控制TiB₂顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法

2023-11-06 05:34:42

專利名稱：控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法
技術領域：
本發明涉及冶金領域，更具體地說，涉及一種控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁 鈦硼合金製備方法。
背景技術：
鋁鈦硼合金是一種目前在全球範圍內鋁材加工中普遍使用並最為有效的細化鋁 及鋁合金晶粒的中間合金。在鋁或鋁合金中加入上述鋁鈦硼合金，可以使得該鋁或鋁合金 的晶粒細化，從而使得其屈服強度、壓延塑性及韌脆轉折溫度等性能都有極大的提高，可以 在眾多領域中使用，例如航空領域等等。目前在全球範圍內普遍使用並且有效實現工業化 鋁鈦硼中間合金製造方法是氟鈦酸鉀氟硼酸鉀鋁熱反應法，這種方法產生大量的TiB2作為 晶粒細化後的鋁或鋁合金的晶核。在鋁鈦硼合金中，TiB2以顆粒團的形式存在，其本身的 平均名義直徑越細小，其對鋁或鋁合金的晶粒細化能力就越能得到提升。而提升鋁鈦硼對 鋁及鋁合金的細化能力，使我們在鋁加工中得到更為細小的晶粒組織，從而使得被加工的 鋁材具備更大的屈服強度，更優的壓延塑性以及更低的韌脆轉折溫度。因此，人們總是希望 得到的鋁鈦硼合金中的TiB2顆粒團平均名義直徑較為細小。但是，在現有技術中，通常是 在外部加熱的坩堝或單頻(通常是工頻)感應電爐中進行上述氟鈦酸鉀氟硼酸鉀鋁熱反應 的，其產生出來的鋁鈦硼合金中的TiB2顆粒團平均名義直徑由於上述反應過程中通過其自 身的運動及碰撞而變得較大，從而使得被這種具有較大的TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦 硼合金細化後的鋁或鋁合金的晶粒尺寸較大。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術中鋁鈦硼合金中的TiB2顆粒團平均 名義直徑較大從而使得該鋁鈦硼對鋁或鋁合金的晶粒細化能力不好的缺陷，提供一種使得 得到的鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑較小的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁 鈦硼合金製備方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種控制打82顆粒團平均名義 直徑的鋁鈦硼合金製備方法，包括如下步驟A)加熱盛放於所述感應電爐中的液態鋁，使所述感應電爐及所述液態鋁在設定溫 度保持第一設定時間；B)加入合金材料，包括氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀；C)所述感應電爐的線圈保持其流過電流，作用於所述感應電爐內部的液態合金， 並使其在所述設定溫度上維持第二設定時間。在本發明所述的方法中，所述步驟A)中的設定溫度包括790-850°C ；所述第一設 定時間包括3-8分鐘。在本發明所述的方法中，所述鋁、氟鈦酸鉀、氟硼酸鉀的重量比為 1000 250 125。
在本發明所述的方法中，所述步驟C)中所述第二設定時間為40-90分鐘。在本發明所述的方法中，所述氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀為粉狀。在本發明所述的方法中，所述感應電爐包括多個線圈，所述步驟C)中進一步包括 在所述每個線圈上分別施加產生不同電磁場的、不同頻率的電流。在本發明所述的方法中，所述線圈包括流過第一頻率電流的第一線圈、流過第二 頻率電流的第二線圈和流過第三頻率電流的第三線圈；所述第一頻率包括50Hz，所述第二 頻率包括500-1200Hz，所述第三頻率包括1500-2500Hz。在本發明所述的方法中，所述第一線圈、第二線圈和第三線圈具有不同的直徑且 分別以所述感應爐爐體為圓心同心設置並包圍所述感應電爐爐體；所述第三線圈靠近所述 爐體外表面，所述第一線圈遠離所述爐體外表面，所述第二線圈位於所述第一線圈和第三 線圈之間；所述第一線圈與所述爐體軸向外表面、第一線圈和第二線圈以及第二線圈和第 三線圈之間在其截面上保持一設定距離，所述設定距離包括5-15釐米。在本發明所述的方法中，所述第一線圈、第二線圈和第三線圈按照設定方式同時 流過其對應頻率的電流或兩兩或單獨流過其對應的電流。實施本發明的控制打82顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，具有以下有 益效果由於在其使用的感應電爐爐體外部設置有多個線圈，而且這些線圈流過的電流的 頻率各不相同。於是，在上述爐體內部有多個交變磁場疊加，使得上述爐體內部各部分均受 到磁力的作用，使得得到的鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑較為細小，進而提高鋁 鈦硼合金對鋁或鋁合金的晶粒細化能力。


