过大，甚至出现反应呈现爆炸，影响金属回收率。本发明通过探索和创造性的研究，寻找到了一个足以维持反应自发进行、热量又不大量过剩的平衡点，即使用混料掺混钒铝合金球熔解吸热来平衡消热，这样就不必为消热剂、助热剂和炉衬材料引入杂质而烦恼。一方面以控制最佳的炉料反应温度，避免出现反应爆炸。另一方面利用钒铝合金球熔解时，在铝热反应容器的铜模具中形成一个个小熔池，每个小熔池有自身钒铝合金球熔解所产生的短时力学漂移运动，带动小熔池周围的未反应的混料塌陷移动，还原；并且还原后的液态合金互相与熔融状态的钒铝合金交互流动，最终趋于均匀，保证了铜模具中不同部位的偏差小于 3%。
本发明的有益效果是(1)本发明钒铝合金材料的制备方法与现有工艺相比，未添加消热剂、助热剂控制热量，直接在反应炉中进行，可以减少杂质的引入，有利于减少钒铝合金中杂质的含量，生产成本较低。完全符合工业大生产的要求；(2)由于本发明反应完全依靠自身调节控制的较温和，使产生的副产物回收处理少，有利于环境的清洁，让生产更加环保；(3)本发明工艺可根据需求，生产符合其质量的不同牌号的钒铝合金；经过实际检测采用本发明所述方法所制取的钒铝合金杂质含量比采用现有生产方法制取的钒铝合金杂质含量大大降低，其中C含量为O. 003%，下降了 15倍；Si含量O. 10 wt%降低了 67% ；Fe含量O. 15 wt%，降低了 50% ;所制取的钒铝合金均匀度达到99. 5% ; 满足了航空钛合金制备的需要。
具体实施方式
实施例1 :一种V 55-A1 45钒铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤①制造钒铝合金球初次制球，取外购对应所生产同牌号的钒铝合金成品，在真空中频感应炉进行加热 1800°C，熔化，铸成直径为20-25mm的实心球体若干；自然冷却到30_40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮；②配料用五氧化二钒和金属铝为原料，按待生产牌号的钒铝合金要求，取重量配比为V 55%, Al 45%，在球磨机中混合2小时后，在混料中掺入钒铝合金球，球掺入量按重量计为混料总重量的O. 25倍；③装料将掺球的混料置350°C ±5°C的烘烤设备中烘烤4小时，于铜模具中装料，用压力机在 60MPa的压力下压实；④冶炼将装有压好料的铜模具放于铝热反应容器中，混料上放置过氧化钡引燃剂，过氧化钡的纯度为分析纯，镁带引燃，用IMPa惰性气体保护混料进行反应；反应结束后，将熔融状态的钒铝合金液重量的四分之一，又铸成直径为20-25_的实心球体若干；自然冷却到 30-40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮和残留余渣返回步骤②配料；剩余四分之三熔融状态的钒铝合金液金在离心浇铸机中进行产品`浇铸；在真空状态下，采用氩气循环冷却5小时，使钒铝合金毛胚锭的温度降到200°C以下后出炉；⑤表面整理取出钒铝合金毛胚锭，将其初整、去除表面残留余渣，然后进行抛丸精整；⑥破碎包装将精整过的钒铝合金进行取样、质检，最后按照产品粒度要求，将钒铝合金进行破碎， 破碎粒度为30-50mm，包装入库；在制备出的V 55-A1 45钒铝合金材料中，其他杂质含量分别为，Na :0. 063%，S1:O.144%, S :0. 177%, Fe :0. 534%, Mo :0. 04%。
实施例2:一种V 65-A1 35钒铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤①制造钒铝合金球初次制球，取外购对应所生产同牌号的钒铝合金成品，在真空中频感应炉进行加热 1800°C，熔化，铸成直径为20-25mm的实心球体若干；自然冷却到30_40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮；②配料用五氧化二钒和金属铝为原料，按待生产牌号的钒铝合金要求，取重量配比为V 65%, Al 35%，在球磨机中混合3小时后，在混料中掺入钒铝合金球，球掺入量按重量计为混料总重量的O. 2倍；③装料将掺球的混料置350°C ±5°C的烘烤设备中烘烤4-5小时，于铜模具中装料，用压力机在60-80MPa的压力下压实；④冶炼将装有压好料的铜模具放于铝热反应容器中，混料上放置过氧化钡引燃剂，过氧化钡的纯度为分析纯，镁带引燃，用1. 5MPa惰性气体保护混料进行反应；反应结束后，将熔融状态的钒铝合金液重量的四分之一，又铸成直径为20-25_的实心球体若干；自然冷却到 30-40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮和残留余渣返回步骤②配料；剩余四分之三熔融状态的钒铝合金液金在离心浇铸机中进行产品浇铸；在真空状态下，采用氩气循环冷却 5小时，使钒铝合金毛胚锭的温度降到200°C以下后出炉；⑤表面整理取出钒铝合金毛胚锭，将其初整、去除表面残留余渣，然后进行抛丸精整；⑥破碎包装将精整过的钒铝合金进行取样、 质检，最后按照产品粒度要求，将钒铝合金进行破碎， 破碎粒度为30-50mm。包装入库；在制备出的V 65-A1 35钒铝合金材料中，其他杂质含量分别为，Na :0. 059%，S1:O.132%, S 0. 169%, Fe 0. 543%, Mo 0. 051%。
