專利名稱：一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金材料及其制備方法，特別涉及一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
變質(zhì)作用能夠極大地提高鋁合金的綜合機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)，有時甚至是顛覆性的。能夠產(chǎn)生變質(zhì)作用的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑。目前幾乎所有的變質(zhì)劑都集中在一種技術(shù)手段上以鋁為基體生產(chǎn)含有變質(zhì)元素的中間合金，再在鋁合金熔煉時把中間合金加入熔體中。這一過程產(chǎn)生了兩個于節(jié)能不利的環(huán)節(jié)①含有高濃度變質(zhì)元素的中間合金的熔鑄環(huán)節(jié)，往往需要很高的溫度(> 1000°C，如 Al-T1-B、Al-RE、Al-S1、Al-Sc、Al-V、Al-Cr、Al-Mn、Al-Co、Al-N1、Al-W、Al-Zr等)鋁合金熔煉時加入中間合金，“溶解”并“稀釋”變
質(zhì)元素，再鑄造。對鋁合金生產(chǎn)來說，上述過程相當(dāng)于多了一個“熔煉一鑄造”環(huán)節(jié)，而中間合金中大量的鋁只起到儲存變質(zhì)元素的作用，其所消耗的能量完全是無效的。在各種鋁中間合金變質(zhì)劑中，最具代表性的是Al-T1-B線材和鋁-稀土(RE)中間合金。隨著研究的深入，越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)具有變質(zhì)作用，也就產(chǎn)生了越來越多的中間合金。對于鋁合金冶煉工廠來說，為了專注于終端合金產(chǎn)品的生產(chǎn)，沒有必要專門投資建中間合金生產(chǎn)線，而寧愿從市場采購中間合金。于是就有了專門生產(chǎn)鋁中間合金的工廠，并形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)，目前全世界 鋁中間合金產(chǎn)業(yè)達到數(shù)十億元。基于鋁中間合金的理論思維，作為變質(zhì)劑加入的添加劑以下條件所限制(I)在高溫下化學(xué)成分不變，在鋁熔體中有足夠的穩(wěn)定性；(2)添加劑的熔點應(yīng)比鋁的高；(3)添加劑和鋁的晶格在結(jié)構(gòu)尺寸上應(yīng)相適應(yīng)；(4)與被處理的熔體原子形成強而有力的吸附鍵。這些限制條件，好象是專門為高溫金屬元素的鋁中間合金量身定做的，因此限制了“變質(zhì)”概念的內(nèi)涵和外延。同時，鋁中間合金變質(zhì)劑中的有效元素很難充分發(fā)揮作用。盡管中間合金的基體也是鋁，但生產(chǎn)中間合金時，高熔點元素、難溶解元素與鋁發(fā)生合金化的過程是很難控制的有效元素的偏析、鋁的燒損量增加和大量雜質(zhì)的混入，都在所難免。對于雜質(zhì)限量要求極為嚴(yán)格的高性能合金生產(chǎn),往往變質(zhì)劑帶入的雜質(zhì)就足以使化學(xué)成份超過限制范圍；同時，微觀狀態(tài)下大量聚集的有效變質(zhì)元素仍然處于單質(zhì)結(jié)晶團塊狀態(tài)，在熔融鋁的溫度下(< 800°C )根本無法完全溶解和熔化，只有表面極薄的膜層由于與鋁可能產(chǎn)生合金化反應(yīng)而起到部分變質(zhì)作用，其余大量的聚集態(tài)都是怎么加進去就怎么存在，變質(zhì)作用因而大打折扣。在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)的問題是變質(zhì)劑的變質(zhì)能力不穩(wěn)定，變質(zhì)劑加入的比例波動范圍大，不容易精確掌握添加量，同時在制造高溫元素的鋁中間合金過程中極容易混入有害元素，對最終產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對目前鋁合金變質(zhì)劑和變質(zhì)機理存在的缺陷，以金屬氫合物細粉作為高效變質(zhì)劑，以流態(tài)化方式隨保護性氣體加入到合金熔體中，通過與鋁合金熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或高溫分解而釋放出原子或離子狀態(tài)的變質(zhì)元素M，迅速均勻地擴散到鋁熔體中，達到高效、均勻變質(zhì)和凈化熔體的目的，實現(xiàn)基體和金屬化合物相的晶粒細化；并在鋁合金生產(chǎn)中的取代中間合金，減少中間環(huán)節(jié)，節(jié)能降耗。本發(fā)明的技術(shù)方案是，按重量百分比計，該合金成分為Cu :彡2. O %，Mn :彡O. 7 %，Mg 1. O 3. 0%,Cr O. 3%,Zn :3. O 7. 0%,T1:彡 O.1%，氫合物 MHn 變質(zhì)劑為爐料總量的Ippm 1. O %，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)，且雜質(zhì)元素含量為單個彡O. 03%,合計彡O. 15%, ο本發(fā)明的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，上述鋁合金組成中S1、Fe元素含量滿足Si 0. 