CN107488794A - 一种铝‑钴‑钛‑碳中间合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝‑钴‑钛‑碳中间合金及其制备方法，其步骤是：首先将石墨粉与纯钴一起置于真空炉中加热至1200‑1500℃保温10‑30分钟后随炉冷却，得到含有粗大片状石墨的钴‑碳中间合金；随后将所得的钴‑碳中间合金进一步在高频炉中重熔加热并快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴‑碳中间合金；然后将工业纯铝置于中频感应炉中熔化至700‑800℃后加入纯钛，将熔体继续升温至900‑1300℃并加入制备好的钴‑碳中间合金，保温2‑15分钟后直接浇铸成锭或制成线材。利用该方法制备铝‑钴‑钛‑碳中间合金，制备过程无污染，碳的吸收率高，反应完全，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及一种能够细化的铝-钴-钛-碳中间合金及其制备方法。
背景技术
TiC是铝合金晶粒在凝固过程中优良的异质形核衬底，含有TiC的Al-Ti-C 中间合金被认为是当前广泛应用的Al-Ti-B 中间合金细化剂的理想替代者，它可以克服诸如TiB2粒子易团聚、细化效率低、细化效果易衰退等缺点。但是由于石墨与铝熔体的润湿性极差，合金化困难，长期以来在铝熔体中原位合成具有有效形核作用的TiC是一个技术难题，严重制约了Al-Ti-C中间合金的发展及其在铝合金细化工业中的广泛应用。直到1985 年，Banerji 和Reif等学者通过强烈搅拌方法制备出含有足量TiC且细化效果良好的Al-Ti-C中间合金，但是在高温下长时间强烈搅拌铝熔体使合金发生严重的氧化烧损并伴随生成大量的夹杂物，而且能耗增高，增加生产成本。专利号为98119378 的中国专利报道了一种铝-钛- 碳中间合金的生产方法，它将铝-钛合金熔化至1000-1200℃，加入活化剂，再加入石墨粉，从而在铝熔体中合成了大量TiC。该工艺的特点是先制备出铝-钛合金，然后再将之重熔，并需要加入活化剂，工艺也比较复杂，成本也较高。因此在生产中迫切需要发明一种新的制备方法，在制备Al-Ti-C中间合金的过程中提高碳的吸收率，并且工艺较简单适合工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生产成本低、工艺简便、适合工业化生产铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种铝-钴-钛-碳中间合金，以质量百分含量计，所述中间合金中的化学成分组成如下：
铝 81.00-95.40；
钴 2.00-10.00；
钛 2.50-8.00；
碳 0.10-1.00。
作为优选方案，所述中间合金中的化学成分组成如下：
铝 88.60-90.80；
钴 5.00-6.00；
钛 4.00-5.00；
碳 0.20-0.40。
上述铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先按以下质量百分比称取原料：0.50-10.00%的海绵钛、0.10-0.90%的石墨粉、0.50%-10.00%的纯钴、其余为纯铝；
（2）按配比将原料中的石墨粉与纯钴于真空炉中加热至1200-1500℃，保温10-30分钟后随炉冷却，得到含有片状石墨的钴-碳中间合金；
（3）将步骤（2）所得的钴-碳中间合金置于高频感应炉中加热至熔化，然后将其浇铸至金属模具中快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴-碳中间合金；
（4）按配比将原料纯铝置于中品感应炉中熔化至700-800℃后加入纯钛，随后将铝-钛熔体继续升温至900-1300℃；
（5）将步骤（3）中制备的钴-碳中间合金加入到步骤（4）的铝-钛合金熔体中，保温2-15分钟后直接浇铸成锭或制成线材。
作为优选方案，步骤（1）中，按以下质量百分比称取原料：4.00-5.00%的海绵钛、0.20-0.40%的石墨粉、5.00%-6.00%的纯钴、其余为纯铝。
作为优选方案，步骤（2）中，于真空炉中加热至1300-1400℃，保温20-25分钟。
与现有技术相比，本发明的优点是：
采用该方法制备铝-钴-钛-碳中间合金，在制备过程中由于钴-碳中间合金中的小石墨球表面洁净，尺寸小，与熔体具有良好的润湿性，且容易与溶解的钛快速反应形成大量的TiC，因此制备过程中碳的吸收率低，反应比较完全，反应过程容易调控，生产效率高，适合大规模生产和应用。
具体实施方式
本发明的作用原理是：
直接利用石墨粉作为碳源制备含有大量TiC的铝-钛-碳中间合金比较困难，而通过采用含有细小球状石墨的钴-碳中间合金作为碳源制备铝-钴-钛-碳中间合金，由于碳在钴熔体中具有较高的溶解度，制备出了含有大量碳的钴-碳中间合金，并进一步通过调控凝固过程使得碳的组织形态成小球状，再以钴-碳中间合金制备铝-钴-钛-碳中间合金细化剂。利用碳在钴合金熔体中较大的溶解度，制备出含有大量片状石墨的钴-碳合金，在通过快速冷缺的方法调控石墨在钴基体中的形态为小球状，再将含有大量小球形石墨的钴-碳合金加入到铝-钛熔体中，钴-碳合金能够迅速溶解并释放出球状石墨，由于该石墨尺寸小且表面洁净，与熔体的润湿性好，进而促进了与熔体中溶解钛的反应。
下面给出本发明的三个最佳实施例：
实施例1
（1）首先按以下质量百分比准备好所需要原料：2.5%的海绵钛、0.10%的石墨粉、2.00%的纯钴、余为纯铝；
（2）按配比将原料中的石墨粉与纯钴一起置于真空炉中加热至1250℃，保温10分钟后随炉冷却，得到含有片状石墨的钴-碳中间合金；
