專利名稱：含有TiC和Al的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬金屬材料領域，特別涉及一種含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，該合金可用作復合材料或鋁合金晶粒細化劑。
背景技術：
在金屬(如鋁、鎂等)基體中加入陶瓷顆粒強化相從而獲得的金屬基復合材料，由于具有優(yōu)異的力學和物理性能，如高的比模量、比強度、和熱力學穩(wěn)定性能，在航空航天和汽車業(yè)具有廣闊的應用前景。目前金屬基復合材料所用的強化陶瓷相主要包括TiC、TiB2、SiC、Al2O3、CB4等。其中用TiC或Al2O3作為增強相的復合材料由于具有較好的高溫化學穩(wěn)定性，高的硬度和耐磨性而得到廣泛的研究。目前已經出現了多種制備方法，較早研究的是外加法，即將已經合成的陶瓷顆粒通過攪拌鑄造、擠壓鑄造等方法加入到金屬基體中，這樣得到的復合材料存在強化相和基體潤濕性差、易發(fā)生界面化學反應、結合不良等缺點，目前正逐步被原位反應法所取代。原位反應法相對于外加法雖然在粒子表面清潔性、粒子與基體相容性、粒子尺寸控制等方面顯示出其優(yōu)點，大大提高了復合材料性能，但仍然存在工藝復雜、成本高的問題。申請?zhí)枮?2135971.7的中國專利給出了一種在鋁熔體中原位生成TiC和Al2O3粒子的方法，該方法利用含有CO2、CH4、Ar、O2的混合氣體將含有石墨粉、鈦粉、氟鈦酸鉀、鋁粉的混合粉末吹入鋁合金液中發(fā)生反應從而原位生成增強粒子。該法需要氣體發(fā)生和控制裝置，大大增加了生產工藝的復雜性和生產成本，且生成的粒子數量有限，其中鈦的質量含量不超過2％。文獻[A.O.Kunrath，T.R.Strohaecker，J.J.Moore，Scripta Materialia，1996，Vol.34，No.2，PP.189-194]將Al、TiO2、C三種組元的粉末混合后在真空爐中加熱通過自蔓延高溫反應可得到Al-TiC-Al2O3復合材料。這種方法需要真空裝置，不易得到密實的金屬基體，顯然不適合于規(guī)?；瘜嶋H生產。
含有TiC顆粒和適量鈦(在鋁基體中主要以TiAl3化合物形式存在)的鋁合金加入到各種鋁合金中，可以細化鋁合金的晶粒組織，從而提高其力學和表面性能。目前出現的幾種制備含有TiC粒子的鋁合金細化劑的工藝方法，同上述復合材料制備方法一樣，也存在工藝復雜、生產成本高的難題。如專利號為ZL98119378.1的中國專利給出了用K2TiF6粉末、C粉和少量活化劑攪拌入鋁液的方法，文獻[A.Banerji，W.Reif，MetallurgicalTransactions A，vol.17A，19862127-2137]報導了將石墨粉強烈攪拌到Al-Ti合金液中的方法。兩種方法均需外加機械攪拌裝置，反應時間長，反應溫度高，且前者在反應過程中還產生有毒的氟化物氣體，在最終產品中容易殘留鹽類夾雜物。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種操作簡便、工藝穩(wěn)定、成本低、無污染的制備含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的方法。
本發(fā)明是通過以下方法實現的含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)稱取二氧化鈦粉、碳粉、純鋁粉及基體鋁合金，其中二氧鈦粉和碳粉占四種組元質量的百分比分別為3-35％、0.01-4％，純鋁粉的質量為前三種粉末總質量的10-60％，余量為基體鋁合金；(2)將三種粉末用球磨機球磨，使之充分混合，再用加熱爐在100-150℃、氬氣保護條件下預熱；(3)將步驟(1)中稱取的基體鋁合金在感應電爐中加熱到800-1200℃使之熔化并保溫3-10分鐘，再將步驟(2)中準備好的混合粉末直接加入到熔化的基體鋁合金中，利用感應電爐的電磁攪拌作用將混合粉末攪拌浸入合金液中，使二氧化鈦、碳和鋁三種組元在合金熔體中發(fā)生原位化學反應；反應3-10分鐘后，進行精煉、除氣，然后將合金液澆注到鑄模中即得含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金。
上述含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是步驟(2)中混合粉末在球磨過程中用氬氣保護，磨球與混合粉末質量比為(4-20)∶1，球磨罐轉速為200-550轉/分鐘，球磨時間為1-8小時。
上述含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是步驟(2)中球磨后的混合粉末的顆粒直徑在20μm以下，混合粉末在加熱爐中的預熱時間為10-120分鐘。
所述的含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是制備用作復合材料的鋁合金時，步驟(1)中二氧化鈦粉與碳粉的摩爾數量比保持1∶1；制備用作晶粒細化劑的鋁合金時，步驟(1)中二氧化鈦粉與碳粉的摩爾數量比保持大于1∶1。
混合粉末中含有一定量的鋁粉的目的是為了促進混合粉末與鋁液的潤濕性，調節(jié)反應速度和生成的顆粒的尺寸?；旌头勰┘尤脘X液中后發(fā)生如下化學反應
