一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法
2023-09-13 15:16:15
專利名稱：一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料加工領域，特別是涉及一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法。
背景技術：
在鋁及鋁合金生產過程中，向熔體中添加少量晶粒細化劑，是獲得均勻細小等軸 晶組織，提高材料強度、韌性及塑性的最有效、最經濟的方法。目前，鋁及鋁合金行業中應用 最廣泛的細化劑是鋁鈦硼細化劑，而鋁鈦硼細化劑本身存在一些無法克服的缺點細化劑 中的TiB2粒子具有較大的尺寸且易聚集成團，不利於鋁及鋁合金的後續加工；易與鋁合金 中的強化元素Cr、&等發生「中毒反應」，失去細化效果；鋁鈦硼細化劑在生產過程中，用到 大量氟鹽來提供合金元素，產生嚴重的氟化物氣體汙染。鋁鈦碳細化劑可以克服以上缺點，並且具有良好的細化能力，被認為是一種具有 廣泛應用前景的晶粒細化劑。國內目前已開發出的鋁鈦碳的製備方法主要有熔煉法，即向 鋁鈦合金熔體中直接加入石墨單質，通過加入活化劑的方法或機械強力攪拌，促進石墨的 溶入及反應，製備鋁鈦碳細化劑。自蔓延高溫反應合成法，即通過將反應原料充分球磨，攪 拌均勻，並壓製成一定密度的預製塊，在一定的條件下引發自蔓延反應，製備出鋁鈦碳細化 劑。熔煉法，目前普遍存在反應溫度過高，合成時間較長的問題，通常需要將熔體加熱 至1200°C以上，以促進TiC粒子的形成，長時間的高溫熔煉，易導致氧化燒損嚴重，合金的 冶金質量較差等缺陷。而自蔓延高溫反應合成法，合成溫度較低，反應速度快，然而對原料 的粒徑尺寸要求較高，需要長時間的球磨混料，並需要壓製成一定密度的預製塊，這些都限 制了該方法的工業應用。而到目前為止，鋁鈦碳細化劑仍然沒有取代鋁鈦硼而實現工業化 大規模生產及應用，主要是因為仍沒有找到一種既經濟又有效的方法來解決碳元素的合金 化問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，克服了現有鋁鈦碳細化 劑製備方法存在的不足，解決了石墨粉難以合金化的問題。本發明採用以下技術方案
一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，包括如下步驟
第一步，將佔目標細化劑總質量0. 25 1.25%的石墨粉和佔目標細化劑總質量 3. 75 7. 50%的海綿鈦粉進行預處理，石墨粉的平均粒徑為61 96 μ m，在850 900°C下 預熱30 45min ；海綿鈦粉的平均粒徑為150 250 μ m ；
第二步，將佔目標細化劑總質量100.0 106. 4%的純鋁在電阻爐中熔化，並加熱至 800 850°C，加入佔目標細化劑總質量1. 11 3. 33%的混合稀土，保溫10 20min後，升 溫至900 950°C ；
第三步，將預處理後的海綿鈦粉和石墨粉混合均勻，用鋁箔包好，壓入鋁熔體中，保持1 3min ；
第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至950 1000°C，保溫30 45min，用高純氬氣精 煉後澆注成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。作為本發明的一種優選方案所述混合稀土的組成及質量比為Ce:40 60% ； La: 10 30% ；Nb: 10 20% ；Pr: 0 10%。作為本發明的另一種優選方案所述混合稀土以混合稀土金屬形式加入。一種鋁鈦碳稀土細化劑，該鋁鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量比為Ti 3 6% ；C 0. 2 1% ；RE :1 3%，鈦碳比大於3:1且小於20:1,其餘為Al。目標細化劑即以本發明方法最終製得的鋁鈦碳稀土細化劑，由於在熔煉過程中原 料會有所損耗、吸收率達不到100%，所以石墨粉、海綿鈦粉、混合稀土及鋁的原料加入的質 量要大於最終製得的鋁鈦碳稀土細化劑(即目標細化劑)的質量。本發明的有益效果為
1、本發明利用粒徑尺寸較大的海綿鈦粉(平均粒徑為150 250μ m)及石墨粉(平均粒 徑為61 96 μ m)為原料，將兩者混合均勻後，加入到900 950°C的鋁熔體中，利用海綿鈦 粉熔化後形成的液滴對石墨顆粒進行表面改性，改善了石墨顆粒與鋁熔體間的潤溼性，解 決了石墨粉難以合金化的問題；
2、鋁熔體難以潤溼石墨的問題，是通過海綿鈦粉原位改性石墨來解決的，無需另外的 工序，簡化了工藝；
3、原料採用粒徑尺寸較大的海綿鈦粉(平均粒徑為150 250μ m)和石墨粉(平均粒 徑為61 96 μ m)，避免了使用價格較高的超細鈦粉和石墨粉，在一定程度上降低了生產成 本；
