一种高端铝锆中间合金及产业化制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高端铝锆中间合金及产业化制备方法，该方法简单实用有利于产业化的实现，所制备的Al-Zr中间合金中锆的质量百分比为3～20％，合金中的第二相(Al3Zr)分布均匀、弥散，纯净度较高。制备工艺包括有原料的预处理和预制，铝锭熔化/铝液转入、含锆物质的加入，合金化精炼处理以及浇铸过程。即先将氟锆酸钾、海绵锆、锆合金边角废料、锆屑中的一种或几种按比例均匀混合，将铝锭投入电炉坩埚内熔化或使用铝液转运包向电炉内转入提前熔化的铝液，当铝液温度为700℃～900℃时，利用钟罩或加料机将配制的原材料加入熔体中合金化，反应过程中对熔体持续进行充分的搅拌和精炼处理，最后在700～1300℃时浇铸成锭，得到铝锆中间合金。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铝中间合金及制备方法，更特别地说，是指一种利用电炉产业化制备高端铝锆中间合金及制备工艺。
技术介绍
锆(Zr)是一种过渡族元素，是目前铝合金中十分重要的合金化元素之一。锆的主要作用是：1).能显著提高合金的焊接性能，在中、高强焊接铝合金中都含有锆，能提高固溶体的稳定性，使淬透性改善；2).可用作晶粒细化剂，有较好的晶粒细化作用；3).可提高某些铝合金的抗应力腐蚀性能；4).有抑制再结晶作用，使再结晶温度提高，从而提高了强度；5).对断裂韧性的提高也有一定的作用。目前，锆已在多个铝合金系中得到应用，如：Al-Cu系中的2219合金，Al-Li合金系中的8090、8091，Al-Mg-Si系中的6205合金，特别是在高强高韧Al-Zn-Mg-Cu合金系中的7050和7055用量较大，锆的加入量一般在0.06～0.25wt％之间。目前，铝合金中的锆主要是通过铝锆(Al-Zr)中间合金的形式加入。如：申请公布日2011.02.09，申请公布号CN101967573A，专利申请号201010543765.1，专利技术名称“一种利用锆屑和铝在低温下合金化制造铝锆中间合金的方法”。该中国专利申请报道了使用废锆屑和铝在低温下合金化，利用陶瓷过滤板过滤制备出的铝锆合金，但该合金熔炼温度较低，锆屑很难全部溶解在铝液内，锆屑实收率很低，且使用陶瓷过滤板过滤，由于铝锆中间合金具有铝液黏度大的特点，很难实现工业化生产。又如：申请公布日2013.03.27，申请公布号CN102994810A，专利申请号201110266696.9，专利技术名称“高纯铝锆中间合金的制备方法”。该中国专利报道了利用锆剂和高纯铝等制备高纯铝锆合金。该方法制备的合金使用锆剂，原料制备较为繁琐，成本较高。由于锆(Zr)和铝(Al)的密度相差较大(锆密度为6.51g/cm3，铝密度为2.7g/cm3)，且由于锆和铝的熔点差异较大(锆的熔点为1852℃，铝的熔点为660℃)，需要较高的温度才能使锆元素充分熔解。因此，Al-Zr中间合金的制备难度大，产品中常常出现成分均匀性较差，锆含量不均匀，显微组织中ZrAl3粒子呈针状分布且尺寸较大，氧化夹杂较多等问题，这严重影响了Al-Zr中间合金的最终使用效果。而铝合金特别是航空航天、高铁用铝合金对Al-Zr中间合金的质量要求日益提高，特别是对Al-Zr中间合金成分的均匀性，组织的均匀性和粒子形态尺寸也有了更加严格的要求。传统的Al-Zr中间合金已不满足高端用铝合金的性能需要。开发成分均匀稳定、偏析度小，纯净度高且具有细小均匀分布的ZrAl3粒子的高端Al-Zr中间合金，使其具有加入温度低，作用快、形成组织优良锆元素含量稳定等优点，满足未来铝合金新材料及高性能部件发展的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种高端铝锆中间合金，该铝锆中间合金中锆的质量百分比为3～20％，合金中的第二相(Al3Zr)分布均匀、弥散，纯净度较高，满足航空航天、高铁等高强韧铝合金材料的应用要求。本专利技术的目的之二是提出一种产业化制备铝合金用的锆元素添加的优质铝锆中间合金的方法，应用本专利技术的方法能够有效控制Al-Zr中间合金中锆元素的均匀性、纯净度和Al3Zr显微组织的分布。该Al-Zr中间合金使用方法简单、无污染、添加使用方便，在较短的时间内达到最佳的使用效果，特别是合金中细小、弥散的Al3Zr粒子有利于产品的高质量控制，满足性能优异铝合金特别是航空航天、高铁用等特种铝合金材料的生产需要。本专利技术的一种铝锆中间合金的产业化制备方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤A，配制铝原料；根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取铝料；所述的铝料可以是质量百分比纯度为99.7％的工业纯铝锭或铝块；步骤B，配制锆原料；根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取锆料；所述的锆料可以是氟锆酸钾(K2ZrF6)、海绵锆、锆合金边角废料、锆屑的一种或几种组合；步骤C，熔炼制铝液；通过A加料口将步骤A配制的铝料加入电炉中；并以升温速率为1～10度/分钟、升温至700～900度，在电炉中熔化成铝液；步骤D，除气精炼制铝液；在到达700～900度条件下，通过中空搅拌器的中部通孔向电炉中通入压力为0.1～0.5兆帕的氩气或者氮气；在搅拌速度为100～400转/分钟下，搅拌10～30分钟后，除去上部渣物，制得精制铝液；步骤E，熔炼制铝锆合金液；步骤E-1，通过A加料口将步骤B配制的锆料分批且间隔搅拌的条件下加入至步骤D制得的精制铝液中；首先，在700～1300度时，将一等分的锆料加入到步骤D制得的精制铝液中，在搅拌速度为50～300转/分钟下，搅拌3～10分钟后停止；然后，间隔1～15分钟后，将另一等分的锆料加入，在搅拌速度为50～300转/分钟下，搅拌3～10分钟后停止；然后，间隔1～15分钟后，将最后等分的锆料加入，在搅拌速度为50～300转/分钟下，搅拌3～10分钟后停止，降温至300～500度；步骤E-2，在到达700～1300度条件下，通过中空搅拌器的中部通孔向电炉中通入压力为0.1～0.5兆帕的氩气或者氮气；在速度为100～400转/分钟下，进行1次或多次除气10～60分钟后，除去上部渣物；步骤E-3，保持温度为700～1300度，精炼10～30分钟后制得铝锆合金液；步骤F，浇铸铝锆中间合金；将步骤E制得的精制铝锆合金液在700～1300度下，浇铸制得Al-Zr中间合金；浇铸时的模具温度控制在小于500度。一般浇铸1吨的Al-Zr中间合金不得大于120分钟。在本专利技术中，在步骤E中也可以加入精炼剂，所述精炼剂是冰晶石、氟化钙、氯化钠、氯化钾或者氟硅酸钠中的一种或几种组合。本专利技术制备Al-Zr中间合金方法的优点在于：①Al-Zr中间合金的成分精准，杂质含量低。②Al-Zr中间合金中的第二相Al3Zr相细小、弥散，添加后快速作用；Al3Zr相具有遗传性，在产品中形成良好的组织。③Al-Zr中间合金的满足含Zr高端铝合金组织、性能稳定提升的要求。④Al-Zr中间合金的添加方便、无污染。附图说明图1是本专利技术利用电炉制备Al-Zr中间合金的流程图。图2是本专利技术制备Al-Zr中间合金的改造后的电炉的炉体结构示意图。图2A是本专利技术制备Al-Zr中间合金的另一设备结构示意图。图3是另一种利用电炉制备Al-Zr中间合金的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝锆中间合金，是利用电炉制备得到，其特征在于：所述铝锆中间合金中Zr的质量百分比为3～20、Fe的质量百分比为0.01～0.3、Si的质量百分比为0.005～0.3、其他杂质的质量百分比为小于0.15和余量的Al。

