專(zhuān)利名稱(chēng):羰合物M(CO)<sub>6</sub>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,特別涉及一種羰合物M(CO)6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(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo),有時(shí)甚至是顛覆性的。能夠產(chǎn)生變質(zhì)作用的物質(zhì)稱(chēng)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(shí)把中間合金加入熔體中。這一過(guò)程產(chǎn)生了兩個(gè)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(shí)加入中間合金,“溶解”并“稀釋”變
質(zhì)元素,再鑄造。對(duì)鋁合金生產(chǎn)來(lái)說(shuō),上述過(guò)程相當(dāng)于多了一個(gè)“熔煉-鑄造”環(huán)節(jié),而中間合金中大量的鋁只起到儲(chǔ)存變質(zhì)元素的作用,其所消耗的能量完全是無(wú)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(xiàn)材和鋁-稀土(RE)中間合金。隨著研究的深入,越來(lái)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(lái)越多的中間合金。對(duì)于鋁合金冶煉工廠(chǎng)來(lái)說(shuō),為了專(zhuān)注于終端合金產(chǎn)品的生產(chǎn),沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)投資建中間合金生產(chǎn)線(xiàn),而寧愿從市場(chǎng)采購(gòu)中間合金。于是就有了專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)鋁中間合金的工廠(chǎng),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(dá)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(diǎn)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(qiáng)而有力的吸附鍵。這些限制條件,好象是專(zhuān)門(mén)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(shí),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(shí),高熔點(diǎn)元素、難溶解元素與鋁發(fā)生合金化的過(guò)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(duì)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(guò)限制范圍;同時(shí),微觀(guān)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(tuán)塊狀態(tài),在熔融鋁的溫度下(< 800°C )根本無(wú)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(jìn)去就怎么存在,變質(zhì)作用因而大打折扣。在實(shí)際生產(chǎn)中,經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)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(dòng)范圍大,不容易精確掌握添加量,同時(shí)在制造高溫元素的鋁中間合金過(guò)程中極容易混入有害元素,對(duì)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(wèn)題是,針對(duì)目前鋁合金變質(zhì)劑和變質(zhì)機(jī)理存在的缺陷,以羰合物M(CO)6分子晶體細(xì)粉作為高效變質(zhì)劑,以流態(tài)化方式隨保護(hù)性氣體加入到合金熔體中,通過(guò)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,同時(shí)產(chǎn)生CO-自由基,可吸收和去除熔體中H和O等有害雜質(zhì)元素,達(dá)到高效、均勻變質(zhì)和凈化熔體的目的,實(shí)現(xiàn)基體和金屬化合物相的晶粒細(xì)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,本發(fā)明的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,按重量百分比計(jì),該合金成分為 Be ·.( 8ppm, Cu 0. 005 O. 2%,Mn :彡 O. 05%,Mg :彡 O. 05%,Cr O. 01 %, Ni O. 01 %, Zn O.1 %, Ti O. 06%, Ca 0.03%, V 0.05%, B (O. 05%,羰合物M(CO)6變質(zhì)劑為總量的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(gè)< O. 03%,合計(jì)< O. 15%。本發(fā)明所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,Si,Fe元素含量滿(mǎn)足Si
O.003 O. 35%, Fe 0. 003 O. 65%。本發(fā)明所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,羰物變質(zhì)劑是指幾種過(guò)渡金屬元素與羰基CO形成分子式為M(CO)6的金屬羰基化合物,其中M為V、Cr、Mo或W,羰物變質(zhì)劑為一種或兩種上羰合物的混合物。本發(fā)明所述的羰合物M (CO) 6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,羰合物M (CO) 6變質(zhì)劑的分子晶體聚集態(tài)顆粒度為20 325目。本發(fā)明所述的羰合 物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料的制備方法,包括如下步驟步驟一在上述元素比例范圍內(nèi),選定一組元素和羰合物M (CO) 6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(guò)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(duì)上述合金熔體進(jìn)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(hù)性氣體對(duì)熔體進(jìn)行除氣作業(yè),同時(shí)使羰合物“0))6變質(zhì)劑以流態(tài)化方式隨保護(hù)性氣體加入到合金熔體中;同時(shí)進(jìn)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(hù)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(jìn)入下一工序。本發(fā)明所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)分子團(tuán)簇變質(zhì)的高性能鋁合金材料的制備方法,在步驟五中,保護(hù)性氣體是指氮?dú)?、氬氣或氮?dú)馀c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(diǎn)1、找到了一種新的高效變質(zhì)劑羰合物M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑,改變了傳統(tǒng)鋁合金變質(zhì)劑的變質(zhì)機(jī)理。2、羰合物M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑以保護(hù)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,而且分子分解出的羰基自由基CO-能夠吸收熔體中的H、0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(jī)結(jié)合在一起。4、有效細(xì)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(qiáng)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(xiàn),節(jié)能降耗,降低綜合成本具體說(shuō)來(lái),本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)。