（3）将步骤（2）所得的钴-碳中间合金置于高频感应炉中加热至熔化，然后将其浇铸至金属模具中快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴-碳中间合金；
（4）按配比将原料纯铝置于中品感应炉中熔化至700℃后加入纯钛，随后将铝-钛熔体继续升温至900℃；
（5）将步骤（3）中制备好的钴-碳中间合金加入到铝-钛合金熔体中，保温2分钟后直接浇铸成锭或制成线材。
上述铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法，所述制备的铝-钴-钛-碳中间合金中的化学成分组成如下：
成分 质量百分含量
铝 95.40；
钴 2.00；
钛 2.50；
碳 0.10。
利用上述中间合金对工业纯铝（99.9%）进行晶粒细化，细化温度720~730℃，保温时间10分钟，中间合金添加量0.2%，采用KBI环形模具，细化后的α-Al平均晶粒尺寸为200~220μm。
实施例2
（1）首先按以下质量百分比准备好所需要原料：5.00%的海绵钛、0.25%的石墨粉、5.00%的纯钴、余为纯铝；
（2）按配比将原料中的石墨粉与纯钴一起置于真空炉中加热至1300℃，保温15分钟后随炉冷却，得到含有片状石墨的钴-碳中间合金；
（3）将步骤（2）所得的钴-碳中间合金置于高频感应炉中加热至熔化，然后将其浇铸至金属模具中快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴-碳中间合金；
（4）按配比将原料纯铝置于中品感应炉中熔化至750℃后加入纯钛，随后将铝-钛熔体继续升温至1000℃；
（5）将步骤（3）中制备好的钴-碳中间合金加入到铝-钛合金熔体中，保温3分钟后直接浇铸成锭或制成线材。
上述铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法，所述制备的铝-钴-钛-碳中间合金中的化学成分组成如下：
成分 质量百分含量
铝 89.75；
钴 5.00；
钛 5.00；
碳 0.25。
利用上述中间合金对工业纯铝（99.9%）进行晶粒细化，细化温度720~730℃，保温时间10分钟，中间合金添加量0.2%，采用KBI环形模具，细化后的α-Al平均晶粒尺寸为180~200μm。
实施例3
（1）首先按以下质量百分比准备好所需要原料：8.00%的海绵钛、1.00%的石墨粉、10.00%的纯钴、余为纯铝；
（2）按配比将原料中的石墨粉与纯钴一起置于真空炉中加热至1500℃，保温20分钟后随炉冷却，得到含有片状石墨的钴-碳中间合金；
（3）将步骤（2）所得的钴-碳中间合金置于高频感应炉中加热至熔化，然后将其浇铸至金属模具中快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴-碳中间合金；
（4）按配比将原料纯铝置于中品感应炉中熔化至800℃后加入纯钛，随后将铝-钛熔体继续升温至1300℃；
（5）将步骤（3）中制备好的钴-碳中间合金加入到铝-钛合金熔体中，保温5分钟后直接浇铸成锭或制成线材。
上述铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法，所述制备的铝-钴-钛-碳中间合金中的化学成分组成如下：
成分 质量百分含量
铝 81.00；
钴 10.00；
钛 8.00；
碳 1.00。
利用上述中间合金对工业纯铝（99.9%）进行晶粒细化，细化温度720~730℃，保温时间10分钟，中间合金添加量0.2%，采用KBI环形模具，细化后的α-Al平均晶粒尺寸为160~180μm。
Claims (5)
1.一种铝-钴-钛-碳中间合金，其特征在于，以质量百分含量计，其化学成分组成如下：
铝 81.00-95.40；
钴 2.00-10.00；
钛 2.50-8.00；
碳 0.10-1.00。
2.一种铝-钴-钛-碳中间合金，其特征在于，以质量百分含量计，其化学成分组成如下：
铝 88.60-90.80；
钴 5.00-6.00；
钛 4.00-5.00；
碳 0.20-0.40。
3.如权利要求1或2所述的铝-钴-钛-碳中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先按以下质量百分比称取原料：0.50-10.00%的海绵钛、0.10-0.90%的石墨粉、0.50%-10.00%的纯钴、其余为纯铝；
按配比将原料中的石墨粉与纯钴于真空炉中加热至1200-1500℃，保温10-30分钟后随炉冷却，得到含有片状石墨的钴-碳中间合金；
将步骤（2）所得的钴-碳中间合金置于高频感应炉中加热至熔化，然后将其浇铸至金属模具中快速冷却，得到含有细小球状石墨的钴-碳中间合金；
按配比将原料纯铝置于中品感应炉中熔化至700-800℃后加入纯钛，随后将铝-钛熔体继续升温至900-1300℃；
将步骤（3）中制备的钴-碳中间合金加入到步骤（4）的铝-钛合金熔体中，保温2-15分钟后直接浇铸成锭或制成线材。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，按以下质量百分比称取原料：4.00-5.00%的海绵钛、0.20-0.40%的石墨粉、5.00%-6.00%的纯钴、其余为纯铝。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，于真空炉中加热至1300-1400℃，保温20-25分钟。
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