4、海綿鈦粉和石墨粉攪拌均勻後即可加入到鋁熔體中，省去了球磨機研磨混料及壓制 預製塊的工序，節省了能源，簡化了工藝。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並 且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書所特別指 出的結構來實現和獲得。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述
實施例1 以製備IOOOg鋁鈦碳稀土細化劑(Al-3Ti-0. 2C-1RE)為例。第一步，準備及預處理將2. 5g平均粒徑為96 μ m的石墨粉在850°C下預熱 30min,將其與37. 5g平均粒徑為150 μ m海綿鈦粉混合均勻，用鋁箔包好。第二步，在電阻爐中熔化1064g純鋁並加熱至800°C，將11. Ig混合稀土金屬加 入到鋁熔體中，保溫IOmin後，升溫至900°C。第三步，將用鋁箔包好的海綿鈦粉和石墨粉的混合料，用石墨鐘罩壓入到鋁熔體 液面以下，保持lmin，通過海綿鈦粉形成的細小熔滴對石墨顆粒進行表面改性，使鋁熔體有 效潤溼石墨，然後輕微抖動並提起鐘罩，使混合料與鐘罩分離，同時分散到鋁熔體之中。第四步，將熔體充分攪拌後，升溫至950°C，保溫30min，用高純氬氣精煉後澆注成 錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。
混合稀土的組成及質量百分含量為Ce:40% ;La: 30%；Nb: 20%；Pr: 10%。混合稀 土以混合稀土金屬形式加入。生產出的鋁鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量百分含量為 Ti 3%, C: 0. 2%, RE 1%，其餘為 Al。實施例2 以製備IOOOg鋁鈦碳稀土細化劑(Al-6Ti-lC_3RE)為例。第一步，準備及預處理將12. 5g平均粒徑為61 μ m的石墨粉在900°C下預熱 45min,將其與75. Og平均粒徑為250 μ m海綿鈦粉混合均勻，用鋁箔包好。第二步，在電阻爐中熔化IOOOg純鋁並加熱至850°C，將33.3g混合稀土金屬加 入到鋁熔體中，保溫20min後，升溫至950°C。第三步，將用鋁箔包好的海綿鈦粉和石墨粉的混合料，用鐘罩壓入到鋁熔體液面 以下，保持3min，通過海綿鈦粉形成的細小熔滴對石墨顆粒進行表面改性，使鋁熔體有效潤 溼石墨，然後輕微抖動並提起鐘罩，使混合料與鐘罩分離，同時分散到鋁熔體之中。第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至1000°C，保溫45min，用高純氬氣精煉後澆 注成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。混合稀土以混合稀土金屬形式加入，混合稀土的組成及質量百分含量為 Ce:60%；La: 10%；Nb: 20%；Pr: 10%。生產出的鋁鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量百分 含量為Ti: 6%, C: 1%，RE:3%，其餘為 Al。實施例3 以製備IOOOg鋁鈦碳稀土細化劑(Al-3Ti_0. 5C-1RE)為例。第一步，準備及預處理將6. 3g平均粒徑為86 μ m的石墨粉在850°C下預熱 40min,將其與37. 5g平均粒徑為180 μ m海綿鈦粉混合均勻，用鋁箔包好。第二步，在電阻爐中熔化1061g純鋁並加熱至800°C，將11. Ig混合稀土金屬加 入到鋁熔體中，保溫IOmin後，升溫至900°C。第三步，將用鋁箔包好的海綿鈦粉和石墨粉的混合料，用鐘罩壓入到鋁熔體液面 以下，保持2min，通過海綿鈦粉形成的細小熔滴對石墨顆粒進行表面改性，使鋁熔體有效潤 溼石墨，然後輕微抖動並提起鐘罩，使混合料與鐘罩分離，同時分散到鋁熔體之中。第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至960°C，保溫30min，用高純氬氣精煉後澆注 成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。混合稀土的組成及質量百分含量為Ce:50% ；La:30% ；Nb: 15% ；Pr:5%。生產出的鋁 鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量百分含量為Ti: 3%, C: 0.5%，RE:1%，其餘為Al。實施例4 以製備IOOOg鋁鈦碳稀土細化劑(Al-5Ti_0. 5C-2RE)為例。第一步，準備及預處理
將6. 3g平均粒徑為86 μ m的石墨粉在850°C下預熱40min，將其與62. 5g平均粒徑為 180 μ m海綿鈦粉混合均勻，用鋁箔包好。第二步，在電阻爐中熔化1028g純鋁並加熱至830°C，將22.2g混合稀土金屬加 入到鋁熔體中，保溫15min後，升溫至950°C。第三步，將用鋁箔包好的海綿鈦粉和石墨粉的混合料，用鐘罩壓入到鋁熔體液面 以下，保持2min，通過海綿鈦粉形成的細小熔滴對石墨顆粒進行表面改性，使鋁熔體有效潤 溼石墨，然後輕微抖動並提起鐘罩，使混合料與鐘罩分離，同時分散到鋁熔體之中。第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至980°C，保溫40min，用高純氬氣精煉後澆注 成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。
