專利名稱：Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法，同時涉及了 Zn-Al-Cr中間合金在Zn-Al合金晶粒細化中的應(yīng)用，屬于金屬合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含鋁量大于5wt. %的Zn-Al合金具有優(yōu)良的力學(xué)、鑄造工藝及機械加工工藝性能，市場應(yīng)用前景廣闊。然而這類合金在凝固過程中容易 生成發(fā)達的初生a-Al樹枝晶。對鋅-鋁合金中發(fā)達的a -Al樹枝晶進行控制以減小晶粒尺寸、減少枝晶分枝數(shù)目甚至使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽缂毣〉牡容S晶，會大大提高材料力學(xué)性能，同時也會減少組織中的縮孔、縮松及成分偏析等各種微結(jié)構(gòu)缺陷。故實際生產(chǎn)中通常向鋅-鋁合金中添加晶粒細化劑以細化a-Al晶粒組織。目前常用的鋅-鋁合金晶粒細化劑以鋁基中間合金(如Al-Ti、Al-Sr中間合金)、鹽類(如K2TiF6X稀土為常見，這些細化劑在實際使用過程中會出現(xiàn)很多問題稀土和鋁基中間合金熔化溫度大大高于鋅-鋁合金熔煉溫度，為使細化劑熔入鋅-鋁合金并分布均勻，細化時需要提高熔煉溫度或延長保溫時間，這會大大提高生產(chǎn)成本；鋅-鋁合金(特別是鋁含量較低時)加入鋁基中間合金細化劑之后鋁含量會產(chǎn)生較大的變化，進而可能會產(chǎn)生某些性能的改變；鹽類加入鋅-鋁熔體中后有效細化元素的吸收不穩(wěn)定，使加入量無法精確控制，且細化過程中會產(chǎn)生其它鹽類化合物，成為鋅-鋁合金中的夾雜物而惡化其力學(xué)性能。故鋅鋁合金的實際生產(chǎn)中需要加入與自身熔化溫度和化學(xué)成分相近的鋅-鋁基中間合金細化劑。目前已經(jīng)出現(xiàn)含有鈦元素的鋅-鋁基Zn-Al-Ti-B、Zn-Al-Ti中間合金，但這些中間合金仍然存在一些問題。如申請?zhí)枮?01110233071.2的中國發(fā)明專利給出了一種鋅-鋁-鈦-硼中間合金，可用于細化鋅-鋁合金中的初生a -Al晶粒，但此發(fā)明需要用氟鹽進行制備，制備過程中會釋放出有毒氣體或固體，污染環(huán)境且影響生產(chǎn)工人的身體健康，而且增加了廢棄物處理的生產(chǎn)工序，同時所制備的中間合金基體中可能會因清渣不完全而殘留固體氟鹽化合物，這樣的中間合金加入到待細化的鋅-鋁合金中后會降低其力學(xué)性能，或引發(fā)其它產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外，上述中間合金細化劑以含有鈦元素為主，而鋅鋁合金往往會含有Si、Pb、Fe、Mn、Cu等元素，有些元素會與細化劑中的Ti元素發(fā)生反應(yīng)而使細化劑的晶粒細化效果下降。如Si元素會在鋅-招合金熔體中與Ti元素或含Ti化合物反應(yīng)生成對細化無效的Ti-Al-Si三元化合物而使含鈦中間合金的晶粒細化效果下降甚至消失。因此，鋅-鋁合金的晶粒細化還需要不含鈦元素的細化劑，以適應(yīng)不同類型鋅-鋁合金的晶粒細化之需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種Zn-Al-Cr中間合金，該中間合金以鋅-鋁合金為基體，與鋅-鋁合金有相近的基體成分，相近的熔化溫度，加入到鋁含量高于5wt. %的鋅-鋁合金中后能夠在短時間內(nèi)迅速熔化釋放出鉻元素和含鉻固體粒子而使其中的初生a-Al晶粒在凝固過程中發(fā)生細化。本發(fā)明還提供了上述Zn-Al-Cr中間合金的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種Zn-Al-Cr中間合金，包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr 0. 01-16wt. % ；A1 :8-50wt. % ;余量為Zn。進一步的，Cr元素的存在形式為Zn、Al、Cr三種元素組成的三元化合物。進一步的，所述三元化合物包括Cr14 (Zn, Al) 86> Cr (Zn, Al) 7> Cr (Zn, Al) 4 或Cr (Zn，Al) 13中的一種或多種。 本發(fā)明還提供了 Zn-Al-Cr中間合金的制備方法，包括以下步驟
(1)稱取純鋁錠、純鉻和純鋅錠作為原料，備用；
(2)將50-90wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至900-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)3-20分鐘使之完全混熔后停止加熱；
(3)將剩余純鋁錠加入到上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使熔體溫度維持在800-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使熔體溫度維持在460-780°C ；