实施例3: 一种V 75-A1 25钒铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤①制造钒铝合金球初次制球，取外购对应所生产同牌号的钒铝合金成品，在真空中频感应炉进行加热1800°C，熔化，铸成直径为20-25mm的实心球体若干；自然冷却到30_40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮；②配料用五氧化二钒和金属铝为原料，按待生产牌号的钒铝合金要求，取重量配比为V 75%, Al 25%，在球磨机中混合3小时后，在混料中掺入钒铝合金球，球掺入量按重量计为混料总重量的O. 25倍；③装料将掺球的混料置350°C ±5°C的烘烤设备中烘烤4小时，于铜模具中装料，用压力机在 60-80MPa的压力下压实；④冶炼将装有压好料的铜模具放于铝热反应容器中，混料上放置过氧化钡引燃剂，过氧化钡的纯度为分析纯，镁带引燃，用1. 5MPa惰性气体保护混料进行反应；反应结束后，将熔融状态的钒铝合金液重量的四分之一，又铸成直径为20-25_的实心球体若干；自然冷却到 30-40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮和残留余渣返回步骤②配料；剩余四分之三熔融状态的钒铝合金液金在离心浇铸机中进行产品浇铸；在真空状态下，采用氩气循环冷却 5小时，使钒铝合金毛胚锭的温度降到200°C以下后出炉；⑤表面整理取出钒铝合金毛胚锭，将其初整、去除表面残留余渣，然后进行抛丸精整；⑥破碎包装 将精整过的钒铝合金进行取样、质检，最后按照产品粒度要求，将钒铝合金进行破碎， 进行破碎粒度为30-50mm ;包装入库；在制备出的V 75-A1 25钒铝合金材料中，其他杂质含量分别为，Na :0. 053%，S1:O.118%, S :0. 147%, Fe :0. 491。
权利要求
1.一种钒铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤①制造钒铝合金球初次制球，取外购对应所生产同牌号的钒铝合金成品，在真空中频感应炉进行加热 1800°C，熔化，铸成直径为20-25mm的实心球体若干；自然冷却到30_40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮；②配料用五氧化二钒和金属铝为原料，按待生产牌号的钒铝合金要求，取重量配比为V 55-75%, Al 25- 45%，在球磨机中混合2_3小时后，在混料中掺入钒铝合金球，球掺入量按重量计为混料总重量的O. 2-0. 25倍；③装料将掺球的混料置350°C ±5°C的烘烤设备中烘烤4-5小时，于铜模具中装料，用压力机在60-80MPa的压力下压实；④冶炼将装有压好料的铜模具放于铝热反应容器中，混料上放置过氧化钡引燃剂，过氧化钡的纯度为分析纯，镁带引燃，用1-1. 5MPa惰性气体保护混料进行反应；反应结束后，将熔融状态的钒铝合金液重量的四分之一，又铸成直径为20-25_的实心球体若干；自然冷却到30-40°C后进行处理，打掉球体表面的氧化皮和残留余渣返回步骤②配料；剩余四分之三熔融状态的钒铝合金液金在离心浇铸机中进行产品浇铸；在真空状态下，采用氩气循环冷却5小时，使钒铝合金毛胚锭的温度降到200°C以下后出炉；⑤表面整理取出钒铝合金毛胚锭，将其初整、去除表面残留余渣，然后进行抛丸精整；⑥破碎包装将精整过的钒铝合金进行取样、质检，最后按照产品粒度要求，将钒铝合金进行破碎， 包装入库。
2.根据权利要求1所述的钒铝合金材料的制备方法，其特征在于所述制备出的钒铝合金，进行破碎粒度为30-50mm。
全文摘要
本发明涉及一种钒铝合金材料的制备方法，属于冶金领域。本发明以五氧化二钒和金属铝为原料，于反应装置中点火还原制得钒铝合金；对反应炉料进行了创造性的改革，采用掺球混料作炉料，用如下工艺制造钒铝合金球→配料→装料→冶炼→表面整理→破碎包装，所制取的钒铝合金均匀度达到99.5％；满足了航空钛合金制备的需要。本发明的主要反应不用添加消热剂、助热剂，且制得的产品均匀性好，金属回收率高，生产成本低，Fe、Si含量在0.30wt％以下。
文档编号C22C27/02GK103060565SQ20131002015
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者张春雨 申请人:张春雨