專利名稱：一種鋅-鈦中間合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬合金材料的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋅-鈦中間合金的制備方 法，用該方法制備的鋅-鈦中間合金可用于細(xì)化鋅-鋁合金的晶粒組織。
背景技術(shù)：
含鋁大于5wt. %的高鋁鋅_鋁合金(以下稱為鋅_鋁合金)具有優(yōu)良的力學(xué)及 加工性能，存在廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但是鋅_鋁合金在凝固過(guò)程中容易生成發(fā)達(dá)的初生 a -A1樹枝晶，導(dǎo)致縮孔、縮松及晶內(nèi)成分偏析缺陷，帶來(lái)力學(xué)性能的下降和產(chǎn)品潛在的老 化危險(xiǎn)。為了克服以上問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中需要向鋅-鋁合金中添加晶粒細(xì)化劑以細(xì)化晶粒。 向鋅_鋁合金中添加鋅_鈦中間合金已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有很好的晶粒細(xì)化作用。目前常見的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的鋅-鈦合金的制備方法是將純鈦加入到鋅液中保溫反應(yīng) 熔煉得到。由于純鋅的熔點(diǎn)較低(419. 5°C)，在空氣中熔煉溫度過(guò)高時(shí)易氧化、燃燒，超過(guò) 900°C時(shí)又會(huì)氣化，而純鈦的熔點(diǎn)高達(dá)1662°C，為使純鈦在鋅液中充分和完全地溶解，需要 將加入純鈦的鋅液在750°C以下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫。例如專利號(hào)為97109545. 0的中國(guó)專利所 引述的其它文獻(xiàn)制備鋅-鈦合金的方法是將純鈦加入700-750°C的鋅液保溫反應(yīng)6小時(shí) 可制備出Zn-2wt. % Ti合金，而同樣方法制備Zn-5wt. % Ti則需要反應(yīng)9小時(shí)。專利號(hào)為 97109545. 0的中國(guó)專利報(bào)導(dǎo)的制備鋅-鈦合金的方法是將海綿鈦加入到500-750°C的鋅 熔體中保溫反應(yīng)0. 5-6小時(shí)，能制備含鈦0. 005-5wt. %的鋅-鈦合金。此方法的缺點(diǎn)是不 能制備含鈦量大于5wt. %的鋅-鈦合金；在較長(zhǎng)的熔化反應(yīng)時(shí)間內(nèi)仍可能存在純鈦反應(yīng)不 完全的問(wèn)題制備含鈦為0. 5-2wt. %的鋅-鈦合金在反應(yīng)1小時(shí)以上時(shí)才能保證純鈦完全 反應(yīng)、而制備含鈦為3wt. %及以上的鋅-鈦合金在保溫反應(yīng)2小時(shí)的時(shí)候仍可能存在未反 應(yīng)的純鈦(見該專利文獻(xiàn)之說(shuō)明書表1)。鋅-鈦合金的制備過(guò)程中若長(zhǎng)時(shí)間保溫反應(yīng)會(huì)帶來(lái)鋅的氧化損耗增加及生產(chǎn)周 期的大大延長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大大提高。若鋅_鈦合金中殘留有固體純鈦，添加到鋅_鋁 合金中進(jìn)行晶粒細(xì)化時(shí)純鈦會(huì)被轉(zhuǎn)移到鋅_鋁合金中，對(duì)鋅_鋁合金的力學(xué)等性能帶來(lái)不 利影響。用鋅-鈦合金細(xì)化鋅鋁合金的細(xì)化效果在其它條件相同的條件下主要依賴于通過(guò) 鋅_鈦合金添加的鈦量，因此，使用含鈦量相對(duì)較低的鋅_鈦合金進(jìn)行鋅_鋁合金的晶粒細(xì) 化會(huì)使鋅_鈦合金添加量增大，導(dǎo)致成本增加；同時(shí)，鋅-鈦合金添加量較多時(shí)會(huì)較大地改 變被細(xì)化的鋅_鋁合金的成分比例，有可能帶來(lái)鋅_鋁合金某些性能的改變，這是實(shí)際生產(chǎn) 中所不允許的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述目前制備鋅-鈦合金所需反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、及所制備 鋅_鈦合金含鈦量低的問(wèn)題，提供一種短時(shí)間內(nèi)制備高含鈦量的鋅_鈦合金的方法。本發(fā)明是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明公開了一種鋅_鈦中間合金的制備方法，其特征是采用以下步驟
