[发明专利]铌钛碳复合铝合金变质剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种铌钛碳复合铝合金变质剂及其制备方法。

背景技术

铝合金是应用量最大的金属材料之一，其应用量仅低于钢铁。对金属材料，组织细化是提高材料强度和塑性最有效的方法。与钢铁材料不同，铝合金因没有相变，不能通过热处理的方式细化组织，只能通过变质处理及热变形等手段细化组织。而铸造铝合金，变质处理就成为唯一细化组织、提高铸件性能的关键技术手段，而得到广泛的重视。在变质处理中，变质剂及工艺对组织细化都有显著的影响。目前，在铝合金变质中，应用最多是铝钛硼、铝锶变质剂等。最近、复合稀土、钛的碳化物、钒的碳化物等新的变质剂也开始应用。变质剂细化组织的关键是能够在液相中稳定存在，且界面能够作为异质形核的核心促进形核，细化组织。影响变质效果的另一个因素是变质及铸造工艺。常用的铝钛硼变质剂对冷却速度比较敏感，随冷却速度的降低，其组织明显粗化，导致铸件不同部位因厚度不同而产生明显的组织差异。近来的研究表明，采用铝钛碳变质剂也具有良好的效果。

铝钛碳是利用钛、碳形成碳化钛，钛、铝形成铝三钛，而碳化钛和铝三钛均可以作为铝合金的核心，抑制碳化物的长大，获得更多细小的形核点是有效利用铝钛碳变质效果的关键。铌具有与钛相似的特性，也可以形成碳化铌及铝三铌，且钛和铌和相互替代，形成碳化钛铌和铝三钛铌。另外铌有更大的原子半径，在铝中的扩散更困难，能有效抑制碳化物及铝三钛铌的粗化，从而减少因铸件厚度不同，导致冷却速度不同对变质效果的影响。因此，制备并获得良好变质效果铌钛碳铝合金变质剂将成为细化铝合金铸态组织的关键。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供种一种铌钛碳复合铝合金变质剂及其制备方法，使铌、钛、碳具有合理的比例和结构，起到良好的铝合金变质效果，细化铝合金凝固组织。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种铌钛碳复合铝合金变质剂，以铌粉、钛粉、石墨粉为原料，所述的铌粉、钛粉的质量比为3:7～7:3；石墨粉与铌粉、钛粉总量的原子比为0.8:1～1:1，上述原料经球磨机械合金化形成铌钛碳复合粉体，其中包含70-80％的碳化钛铌的碳化物颗粒。

一种铌钛碳复合铝合金变质剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤A：以纯度均大于98.0％，其颗粒平均尺寸在300目～1000目之间的铌粉、钛粉、石墨粉为原料；

步骤B：球磨；

步骤B1：将铌粉、钛粉的质量比为3:7～7:3的混合物料球磨成铌钛合金粉体；

步骤B2：在步骤B1所得铌钛合金粉体中加入石墨粉，所述石墨粉与铌粉、钛粉总量的原子比为0.8:1～1:1，在氩气的纯度＞99.99％的保护下，进一步球磨使铌钛合金与石墨形成铌钛碳复合粉体，其中包含70-80％的碳化钛铌的碳化物颗粒。

本发明的上述制备方法的进一步改进在于：所述球磨步骤B1是将铌粉与一定比例的钛粉混合后装入球磨罐中，球磨罐中的氧化锆磨球与物料的质量比为15:1～40:1，球磨罐在氩气的纯度＞99.99％的保护下球磨，使铌粉与钛粉形成铌钛合金粉体。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

该发明采用机械合金化的方法，使铌钛首先形成合金，然后再与碳形成铌钛碳复合粉体，在复合颗粒中包含了一定量碳化钛铌晶核，且由于机械合金化的作用，铌钛碳复合颗粒中存在大量缺陷及高的机械能，在添加到高温液态铝合金中时，由于高温作用，铌、钛、碳能快速反应，在机械合金化形成碳化物晶核的基础上，生成细小碳化铌钛，并分散到铝合金液中。而少量铌、钛、碳溶入铝合金液在后续的过程中，沿碳化物析出有效促进铝合金凝固组织形核，细化凝固组织。

本发明的第一次球磨过程实现了铌粉、钛粉的破碎、磨细，同时使铌、钛颗粒内产生大量的空位和位错等缺陷，在铌粉和钛粉的碰撞过程中，不断细化产生大量的新鲜表面以及瞬间的温升促使铌、钛合金化。

本发明的第二次球磨过程中，已经机械合金化铌钛合金粉与碳粉在球磨机械能的作用下加速碳的向铌钛合金的扩散，形成铌钛碳复合粉体，并在碰撞温度的作用下，形成碳化物晶核，最终形成包含一定碳化物晶核的铌钛碳复合粉体的铝合金变质剂。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明的一种铌钛碳复合铝合金变质剂是以铌粉、钛粉和石墨为原料，所述铌粉、钛粉的质量比为3:7～7:3，石墨粉与铌粉、钛粉总量的原子比为0.8:1～1:1。这种铌钛碳复合铝合金变质由机械合金化方法制备。