圖1是本發明控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法實施例中的 熔煉流程圖；圖2是所述實施例中所使用的感應電爐的軸向剖面結構示意圖；圖3是圖2中的A-A向剖面圖。
具體實施例方式下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，圖1揭示了控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法流 程。其包括如下步驟步驟S11加入液態金屬鋁在本步驟中，將鋁金屬放入上述感應電爐中，準備進行 下一步，製備需要的鋁鈦硼合金。在本實施例中，加入的是液態的鋁，即在其他地方或設備 中將鋁熔化後在放入上述爐體內，這樣，在本實施例中就不需要用該感應電爐使得金屬鋁 熔化，而是只需要保持上述液態鋁的狀態或溫度即可。當然，在其他實施例中，也可以加入 固態的鋁，不過此時，就需要在本步驟之後，再加上一個步驟，使得加入的鋁熔化，同時，該 步驟還會持續較長時間。步驟S12升溫加熱在本實施例中，本步驟就是使得上述感應電爐開始工作，加熱 上述液態鋁，使其保持在規定的溫度範圍內，並使上述感應電爐及其中的液態鋁的溫度保 持在設定的範圍內保持第一設定時間。在本實施例中，上述設定溫度(規定的溫度)是800度；而上述第一設定時間是6分鐘。在其他實施例中，上述溫度可以是790度到850度之間 的任意一個值，而其第一設定時間可以是3-8分鐘。步驟S13加入合金化原料在本步驟中，加入需要加入的合金成分，在本實施例 中，按照事先設定，加入氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀，充分攪拌，並在上述感應電爐中保持一段時 間，使得上述氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀充分與液態鋁反應，得到液態合金。在本實施例中，上述 加入感應電爐的鋁、氟鈦酸鉀、氟硼酸鉀的重量比是1000 250 125。在本實施例中，上 述氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀均為粉狀。步驟S14反應，控制TiB2顆粒團平均名義直徑當加入上述合金材料後，這些合金 材料與鋁液開始反應，得到液態合金；同時，將上述液態合金在上述感應電爐保持一段時間 (即第二設定時間)，在本實施中，上述第二設定時間為60分鐘。而在其他實施例中，上述 第二設定時間也可以是30-90分鐘。此時，由於在上述感應電爐中存在變化的電磁場，且該 電磁場是多個交變電磁場的疊加，所以，上述處於爐體中液態合金在上述感應電爐中受到 電磁場的作用而形成其截面為多個波峰的液面，從而使得其每一部分都受到上述三個線圈 產生的電磁力的組合的或單獨的作用，在得到充分的電磁攪拌的同時使其中TiB2顆粒團平 均名義直徑受到控制。值得一提的是，在上述感應電爐中，其線圈的驅動頻率越高，其產生 的電磁場就越靠近線圈；同時線圈上的驅動頻率越高，防止上述TiB2顆粒團聚合的力量就 越大，TiB2顆粒團平均名義直徑尺寸就越小。採用本發明本實施例中的感應電爐，可以使得 到的鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑尺寸由採用現有技術中的感應電爐時的5微 米下降到2微米左右，極大地提高了得到的鋁鈦硼合金在作為細化劑時對鋁或鋁合金的晶 粒細化能力。在完成上述步驟S14後，感應電爐中得到鋁鈦硼就可以通過軋制或其他工序製成 鋁鈦硼合金線，用於添加在鋁或鋁合金中。在本實施例中，該方法的一個重要的特點就是其使用的感應電爐，該感應電爐的 線圈及其驅動電流的結構與參數直接關係到使用該方法取得鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團的 平均名義直徑大小。如圖2和圖3所示，該感應電爐包括爐體1以及設置在爐體1外表面 的線圈2。其中，上述爐體1用於盛放需要熔煉的金屬，爐體1包括一個外壁11及該外壁所 形成的一個盛放金屬的空間12 ；上述線圈設置在爐體1的外壁11的外部，並在爐體1的軸 向(即圖1中剖開方向)上以不同的直徑包圍上述外壁11。在工作時，上述線圈2在控制 裝置(圖中未示出)的控制或驅動下，流過交變電流，該交變電流在上述空間12內形成變 化的磁場，爐體1的空間12內的金屬感應到上述交變電流產生的磁場，其切割上述磁場的 磁力線並在該金屬表面產生渦電流。由於金屬具有一定的電阻，電流流過電阻而發熱，並使 該金屬發熱或熔化；同時上述磁場還對其中的的物體產生一定的作用力，由於在本實施例 中上述合金為熔體，在上述磁場的作用下，該熔體的受力部分將會產生一定的位移，當這種 移動的位置較大時，會在熔體表面形成波峰和波谷。在本實施例中，如圖1所示，上述線圈2 中包括了 3個單獨的線圈，其分別為第一線圈21、第二線圈22以及第三線圈23。同時，在 本實施例中，上述控制裝置輸出到上述每個線圈流過的驅動電流的頻率是各不相同。當然， 在其他實施例中，上述線圈也不一定就是3個，也可以是別的數目，例如，2個或4個。不同 的線圈數量及其中流過電流的頻率不一樣，使得上述爐體1中的空間12中磁場的強度及其 變化程度不一樣。