(1)按下列質(zhì)量比例準(zhǔn)備原料純鈦，2-10% ；其余為純鋅錠；(2)將純鋅錠用感應(yīng)電爐在坩堝內(nèi)熔化至700-750°C，然后迅速提高感應(yīng)爐的功 率，并將占原料總質(zhì)量0. 3-1. 5%的純鈦用鐘罩壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱0. 5-5分 鐘；感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi)保持在720-800°C并將純鈦完全熔入鋅 液中為宜；(3)接著將剩余的純鈦分一至三次用鐘罩壓入上述金屬液內(nèi)部，壓入過(guò)程中及壓 入后保持加熱，但要保持感應(yīng)爐合適的功率，使金屬液的溫度保持在750-880°C ；全部純鈦 壓入鋅液后再繼續(xù)加熱1-10分鐘，使純鈦全部熔解入鋅液中；(4)然后停止加熱，合金液自然降溫至660-750°C之后加入除渣劑，并用碳棒進(jìn)行 攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦成分在合金液中混合均勻，去除浮渣后將合金液澆注入鑄模 中，凝固后即得到鋅-鈦中間合金。更優(yōu)選的，所述步驟(1)中純鈦的質(zhì)量百分比為5_10%。更優(yōu)選的，步驟(2)中，所述溫度保持在720-750°C。更優(yōu)選的，步驟(3)中，所述溫度保持在800-880°C ；繼續(xù)加熱時(shí)間為5_10分鐘。本發(fā)明制備鋅_鈦中間合金的方法采用先在相對(duì)較低溫度的鋅液中添加少量鈦 (1. 5wt. %以內(nèi))，然后迅速升高溫度并快速反應(yīng)的工藝。先添加的少量鈦熔解后很快有一 部分會(huì)偏析聚集到鋅液表面形成一定厚度的富鈦液層，對(duì)鋅液起到很好的保護(hù)作用，能夠 阻止鋅的氧化和燃燒。由于感應(yīng)電爐有很快的加熱速度，及純鈦與鋅液接觸后反應(yīng)也會(huì)迅 速釋放出熱量，所以純鈦加入鋅液后可在短時(shí)間內(nèi)很快升高到相對(duì)較高的溫度，這會(huì)使純 鈦在鋅液中迅速熔解。采用分批加入純鈦可以防止因一次加入鈦過(guò)多導(dǎo)致熔體局部放熱太 多引起金屬液溫度太高產(chǎn)生鋅的燃燒和氣化問(wèn)題。本專利所給工藝可在不到20分鐘的熔 化時(shí)間內(nèi)制備含鈦量高達(dá)10wt. %的鋅-鈦合金，且反應(yīng)完全，不會(huì)殘留未反應(yīng)的純鈦。由 于時(shí)間較短，大大減少了鋅的氧化損耗。本方法不需要復(fù)雜的設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短， 適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。通過(guò)以上制備方法所得鋅-鈦中間合金中含有Zn3Ti、Zn16Ti及Zn5Ti、Zn7Ti、Zn8Ti 化合物，可用于細(xì)化含鋁5_50wt. %的鋅-鋁合金中的a-Al晶粒。將該中間合金加入到待 細(xì)化的鋅-鋁合金液中后，其中的純鋅及部分鋅鈦化合物會(huì)在1-30分鐘內(nèi)熔化并釋放出以 溶質(zhì)形式存在的鈦元素，這些鈦元素及部分可能未熔化的鋅鈦化合物會(huì)在鋅-鋁合金凝固 過(guò)程中起到細(xì)化a-Al晶粒的作用。


圖1為未細(xì)化Zn-25wt. % A1合金的光學(xué)顯鏡組織。圖2為添加0. 5%的Zn-6% Ti中間合金進(jìn)行細(xì)化后Zn-25wt. % A1合金的光學(xué)顯 微鏡組織。圖1和圖2中發(fā)亮的區(qū)域?yàn)閍-Al晶粒。除了未添加和添加鋅-鈦中間合金的區(qū) 別之外，獲得圖1和圖2中的組織的其余條件完全相同。
具體實(shí)施例方式下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例