(5)將上述合金熔體進行充分攪拌，澆入鑄模，凝固后即得Zn-Al-Cr中間合金。優(yōu)選的,步驟(I)中純鉻的顆粒粒度為0. l-15mm。本發(fā)明還提供了 Zn-Al-Cr中間合金在鋅-鋁合金晶粒細化中的應(yīng)用。其優(yōu)選的應(yīng)用方法如下將Zn-Al-Cr中間合金加入到鋁含量高于5wt.%的鋅-鋁合金中用于細化其中的初生a -Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中間合金的加入量滿足Cr元素在細化后鋅-鋁合金中的含量為0. 01-0. 2wt%。采用本發(fā)明方法制備的Zn-Al-Cr中間合金中的鉻元素在鋅-鋁基體中主要以Cr14(Zn, AD86^Cr (Zn，Al) 7、Cr (Zn，Al)4或Cr (Zn，Al) 13等三元化合物形式存在。將中間合金加入到鋅-鋁合金熔體內(nèi)后，中間合金的鋅-鋁基體熔化并釋放出上述三元化合物固體粒子和部分Cr元素原子，在鋅-鋁合金凝固過程中使初生a-Al因形核數(shù)目大大增多從而產(chǎn)生高效的細化作用。由于中間合金與鋅-鋁合金有相近的熔化溫度，從而保證進行晶粒細化時中間合金加入到鋅-鋁合金中后能夠迅速熔化并均勻分布，以降低鋅-鋁合金熔煉溫度、減少熔煉、處理時間，從而大大降低生產(chǎn)成本。


圖I為未細化Zn-30A1合金在580°C澆注冷卻后的光學(xué)顯微鏡照片。圖2 為 Zn-30A1 合金在 580°C加入比例為 0. 5% 的 Zn_45wt. %Al_10wt. %Cr 中間合金并保溫15分鐘進行細化后的光學(xué)顯微鏡照片。圖I和圖2中發(fā)亮的晶粒組織為初生a -Al，兩圖中除了未添加和添加Zn-45wt. %Al-10wt. %Cr中間合金的區(qū)別之外,其余冷卻凝固和取樣條件完全相同。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明做進一步的闡述，需要說明的是，下述實施例僅是為了解釋本發(fā)明，并不對發(fā)明內(nèi)容進行限定。實施例I
Zn-45wt. %Al-10wt. %Cr中間合金的制備,其制備步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠45%、純鉻10%、純鋅錠45%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為7_ ；
(2)將70wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至1000-1200°C，將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)15分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余30wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在830-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在650-780°C ；
(5)將上述合金熔體進行充分攪拌使各組元混合均勻，澆入鑄模，凝固后即得Zn-45Al-10Cr 中間合金。上述Zn-45Al_10Cr中間合金對含鋁量5wt. %以上的鋅-鋁合金中的初生a -Al晶粒有較好的細化效果。將其以0. 5wt. %的比例加入到580°C的Zn-30A1合金熔體中保溫15分鐘后澆注，可使Zn-30A1合金凝固后的初生a -Al晶粒得到顯著的細化細化前初生a -Al樹枝晶分枝發(fā)達、尺寸較大且極不均勻(見附圖1)，細化后初生a -Al晶粒變?yōu)槌叽巛^小的花瓣狀或多面體粒子晶粒(見附圖2)。實施例2· Zn-35wt. %Al-5wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠35%、純鉻5%、純鋅錠60%，備用；其中，
純鉻的顆粒粒度平均為3mm ；
(2)將80wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至950-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)5分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余20wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在800-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在600-730°C ；
(5)將上述合金熔體進行充分攪拌使各組元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-35Al-5Cr中間合金。此中間合金與實施例I中的中間合金對鋅-鋁合金有類同的晶粒細化效果。實施例3
Zn-25wt. %Al-4wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠25%、純鉻4%、純鋅錠71%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為5_ ；
(2)將80wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至950-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)10分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余20wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在850-910°C ；(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率至合適大小，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在560-730°C ；