如上所述，上述線圈2包括第一線圈21、第二線圈22和第三線圈23 ；其中，上述第 一線圈21流過電流的頻率為第一頻率，第二線圈22流過電流的頻率為第二頻率，第三線圈 23流過電流的頻率為第三頻率。在本實施例中，上述第一頻率為50Hz，第二頻率為1000Hz， 第三頻率為2100Hz。而在其他實施例中，上述第二頻率也可以在500-1200HZ之間調整，第 三頻率也可以在1500-2500HZ之間調整。這樣的頻率選取使得上述線圈2在上述爐體1內 的交變磁場及其磁力較為有利於減小鋁鈦硼合金中TiB2顆粒之間的凝聚力，使在反應中形 成的TiB2顆粒團的平均名義直徑得到控制。在第一實施例中，通過試驗得知，採用上述設置 的感應電爐可以將上述鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑4-5微米降低到1. 8-2微 米左右°由電磁感應原理可以知道，在線圈中通過電流時會產生穿過該線圈的磁場，變化 的電流將產生變化的磁場；這些磁場的分布及強度不僅與線圈的形狀相關，還與其中流過 的電流頻率相關。通常，流過線圈的電流頻率越高，其靠近線圈位置產生的磁力線就越密 集，相應而言，這些位置所受到的磁力就越大。對於50Hz的工頻而言，其線圈中受到上述磁 力作用較大的位置是在線圈的中心位置，而對於1000Hz左右的電流產生的磁場，其作用力 較大的部分(即磁力線較為密集部分)就不在其線圈的中心部分，而在以該線圈中心位置 為軸、更加靠近線圈的對稱位置(由其截面來看，就是對稱於線圈中心軸的左右的位置)； 2100Hz的電流產生的磁場，其作用力較大的部分(即磁力線較為密集部分)與上述1000Hz 左右的電流相似，不過其位置更加靠近該線圈。而且，上述作用力較大位置在其截面上來看 也不是一個點，而是一個範圍。這樣，在上述通過不同頻率電流的三個線圈的作用下，上述 爐體1內的基本上任何位置均可受到一定強度的磁力的作用。而一定強度的磁力的作用可 以減少上述TiB2顆粒的聚合的趨勢，從而使得在反應中形成的TiB2顆粒團平均名義直徑受 到控制。通過上面的描述可以得知，在本實施例中採用三個以不同的直徑分別包圍上述爐 體1的線圈，使得上述感應電爐的爐體1內的液態合金在其橫截面上的各個位置都受到上 述線圈產生的電磁力作用，減少TiB2顆粒的聚合的趨勢，從而使得其平均名義直徑受到控 制，即TiB2顆粒團的平均名義直徑仍然呈正態分布，但其中心的尺寸因受到控制而降低。如圖2、3所示，在第一實施例中，上述第一線圈21、第二線圈22和第三線圈23以 不同的直徑分別包圍上述爐體1中外壁11的整個軸向外表面(即圖1中由上至下的方向)； 其中，第三線圈23最為靠近爐體1的外壁11外表面，但與外壁11保持一設定距離(即第 三線圈的半徑大於爐體外壁11的半徑)；而第二線圈22包圍在上述第三線圈23的外部，由 其截面來看，上述第三線圈23與第二線圈22之間存在一設定的距離(即第二線圈的半徑 大於第三線圈的半徑)；而第一線圈21圍繞在上述第二線圈22外部，同樣，由其截面來看， 上述第一線圈21與第二線圈22之間存在一設定的距離(即第一線圈的半徑大於第二線圈 的半徑)。同時，上述三個線圈分別被固定在上述爐體1上，每個線圈的導線或銅線外部分 別設置有防止線圈之間短路或拉弧的絕緣層。在本實施例中，上述每個線圈在橫截面上的 距離為8釐米，在其他實施例中，每個線圈之間的距離也可以在5-15釐米之間調整。具體 而言，上述三個線圈之間及線圈與爐體外壁11之間在橫截面上的距離設置不僅可以使得 線圈之間可以相互絕緣，減少其相互之間的耦合(包括熱耦合)，同時，由於調整了上述線 圈之間的距離，實際上也調整了上述線圈與爐體1之間的位置關係，從而改變了該線圈產 生的電磁場穿過上述爐體1的位置，使得爐體1中的液態合金受到其電磁力作用的位置有所改變。因此，也可以通過調整上述線圈的位置來在一定程度上使得上述爐體1內的液態 合金受到上述線圈產生的電磁場的作用力更加均勻。這樣的設置不僅使得上述線圈2可以 充分地將其磁場分布在上述空間12內，更加有效地加熱上述空間12內的金屬，而且將頻率 最低的線圈放在最外面，也可以有效地減少線圈對外的電磁幹擾。在本實施例中，上述爐體1的主體部分碳化矽(SiC)構成。以便於上述多個線圈 產生的電磁場可以有效地作用於盛放在其中的液態合金上。在本實施例中，該感應電爐還包括並接在第一線圈21上的第一(補償)電容(圖 中未示出)、並接在第二線圈22上的第二(補償)電容(圖中未示出)和並接在第三線圈 23上的第三(補償)電容(圖中未示出)。其中，所述第一補償電容值為90 yF，第二補償 電容值為720 yF，第三補償電容值為1200 yF。在其他實施例中，上述第一補償電容值也可 以在40-120 iiF之間調整，第二補償電容值也可以400-1000 iiF之間調整，第三補償電容值 也可以在800-1800 u F之間調整。