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)明采用羰合物M(CO)6分子晶體粉狀變質(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M(V、Cr、Mo、W)和強(qiáng)吸附H、0的活潑自由基CO-,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(diǎn)應(yīng)比鋁的高”的傳統(tǒng)要求限制羰合物M(CO)6分子 晶體粉狀變質(zhì)劑是以流態(tài)化方式隨保護(hù)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(hù)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(diǎn),或者即使達(dá)到熔點(diǎn),仍然穩(wěn)定分布在保護(hù)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M(CO)6分子晶體在熔體中與鋁產(chǎn)生的是較合金化反應(yīng)更強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng),分子晶體高溫分解釋放出原子態(tài)的合金化元素和羰基自由基CO-,具有微觀(guān)皮米級(jí)(Pm)的種子作用范圍,達(dá)到在加入純金屬或中間合金時(shí)無(wú)法達(dá)到的微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和納米級(jí)(rim)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)羰合物M(CO)6分子晶體在高溫分解時(shí)以梯級(jí)式分解,其微觀(guān)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(guān)性能基礎(chǔ)。三是M(CO)6分子晶體能以磁性突變影響合金性質(zhì)。4、擴(kuò)展了 “與被處理的熔體原子形成強(qiáng)而有力的吸附鍵”的范圍和強(qiáng)度M(CO)6*子晶體分解釋放的是M金屬原子和羰基自由基C0-,M原子的原子化焓與能夠調(diào)整鋁及其它合金元素的原子化焓,同時(shí)原子具有Pm nm級(jí)之間的細(xì)微尺寸,對(duì)鋁熔體的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始的“編程”作用;而羰基自由基CO-在高溫下以氣態(tài)形式與擾動(dòng)的鋁熔體充分接觸,便于捕獲熔體中溶解的大量H、0等有害元素,生成的CO2或有機(jī)化合物以氣態(tài)形式離開(kāi)熔體排向煙氣收集系統(tǒng),從而使熔體得到凈化。5、能夠充分發(fā)揮變質(zhì)作用,提高合金性能和質(zhì)量穩(wěn)定性
本發(fā)明由于解決了 M(CO)6分子晶體“保護(hù)加入而不要求熔點(diǎn)高于熔體”、“發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而不污染熔體”、“釋放原子級(jí)變質(zhì)元素而不產(chǎn)生偏聚”、“在變質(zhì)的同時(shí)對(duì)合金熔體凈化”等合金冶金工藝上的重大難題,使熔體變質(zhì)效果大大提高,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金的高效變質(zhì);特別是對(duì)于要求力學(xué)性能高的鋁合金具有更大意義。一是M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑用量少,變質(zhì)效果高,過(guò)量和不足的表現(xiàn)特征明顯,從而容易精確掌握用量。二是不使用鋁中間合金的形式,避免了無(wú)謂的浪費(fèi),減少了冶煉環(huán)節(jié)。三是M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑容易純化,包裝、運(yùn)輸、保存過(guò)程中不易污染和變質(zhì),使用方便。四是比較鋁中間合金,M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑生產(chǎn)線(xiàn)工裝簡(jiǎn)易、投資低,鋁合金制造廠(chǎng)商完全可以投資自建生產(chǎn)線(xiàn)。五是采用M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑替代鋁中間合金,可以促進(jìn)鋁產(chǎn)業(yè)與煤化工和精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的結(jié)合,有利于促進(jìn)鋁合金和鋁冶煉產(chǎn)業(yè)向集約化、循環(huán)型發(fā)展,提高產(chǎn)業(yè)品質(zhì)。
具體實(shí)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
1.一種羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,其特征在于按重量百分比計(jì),該合金成分為 Be: ( 8ppm, Cu:O. 005 O. 2%, Mn:彡 O. 05%, Mg:彡 O. 05%, Cr:彡 O. 01%,N1: ^ O. 01%, Zn:彡 O. 1%,T1:彡 O. 06%, Ca:彡 O. 03%, V: ^ O. 05%, B:彡 O. 05%,羰合物M(CO)6變質(zhì)劑為總量的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(gè)彡O. 03%,合計(jì)彡O. 15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,其特征在于S1、Fe元素含量滿(mǎn)足Si 0. 003 O. 35%, Fe 0. 003 O. 65%。
3.根合據(jù)權(quán)利要求1所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,其特征在于羰物變質(zhì)劑是指幾種過(guò)渡金屬元素與羰基CO形成分子式為M(CO) 6的金屬羰基化合物,其中M為V、Cr、Mo或W,羰物變質(zhì)劑為一種或兩種上羰合物的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料,其特征在于羰合物M(CO)6變質(zhì)劑的分子晶體聚集態(tài)顆粒度為20 325目。
5.一種如權(quán)利要求1 4所述的羰合物M (CO)6變質(zhì)的高性能鋁合金材料的制備方法,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),選定一組元素和羰合物M (CO) 6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(guò)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(duì)上述合金熔體進(jìn)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(hù)性氣體對(duì)熔體進(jìn)行除氣作業(yè),同時(shí)使羰合物M(CO)6變質(zhì)劑以流態(tài)化方式隨保護(hù)性氣體加入到合金熔體中;同時(shí)進(jìn)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(hù)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(jìn)入下一工序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的羰合物M(CO)6變質(zhì)分子團(tuán)簇變質(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(hù)性氣體是指氮?dú)?、氬氣或氮?dú)馀c氬氣的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種羰合物M(CO)6分子晶體變質(zhì)的高性能鋁合金材料及其制備方法,按重量百分比計(jì),該合金成分為Be:≤8ppm,Cu:0.005~0.2%,Mn:≤0.05%,Mg:≤0.05%,Cr:≤0.01%,Ni:≤0.01%,Zn:≤0.1%,Ti:≤0.06%,Ca:≤0.03%,V:≤0.05%,B:≤0.05%,Si0.003~0.35%,F(xiàn)e0.003~0.65%,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(gè)≤0.03%,合計(jì)≤0.15%;羰合物M(CO)6分子晶體變質(zhì)劑為爐料總量的1ppm~1.0%。本發(fā)明具有較一般鋁及鋁合金更細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)和更高的純凈度。
文檔編號(hào)C22C1/02GK103060620SQ20111032449
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者門(mén)三泉, 車(chē)云, 張中可 申請(qǐng)人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司