(5)將上述合金熔體進行充分攪拌使各組元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-25Al-4Cr中間合金。此中間合金與實施例I中的中間合金對鋅鋁合金有類同的晶粒細化效果。實施例4
Zn-lOwt. %Al-2wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠10%、純鉻2%、純鋅錠88%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為IOmm ； (2)將75wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至1000-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)15分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余25wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在850-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率至合適大小，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在500-700°C ；
(5)將上述合金熔體進行充分攪拌使各組元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-10Al-2Cr中間合金。此中間合金與實施例I中的中間合金對鋅鋁合金有類同的晶粒細化效果。
權(quán)利要求
1.一種Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr 0. 01-16wt. % ；A1 :8-50 wt. % ;余量為 Zn。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，Cr元素的存在形式為Zn、Al、Cr三種元素組成的三元化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，所述三元化合物包括Cr14(Zn, Al) 86、Cr (Zn, Al) 7、Cr (Zn, Al) 4 或 Cr (Zn, Al)13 中的一種或多種。
4.一種權(quán)利要求1-3中任一項所述的Zn-Al-Cr中間合金的制備方法,其特征在于,包括以下步驟 (1)稱取純鋁錠、純鉻和純鋅錠作為原料，備用； (2)將50-90wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至900-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)3-20分鐘使之完全混熔后停止加熱； (3)將剩余純鋁錠加入到上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使熔體溫度維持在800-910°C ； (4)將純鋅錠加入上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使熔體溫度維持在460-780°C ； (5)將上述合金熔體進行充分攪拌，澆入鑄模，凝固后即得Zn-Al-Cr中間合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中純鉻的顆粒粒度為0.l_15mm0
6.權(quán)利要求1-3中任一項所述的Zn-Al-Cr中間合金在鋅-鋁合金晶粒細化中的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于^fZn-Al-Cr中間合金加入到鋁含量高于5wt.%的鋅-鋁合金中用于細化其中的初生a-Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中間合金的加入量滿足Cr元素在細化后鋅-鋁合金中的含量為0. 01-0. 2wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法和應(yīng)用，所述的Zn-Al-Cr中間合金包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr0.01-16wt.%；Al8-50wt.%；余量為Zn；采用以下制備方法按配比稱取原料，取純鋁錠的50-90wt.%用感應(yīng)電爐熔化，后把純鉻分批加入到鋁熔體中，使之混熔后停止加熱；把鋅錠加入使之混溶，攪拌均有，澆鑄即得。本發(fā)明還涉及在鋅-鋁合金晶粒細化中的應(yīng)用。本發(fā)明還能降低鋅-鋁合金熔煉溫度、減少熔煉、處理時間，從而大大降低生產(chǎn)成本。
文檔編號C22C18/04GK102719706SQ20121022040
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者楊中喜, 王振卿, 耿浩然 申請人:濟南大學(xué)