【技术特征摘要】
1.一种铝锆中间合金，是利用电炉制备得到，其特征在于：所述铝锆中间
合金中Zr的质量百分比为3～20、Fe的质量百分比为0.01～0.3、Si的质量百分
比为0.005～0.3、其他杂质的质量百分比为小于0.15和余量的Al。
2.根据权利要求1所述的一种铝锆中间合金，其特征在于：铝锆中间合金
中的块状、细小初生ZrAl3相，平均尺寸在20～80微米，分布均匀弥散。
3.一种制备如权利要求1所述的高端铝锆中间合金的方法，其特征在于包
括有下列步骤：
步骤A，配制铝原料；
根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取铝料；所述的铝料可以是质量百
分比纯度为99.7％的工业纯铝锭或铝块；
步骤B，配制锆原料；
根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取锆料；所述的锆料可以是氟锆酸
钾、海绵锆、锆合金边角废料、锆屑的一种或几种组合；
步骤C，熔炼制铝液；
通过A加料口将步骤A配制的铝料加入电炉中；并以升温速率为1～10度/分
钟、升温至700～900度，在电炉中熔化成铝液；
步骤D，除气精炼制铝液；
在到达700～900度条件下，通过中空搅拌器的中部通孔向电炉中通入压力为
0.1～0.5兆帕的氩气或者氮气；在搅拌速度为100～400转/分钟下，搅拌10～30
分钟后，除去上部渣物，制得精制铝液；
步骤E，熔炼制铝锆合金液；
步骤E-1，通过A加料口将步骤B配制的锆料分批且间隔搅拌的条件下加入至
步骤D制得的精制铝液中；
首先，在700～1300度时，将一等分的锆料加入到步骤D制得的精制铝液中，
在搅拌速度为50～300转/分钟下，搅拌3～10分钟后停止；
然后，间隔1～15分钟后，将另一等分的锆料加入，在搅拌速度为50～300转
/分钟下，搅拌3～10分钟后停止；
然后，间隔1～15分钟后，将最后等分的锆料加入，在搅拌速度为50～300转
/分钟下，搅拌3～10分钟后停止，降温至300～500度；
步骤E-2，在到达700～1300度条件下，通过中空搅拌器的中部通孔向电炉中
通入压力为0.1～0.5兆帕的氩气或者氮气；在速度为100～400转/分钟下，进行
1次或多次除气10～60分钟后，除去上部渣物；
步骤E-3，保持精制温度为700～1300度，精炼10～30分钟后制得铝锆合金
液；
步骤F，浇铸铝锆中间合金；
将步骤E制得的精制铝锆合金液在700～1300度下，浇铸制得Al-Zr中间合金；
浇铸时的模具温度控制在小于500度。
4.一种制备如权利要求1所述的铝锆中间合金的方法，其特征在于包括有

\t下列步骤：
步骤A，配制铝原料；
根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取铝料；所述的铝料可以是质量百
分比纯度为99.7％的工业纯铝锭或铝块；
步骤B，配制锆原料；
根据所需制得的目标Al-Zr中间合金成分来选取锆料；所述的锆料可以是氟锆酸
钾、海绵锆、锆合金边角废料、锆屑的一种或几种组合；

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫涛，陈邵龙，刘飞，王文红，张静，时世佼，赵新彬，范建海，藏立国，
申请(专利权)人：河北四通新型金属材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13