混合稀土的組成及質量百分含量為Ce:50% ；La:25% ；Nb: 18% ；Pr:7%。生產出的鋁 鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量百分含量為Ti: 5%, C: 0.5%，RE:2%，其餘為Al。實施例5 以製備IOOOg鋁鈦碳稀土細化劑(Al-4Ti_0. 4C_1. 5RE)為例。第一步，預處理將5. Og平均粒徑為90 μ m的石墨粉在850°C下預熱35min，將其 與50. Og平均粒徑為160μπι海綿鈦粉混合均勻，用鋁箔包好。第二步，在電阻爐中熔化1046g純鋁並加熱至810°C，將16.7g混合稀土金屬加 入到鋁熔體中，保溫15min後，升溫至920°C。第三步，將用鋁箔包好的海綿鈦粉和石墨粉的混合料，用鐘罩壓入到鋁熔體液面 以下，保持2min，通過海綿鈦粉形成的細小熔滴對石墨顆粒進行表面改性，使鋁熔體有效潤 溼石墨，然後輕微抖動並提起鐘罩，使混合料與鐘罩分離，同時分散到鋁熔體之中。第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至960°C，保溫40min，用高純氬氣精煉後澆注 成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。混合稀土的組成及質量百分含量為Ce:55% ；La:30% ；Nb: 10% ；Pr:5%。生產出的鋁 鈦碳稀土細化劑的組成元素及質量百分含量為Ti: 4%, C: 0.4%，RE: 1.5%，其餘為Al。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通 技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案 的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，其特徵在於包括如下步驟第一步，將佔目標細化劑總質量0.25～1.25%的石墨粉和佔目標細化劑總質量3.75～7.50%的海綿鈦粉進行預處理，石墨粉的平均粒徑為61～96μm，在850～900℃下預熱30～45min；海綿鈦粉的平均粒徑為150～250μm；第二步，將佔目標細化劑總質量100.0～106.4%的純鋁在電阻爐中熔化，並加熱至800～850℃，加入佔目標細化劑總質量1.11～3.33%的混合稀土，保溫10～20min後，升溫至900～950℃；第三步，將預處理後的海綿鈦粉和石墨粉混合均勻，用鋁箔包好，壓入鋁熔體中，保持1～3min；第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至950～1000℃，保溫30～45min，用高純氬氣精煉後澆注成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。
2.依照權利要求1所述製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，其特徵在於所述混合稀土的 組成及質量百分含量為Ce:40 60% ；La: 10 30% ；Nb: 10 20% ；Pr: 0 10%。
3.依照權利要求1或2所述製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，其特徵在於所述混合稀 土以混合稀土金屬形式加入。
4.根據權利要求1或2所述方法製備的鋁鈦碳稀土細化劑，其特徵在於該鋁鈦碳稀 土細化劑的組成元素及質量百分含量為Ti 3 6% ；C 0. 2 1% ；RE :1 3%，鈦碳比大於 3:1且小於20:1，其餘為Al。
全文摘要
本發明公開了一種製備鋁鈦碳稀土細化劑的方法，第一步，將石墨粉和海綿鈦粉進行預處理；第二步，將佔目標細化劑總質量100.0～106.4%的純鋁在電阻爐中熔化，並加熱至800～850℃，加入佔目標細化劑總質量1.11～3.33%的混合稀土，保溫10～20min後，升溫至900～950℃；第三步，將預處理後的海綿鈦粉和石墨粉混合均勻，用鋁箔包好，壓入鋁熔體中，保持1～3min；第四步，將鋁熔體充分攪拌後，升溫至950～1000℃，保溫30～45min，用高純氬氣精煉後澆注成錠，即得到鋁鈦碳稀土細化劑。本發明克服了現有鋁鈦碳細化劑製備方法存在的不足，解決了石墨粉難以合金化的問題。
文檔編號C22C21/00GK101935772SQ20101029114
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月26日 優先權日2010年9月26日
發明者于洋, 孔亞萍, 宋勇, 李苗, 翁康榮, 趙紅亮 申請人:鄭州大學