(1)(2)(3)(4)復合材料基體中只生成TiC、Al2O3兩種粒子，基體可選用任意一種商品鋁合金，所得產品可進一步加工做成各種部件產品，如發(fā)動機活塞、各種結構件等。晶粒細化劑基體中除了含有TiC、Al2O3兩種粒子外，還含有一定量的過量的鈦。這些鈦在合金凝固后主要以TiAl3化合物的形式存在，在細化過程中也起到重要的作用，會大大提高TiC的細化效率。細化劑產品可用于細化各種工業(yè)純鋁、變形鋁合金、及鑄造鋁合金，其基體可根據細化對象的不同選擇不同的鋁合金。其中所含的Al2O3粒子在細化劑的加入量范圍內(0.1-0.2％)不會對待細化的鋁合金產生任何影響，在鑄造鋁合金中提高加入量，可起到晶粒細化和粒子強化的雙重作用。
由于TiC和Al2O3粒子是在鋁熔體中經原位反應直接生成，表面潔凈、無污染，在基體中分布均勻，尺寸在0.1-2μm之間。所得復合材料產品具有較高的綜合力學性能，細化劑產品有較高的細化效率，以0.2％的加入量可將普通工業(yè)純鋁晶粒尺寸從4000μm細化到200μm以下。
本發(fā)明采用廉價的TiO2和C粉末原料，無需其它氣體發(fā)生或控制裝置，不需任何攪拌或真空裝置，用普通的熔煉工藝就可實現，無污染、成本低、工藝簡單、生產效率高，因而適合于規(guī)模化工業(yè)生產和應用。
具體實施例方式
下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例
實施例一.稱取純度為99.5％的純鋁粉5Kg，99.0％的TiO2粉10.10Kg，99.50％的石墨粉1.5050Kg，將三者混合后用球磨機在氬氣保護條件下以300轉/分鐘的轉速球磨10小時，其中磨球與粉末的質量比為10∶1；然后將球磨后的混合粉末用電阻爐在110℃、氬氣保護條件下預熱一小時，備用。用中頻感應爐熔化185Kg 99.7％的工業(yè)純鋁至950℃，保溫3分鐘，然后將上述混合粉末加入。在感應爐中的電磁攪拌力作用下，混合粉末被攪拌進鋁熔體中發(fā)生化學反應，8分鐘后，進行精煉、除氣，澆注后可得Al-7.5％TiC-8.5％Al2O3復合材料。
實施例二.實施例一中，用Al-7％Si合金代替工業(yè)純鋁，可得TiC-Al2O3粒子強化的Al-Si基復合材料。
實施例三.稱取純度為99.5％的純鋁粉14Kg，99.0％的TiO2粉20.2Kg，99.5％的石墨粉1.01Kg，并混合，然后用球磨機在氬氣保護條件下以500轉/分鐘的轉速球磨5個小時，其中磨球與粉末的質量比為5∶1；然后將混合粉末用電阻爐在110℃、氬氣保護條件下預熱一小時，備用。用中頻感應爐熔化99.7％的工業(yè)純鋁170Kg至1000℃，保溫2分鐘后加入混合粉末，反應5分鐘，精煉、除氣后澆注得到Al-4％Ti-2.5％TiC-8.5％Al2O3晶粒細化劑。用此細化劑以KBI環(huán)模法細化99.7％的工業(yè)純鋁，僅0.2％的加入量可使晶粒尺寸從未細化前的4000μm細化到200μm。
權利要求
1.含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)稱取二氧化鈦粉、碳粉、純鋁粉及基體鋁合金，其中二氧鈦粉和碳粉占四種組元質量的百分比分別為3-35％、0.01-4％，純鋁粉的質量為前三種粉末總質量的10-60％，余量為基體鋁合金；(2)將三種粉末用球磨機球磨，使之充分混合，再用加熱爐在100-150℃、氬氣保護條件下預熱；(3)將步驟(1)中稱取的基體鋁合金在感應電爐中加熱到800-1200℃使之熔化并保溫3-10分鐘，再將步驟(2)中準備好的混合粉末直接加入到熔化的基體鋁合金中，利用感應電爐的電磁攪拌作用將混合粉末攪拌浸入合金液中，使二氧化鈦、碳和鋁三種組元在合金熔體中發(fā)生原位化學反應；反應3-10分鐘后，進行精煉、除氣，然后將合金液澆注到鑄模中即得含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金。
2.根據權利要求書1所述的含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是步驟(2)中混合粉末在球磨過程中用氬氣保護，磨球與混合粉末質量比為(4-20)∶1，球磨罐轉速為200-550轉/分鐘，球磨時間為1-8小時。
3.根據權利要求書1或2所述的含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是步驟(2)中球磨后的混合粉末的顆粒直徑在20μm以下，混合粉末在加熱爐中的預熱時間為10-120分鐘。
4.根據權利要求書1、2或3所述的含有TiC和Al2O3粒子的鋁基合金的制備方法，其特征是制備用作復合材料的鋁合金時，步驟(1)中二氧化鈦粉與碳粉的摩爾數量比保持1∶1；制備用作晶粒細化劑的鋁合金時，步驟(1)中二氧化鈦粉與碳粉的摩爾數量比保持大于1∶1。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬材料領域，涉及一種含有TiC和A文檔編號C22C21/00GK1540019SQ20031010544
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月27日 優(yōu)先權日2003年10月27日
發(fā)明者王振卿, 劉相法, 邊秀房 申請人:山東大學