專(zhuān)利名稱(chēng)：羰合物M(CO)₆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