003 1. 0%, Fe 0. 003 1. 0%。本發(fā)明的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，上述的金屬氫合物MHn變質(zhì)齊[J，其中 M 包括金屬元素 L1、Na、K、Al、Rb、Sn、Cu、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Eu、Yb 或 Zr，MHn變質(zhì)劑為以上金屬氫化物中的一種以上。本發(fā)明所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，金屬氫合物MHn變質(zhì)劑的分子晶體聚集態(tài)顆粒度為20 325目。本發(fā)明所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法的制備方法，包括如下步驟 步驟一在上述元素比例范圍內(nèi)，選定一組元素和金屬氫合物MHn變質(zhì)劑比例，再根據(jù)需要配制的合金總量，推算出所需的每種單質(zhì)金屬的質(zhì)量，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足備料；步驟二 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全融化并在700 800°C下保溫；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟三再按配方比例先加入步驟一選定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔體攪拌均勻；步驟四然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉；往合金熔體中加入精煉劑，并攪拌均勻，熔體精煉在封閉環(huán)境中操作；步驟五精煉除渣后，以保護性氣體對熔體進行除氣作業(yè)，同時使金屬氫合物MHn變質(zhì)劑以流態(tài)化方式隨保護性氣體加入到合金熔體中；同時進行攪拌，使變質(zhì)劑與合金熔體充分反應(yīng)；變質(zhì)劑加入完畢，繼續(xù)通入保護性氣體至變質(zhì)劑反應(yīng)完畢。步驟六靜置、調(diào)溫至700 800°C，合金液傾倒出爐，進入下一工序。本發(fā)明所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料的制備方法，在步驟五中，保護性氣體是指氮氣、氬氣或氮氣與氬氣的混合氣體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下主要優(yōu)點1、找到了一種新的高效變質(zhì)劑金屬氫合物MHn變質(zhì)劑，改變了傳統(tǒng)鋁合金變質(zhì)劑的變質(zhì)機理，變質(zhì)機理如下 MHn+e (高溫)一M (原子態(tài))+nH (原子態(tài))M+A1(液)一α (Al)共溶體一飽和共溶體一冷卻一過飽和固溶體Μ+Α1 (飽和共溶體)一M-Al (金屬間化合物)H (原子態(tài))+H (鋁熔體)一H2 (氣體)2、金屬氫合物MHn變質(zhì)劑以保護性氣體流態(tài)化加入鋁合金熔體，解決了工藝上的
重大難題。3、不但提高了鋁合金變質(zhì)劑的變質(zhì)效果，為生產(chǎn)中高效、高精度控制創(chuàng)造了條件，而且分子分解出的原子態(tài)的元素能夠排擠熔體中的H、O等有害元素，凈化熔體，從而把變質(zhì)劑與凈化劑的作用有機結(jié)合在一起。4、有效細化了鋁基體晶粒和Fe、Si等金屬化合物晶粒，顯著提高了純鋁合金系強度和延伸率性能。5、取代中間合金，使鋁合金制造企業(yè)不再受制于中間合金生產(chǎn)商，有利于創(chuàng)建“近成型、短流程”的集約生產(chǎn)線，節(jié)能降耗，降低綜合成本。具體說來，本發(fā)明具有以下優(yōu)點。1、不再受“變質(zhì)劑高溫 下化學(xué)成分不變，在鋁熔體中有足夠的穩(wěn)定性”的傳統(tǒng)要求限制本發(fā)明采用金屬氫合物MHn變質(zhì)劑加入到鋁熔體中，與鋁熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而分解出有效變質(zhì)元素Μ，化學(xué)成分完全改變，而這種改變正是變質(zhì)作用得以產(chǎn)生的前提。2、不再受“添加劑的熔點應(yīng)比鋁的高”的傳統(tǒng)要求限制金屬氫合物MHn變質(zhì)劑是以流態(tài)化方式隨保護性氣體加入到合金熔體中去，根據(jù)分子晶體粉末顆粒的大小，可以調(diào)節(jié)保護氣體量，使變質(zhì)劑與熔體接觸之前不至于被加熱到其熔點，或者即使達到熔點，仍然穩(wěn)定分布在保護氣體的氣流中，不影響氣路暢通和加入效果。3、不再受“添加劑和鋁的晶格在結(jié)構(gòu)尺寸上相適應(yīng)”的限制一是由于金屬氫合物MHn變質(zhì)劑在熔體中與鋁產(chǎn)生的是較合金化反應(yīng)更強的化學(xué)反應(yīng)，分子晶體高溫分解釋放出原子態(tài)的合金化元素，具有微觀皮米級(Pm)的種子作用范圍，達到在加入純金屬或中間合金時無法達到的微細結(jié)構(gòu)狀態(tài)和納米級(nm)聚集態(tài)，從而改善合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。二是產(chǎn)生結(jié)晶(晶格)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向效應(yīng)金屬氫合物MHn變質(zhì)劑在高溫分解時以梯級式分解，其微觀狀態(tài)下生成的分子軌道具有結(jié)晶導(dǎo)向作用，為不同合金元素以最低自由能取向生成聚集態(tài)提供了可能性，而聚集態(tài)的改善是改善合金的宏觀性能基礎(chǔ)。