採用補償電容的目的在於減少交流電流在通過上述各線 圈時的波形畸變，提高功率因數，同時也減少了該感應電爐對外部交流電源的汙染。在本實施例中，該感應電爐還包括一個控制櫃(圖中未示出)，以及設置在上述控 制櫃中、分別於上述第一線圈21、第二線圈22及第三線圈23端點連接的線圈驅動控制裝置 (圖中未示出)。同時工作的三個線圈使得上述空間12內的磁場強度得到進一步的加強， 同時其交變頻率進一步加大，減少了 TiB2顆粒聚合的趨勢，控制了 TiB2顆粒團平均名義直 徑。此外，在其他實施例中，上述三個線圈也可以不是同時通電工作的，該三個線圈可以單 個輪流通電工作或兩兩輪流通電工作。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並 不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保 護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特徵在於，包括如下步驟A)加熱盛放於所述感應電爐中的液態鋁，使所述感應電爐及所述液態鋁在設定溫度保持第一設定時間；B)加入合金材料，包括氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀；C)所述感應電爐的線圈保持其流過電流，作用於所述感應電爐內部的液態合金，並使其在所述設定溫度上維持第二設定時間。
2.根據權利要求1所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述步驟A)中的設定溫度包括790-850°C ；所述第一設定時間包括3-8分鐘。
3.根據權利要求2所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述鋁、氟鈦酸鉀、氟硼酸鉀的重量比為1000 250 125。
4.根據權利要求3所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述步驟C)中所述第二設定時間為40-90分鐘。
5.根據權利要求4所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀為粉狀。
6.根據權利要求1-4任意一項所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金制 備方法，其特徵在於，所述感應電爐包括多個線圈，所述步驟C)中進一步包括在所述每個 線圈上分別施加產生不同電磁場的、不同頻率的電流。
7.根據權利要求6所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述線圈包括流過第一頻率電流的第一線圈、流過第二頻率電流的第二線圈和流 過第三頻率電流的第三線圈；所述第一頻率包括50Hz，所述第二頻率包括500-1200HZ，所 述第三頻率包括1500-2500Hz。
8.根據權利要求7所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述第一線圈、第二線圈和第三線圈具有不同的直徑且分別以所述感應爐爐體為 圓心同心設置並包圍所述感應電爐爐體；所述第三線圈靠近所述爐體外表面，所述第一線 圈遠離所述爐體外表面，所述第二線圈位於所述第一線圈和第三線圈之間；所述第一線圈 與所述爐體軸向外表面、第一線圈和第二線圈以及第二線圈和第三線圈之間在其水平截面 上保持一設定距離，所述設定距離包括5-15釐米。
9.根據權利要求8所述的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，其特 徵在於，所述第一線圈、第二線圈和第三線圈按照設定方式同時流過其對應頻率的電流或 兩兩或單獨流過其對應的電流。
全文摘要
本發明涉及一種控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，包括如下步驟加熱盛放於所述感應電爐中的液態鋁，使所述感應電爐及所述液態鋁在設定溫度保持第一設定時間；加入合金材料，包括氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀；所述感應電爐的線圈保持其流過電流，作用於所述感應電爐內部的液態合金，並使其在所述設定溫度上維持第二設定時間。實施本發明的控制TiB2顆粒團平均名義直徑的鋁鈦硼合金製備方法，具有以下有益效果在上述爐體內部有多個交變磁場疊加，使得上述爐體內部各部分均受到磁場力的作用，使得TiB2顆粒團平均名義直徑更為細小，進而提高鋁鈦硼合金對鋁或鋁合金的晶粒細化能力。
文檔編號C22C1/02GK101838751SQ20101011016
公開日2010年9月22日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者劉超文, 張新明, 李建國, 李賽毅, 陳學敏 申請人:新星化工冶金材料(深圳)有限公司