實(shí)施例1按下列質(zhì)量比例配料94%純鋅，6%純鈦；用中頻感應(yīng)電爐在石墨粘土坩堝內(nèi)將 純鋅熔化至740°C左右，然后迅速提高感應(yīng)爐的功率，并將占原料總質(zhì)量1. 5%的純鈦用鐘 罩壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱4分鐘。感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi) 迅速升高至780°C并將純鈦完全熔入鋅液中為宜。接著，將剩余純鈦分兩批(分別為2%， 2. 5% )用鐘罩壓入合金液，壓入純鈦過(guò)程中及壓入后的6分鐘內(nèi)保持合適的感應(yīng)爐功率， 控制熔體溫度在840°C左右。在上述加熱時(shí)間內(nèi)純鈦全部熔解后停止加熱，讓合金液溫度 自然下降到670-720°C，加入除渣劑，并用碳棒進(jìn)行攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦組元在合 金液中混合均勻，去掉浮渣后將合金液澆注入鑄模中，冷卻后即得Zn-6wt. % Ti中間合金。 用X射線衍射及掃描電鏡分析表明該Zn-6wt. % Ti中間合金中沒(méi)有未反應(yīng)的純鈦、鈦的氧 化物或鋅的氧化物，主要物相為 Zn、Zn16Ti、Zn1(1Ti、Zn8Ti、Zn7Ti、Zn3Ti、Zn5Ti。上述所得Zn-6wt. % Ti中間合金以0. 5wt. %的添加量加入到570 V的 Zn-25wt. % A1合金中保溫10分鐘，然后對(duì)合金液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，再澆注入鐵模中冷卻，可 將Zn-25wt. % A1的a -A1相由包含大量二次(甚至三次)枝晶、總長(zhǎng)度可達(dá)300微米以上 的發(fā)達(dá)樹枝晶(見圖1)細(xì)化為直徑在30-80微米、均勻分布的等軸晶粒和不含二次枝晶的 花瓣?duì)罹Я?見圖2)。實(shí)施例2按下列質(zhì)量比例配料97%純鋅，3%純鈦；用中頻感應(yīng)電爐在石墨粘土坩堝內(nèi)將 純鋅熔化至730°C左右，然后迅速提高感應(yīng)爐的功率，并將占原料總質(zhì)量的純鈦用鐘罩 壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱5分鐘。感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi)迅 速升高至760°C左右并將純鈦完全熔入鋅液中為宜。接著，將剩余純鈦用鐘罩壓入其中，壓 入純鈦過(guò)程中及壓入后的5分鐘內(nèi)保持合適的感應(yīng)爐功率，控制熔體溫度在810°C左右。在 上述加熱時(shí)間內(nèi)純鈦全部熔解后停止加熱，讓合金液溫度自然下降到660-690°C，加入除渣 劑，并用碳棒進(jìn)行攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦兩種成分在合金液中混合均勻，去掉浮渣后 將合金液澆注入鑄模中，冷卻后即得Zn-3wt. % Ti中間合金。用X射線衍射及掃描電鏡分 析表明該Zn-3wt. % Ti中間合金中沒(méi)有未反應(yīng)的純鈦、鈦的氧化物或鋅的氧化物，所含主 要物相是Zn、Zn16Ti。上述所得Zn-3wt. % Ti中間合金與實(shí)施例1中所得Zn-6wt. % Ti中間合金以相 等的鈦量加入Zn-25wt. % A1合金中，可達(dá)到相同的晶粒細(xì)化效果。實(shí)施例3按下列質(zhì)量比例配料90%純鋅，10%純鈦；用中頻感應(yīng)電爐在石墨粘土坩堝內(nèi) 將純鋅熔化至740°C左右，然后迅速提高感應(yīng)爐的功率，并將占原料總質(zhì)量的純鈦用鐘 罩壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱4分鐘。感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi) 迅速升高至780°C左右并將純鈦完全熔入鋅液中為宜。接著，將剩余純鈦分三批(分別為 2%, 3%,4% )用鐘罩壓入合金液，壓入純鈦過(guò)程中及壓入后的10分鐘內(nèi)保持合適的感應(yīng) 爐功率，控制熔體溫度在850°C左右。在上述加熱時(shí)間內(nèi)純鈦全部熔解后停止加熱，讓合金 液溫度自然下降到690-750°C，加入除渣劑，并用碳棒進(jìn)行攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦兩 種成分在合金液中混合均勻，去掉浮渣后將合金液澆注入鑄模中，冷卻后即得Zn-lOwt. % Ti中間合金。用X射線衍射及掃描電鏡分析表明該Zn-lOwt. % Ti中間合金中沒(méi)有未反應(yīng)的純鈦、鈦的氧化物或鋅的氧化物，所含主要物相是Zn、Zn3Ti、Zn5Ti、Zn16Ti、Zn1(1Ti、Zn8Ti、 Zn7Ti。上述所得Zn-lOwt. % Ti中間合金與實(shí)施例1中所得Zn-6wt. % Ti中間合金以相 等的鈦量加入Zn-25wt. % A1合金中，可達(dá)到相同的晶粒細(xì)化效果。