具體實施例方式步驟一按下表選定每元素和物質(zhì)配方，并按配制的合金總量1000kg，推算出所需的每種物質(zhì)的重量。
權(quán)利要求
1.一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，其特征在于按重量百分比計，該合金成分為 Cu: (2· 0%，Μη: ( O. 7%,Mg:1. 0 3· 0%,Cr: ( O. 3%,Zn:3. 0 7· 0%, T1: ^ O. 1%，氫合物MHn變質(zhì)劑為爐料總量的Ippm 1. 0%，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)，且雜質(zhì)元素含量為:單個< O. 03%，合計< O. 15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，其特征在于上述鋁合金組成中:S1、Fe元素含量滿足Si 0. 003 1. 0%，F(xiàn)e :0. 003 1. 0%。
3.根合據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，其特征在于上述的金屬氫合物MHn變質(zhì)劑，其中M包括金屬元素L1、Na、K、Al、Rb、Sn、Cu、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、La、Ce、Eu、Yb或Zr，金屬氫合物MHn變質(zhì)劑為以上金屬氫化物中的一種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料，其特征在于金屬氫合物MHn變質(zhì)劑的分子晶體聚集態(tài)顆粒度為20 325目。
5.—種如權(quán)利要求1 4所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法的制備方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一在上述元素比例范圍內(nèi)，選定一組元素和金屬氫合物MHn變質(zhì)劑比例，再根據(jù)需要配制的合金總量，推算出所需的每種單質(zhì)金屬的質(zhì)量，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足備料； 步驟二 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全融化并在700 80(TC下保溫；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成； 步驟三再按配方比例先加入步驟一選定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔體攪拌均勻； 步驟四然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉；往合金熔體中加入精煉劑，并攪拌均勻，熔體精煉在封閉環(huán)境中操作； 步驟五精煉除渣后，以保護性氣體對熔體進行除氣作業(yè)，同時使金屬氫合物MHn變質(zhì)劑以流態(tài)化方式隨保護性氣體加入到合金熔體中；同時進行攪拌，使變質(zhì)劑與合金熔體充分反應(yīng)；變質(zhì)劑加入完畢，繼續(xù)通入保護性氣體至變質(zhì)劑反應(yīng)完畢； 步驟六靜置、調(diào)溫至700 80(TC，合金液傾倒出爐，進入下一工序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料的制備方法，其特征在于在步驟五中，保護性氣體是指氮氣、氬氣或氮氣與氬氣的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法，按重量百分比計，該合金成分為Cu≤2.0%，Mn≤0.7%，Mg1.0~3.0%，Cr≤0.3%，Zn3.0~7.0%，Ti≤0.1%，氫合物MHn變質(zhì)劑為爐料總量的1ppm～1.0%，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)，且雜質(zhì)元素含量為單個≤0.03%，合計≤0.15%。本發(fā)明金屬氫合物變質(zhì)的高性能鋁合金具有更細小的晶粒結(jié)構(gòu)和更高的純凈度。
文檔編號C22C21/06GK103060637SQ20111032438
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月23日
發(fā)明者門三泉, 車云, 張中可 申請人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司