實(shí)施例4按下列質(zhì)量比例配料92%純鋅，8%純鈦；用中頻感應(yīng)電爐在石墨粘土坩堝內(nèi)將 純鋅熔化至720°C左右，然后迅速提高感應(yīng)爐的功率，并將占原料總質(zhì)量0.4%的純鈦用鐘 罩壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱2分鐘。感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi) 迅速升高至750°C并將純鈦完全熔入鋅液中為宜。接著，將剩余純鈦分三批(分別為1. 5%, 2.5%,3.6% )用鐘罩壓入合金液，壓入純鈦過(guò)程中及壓入后的10分鐘內(nèi)保持合適的感應(yīng) 爐功率，控制熔體溫度在840°C左右。在上述加熱時(shí)間內(nèi)純鈦全部熔解后停止加熱，讓合 金液溫度自然下降到680-730°C，加入除渣劑，并用碳棒進(jìn)行攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦 兩種成分在合金液中混合均勻，去掉浮渣后將合金液澆注入鑄模中，冷卻后即得Zn-8wt. % Ti中間合金。用X射線衍射及掃描電鏡分析表明該Zn-8wt. % Ti中間合金中沒(méi)有未反應(yīng) 的純鈦、鈦的氧化物或鋅的氧化物，所含主要物相是Zn、Zn3Ti、Zn5Ti、Zn8Ti、Zn1(1Ti、Zn7Ti、 Zn16Ti 0上述所得Zn-8wt. % Ti中間合金與實(shí)施例1中所得Zn-6wt. % Ti中間合金以相 等的鈦量加入Zn-25wt. % A1合金中，可達(dá)到相同的晶粒細(xì)化效果。
權(quán)利要求
一種鋅 鈦中間合金的制備方法，其特征是采用以下步驟(1)按下列質(zhì)量比例準(zhǔn)備原料純鈦，2 10％；其余為純鋅錠；(2)將純鋅錠用感應(yīng)電爐在坩堝內(nèi)熔化至700 750℃，然后迅速提高感應(yīng)爐的功率，并將占原料總質(zhì)量0.3 1.5％的純鈦用鐘罩壓入純鋅熔體中，繼續(xù)保持加熱0.5 5分鐘；感應(yīng)爐的功率大小以將熔體溫度在上述時(shí)間內(nèi)溫度保持在720 800℃并將純鈦完全熔入鋅液中為宜；(3)接著將剩余的純鈦分一至三次用鐘罩壓入上述金屬液內(nèi)部，壓入過(guò)程中及壓入后保持加熱，但要保持感應(yīng)爐合適的功率，使金屬液的溫度保持在750 880℃；全部純鈦壓入鋅液后再繼續(xù)加熱1 10分鐘，使純鈦全部熔解入鋅液中；(4)然后停止加熱，合金液自然降溫至660 750℃之后加入除渣劑，并用碳棒進(jìn)行攪拌，在除渣的同時(shí)使鋅與鈦成分在合金液中混合均勻，去掉浮渣后將合金液澆注入鑄模中，凝固后即得到鋅 鈦中間合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中，所述純鈦的質(zhì)量百分比 為 5-10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中，所述溫度保持在 720-7501。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中，所述溫度保持在 800-880°C ；繼續(xù)加熱時(shí)間為5-10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋅-鈦中間合金的制備方法，用該方法制備的鋅-鈦中間合金可用于細(xì)化鋅-鋁合金的晶粒組織。制備方法為將純鋅錠用感應(yīng)電爐在坩堝內(nèi)熔化至700-750℃，將占原料總質(zhì)量0.3-1.5％的純鈦用鐘罩壓入純鋅熔體中，溫度保持在720-800℃；接著將剩余的純鈦分一至三次用鐘罩壓入上述金屬液內(nèi)部，溫度保持在750-880℃；自然降溫至660-750℃之后加入除渣劑，將合金液澆注入鑄模中，凝固后即得到鋅-鈦中間合金。本發(fā)明的制備方法，可制備高含鈦量(10wt.％)的鋅-鈦合金，時(shí)間大大縮短，大大減少了鋅的氧化及蒸發(fā)導(dǎo)致的損耗，不需要復(fù)雜的設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。
文檔編號(hào)C22C18/00GK101892404SQ20101020411
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者左興華, 王振卿 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)