中间合金的特性及应用

第1期总第209期冶金丛刊Sum. 209 No. 12014年2月METALLURGICAL COLLECTIONSFebruary 20 1 4中间合金的特性及应用马涛陈邵龙赵卫涛郝丽荣王炜(河北四通新型金属材料股份有限公司,河北保定071105)摘要介绍了中间合金的定义、种类及用途,重点介绍了A-Zr、A-T-B、A-Sr、A-Sb、A-P、Cu-P、A-B等中间合金的化学成分、金相组织、作用原理和优缺点等,最后阐述了未来中间合金生产及研究的发展趋势和应用前景关键词中间合金;特性;应用中图分类号:TG146;TG141文献标识码:A文章编号:1671-3818(2014)01-0017-0CHARACTERISTICS AND APPLICATION OF MASTER ALLOYSZhao Weitao hao iWang wHebei Sitong New Metal Material Co, Ltd, Baoding 071105, HebeiAbstract In this article, the definition, types, and applications of master alloy was introduced, thecomposition, microstructure, action principle, advantages and disadvantages of such master alloys as Al-Zr、A-Ti-B、Al-Sr、A-Sb、Al-P、Cu-P、Al- B were focused on specifically, lastly the prospeof master alloy production and research was expoundedKey words master alloy; characteristics; application中间合金是以一种金属为基体,将一种或者几质处理、净化处理、脱氧脱硫处理、固溶硬化等,在铝种单质加入其中,以解决该单质易烧损、高熔点不易及铝合金、铜合金、钢铁等行业有着广泛的应用。熔入、密度大易偏析等问题或者用来改善合金性能1中间合金的种类的特种合金,是一种添加型的功能材料。从中间合中间合金按照基体的不同可以分为:铝基中间金的定义可以看出中间合金有以下几个特点合金、铜基中间合金、铁基中间合金、镁基中间合金(1)以一种金属为基体,其含量一般大于或等镍基中间合金等。于50%,如铝、铜、铁等。中间合金按照用途可以分为:合金化型中间(2)拟加入的单质一般有易烧损,熔点高,密度合金(添加型中间合金)、晶粒细化型中间合金、变大易偏析等不宜直接添加的问题质型中间合金、净化型中间合金、脱氧脱硫型中间合(3)中间合金是一种添加型的功能合金材料,金等不像铸造铝合金、变形铝合金、铜合金、钢铁等直接1.1合金化型中间合金用于铸件的生产合金化型中间合金也称添加型中间合金,主要中间合金与拟加入的单质相比,一般具有更低作用是向熔体中添加某些元素。这些元素与熔体基的熔点、更快的溶解速度、更稳定的实收率、更强的体」目右加下哇点改善合金性能的能力,因此,中间合金可用于合金生中国煤化工加Si、Fe、Cr、Cu、V等产过程中元素的准确添加及成分调整、细化晶粒、变元CNMHG基金项目:国家国际科技合作专项项目(2012DFA50630)作者简介:马涛(1976-),男,工程师,硕士研究生,2004年毕业于大连理工大学18冶金丛刊总第209期(2)易挥发烧损,如铝中添加Mg、Ca等元素性和工业化规模生产仍需进一步研究。(3)润湿性差,如铝中添加B、C等元素。1.3变质型中间合金(4)密度相差大,易偏析,如铝中添加Bi、Sn等Al-Si合金具有优良的铸造性能,但是随着硅元素。含量的提高,合金组织中会出现大量的针、片状共晶如果直接以单质形式向熔体中添加这些元素,硅和板块状初晶硅,严重割裂合金基体,开裂倾向增则需要提高加入温度,延长熔炼时间,或者加亼过程加,合金变脆,力学性能显著下降。因此,当AI-Si中烧损加大,实收率难以保证,造成炉前成分的多次合金中硅含量超过6%时,一般需要进行变质处理,调整,影响产品的生产效率。因此,为降低生产成即把共晶硅由粗大的针、片状改变成细小的纤维状、本,获得较为准确的合金成分,以上元素一般以中间叶片状,把初晶硅由粗大的板块状改变成细小的颗合金的形式加入。在工业化生产中常用的合金化型粒状。常见的共晶硅变质中间合金有A-Sr、Al中间合金有:A1-Si、A1-Fe、Al-Cr、A1-Cu、AlSb、Al-RE等,常见的初晶硅变质中间合金有A1Mn、A1-V、A-Zr、Cu-Mg、Cu-Li、Cu-Ca等P、Cu-P等。1.2晶粒细化型中间合金1.4净化型中间合金晶粒细化型中间合金加入熔体后,释放出大量净化型中间合金主要指A-B中间合金,主要的异质形核核心,可作为熔体凝固时的外来晶核,影用于电工用铝的净化处理。其净化机理是中间合金响熔体结晶的形核过程,从而起到细化合金晶粒的中的B元素可以和铝液中的T、V、Cr等影响导电率作用。目前,国内外铝合金晶粒细化型中间合金产的杂质元素形成TiB2、VB2、CrB2等密度大的金属间品主要有A-Ti、A-Ti-B、A-Ti-B-RE、A化合物,通过重力作用沉降在炉底,从而净化铝液,T-C、Al-Ti-B-C等。铜合金晶粒细化型中提高导电率间合金产品主要有Cu-B、Cu-Fe、Cu-r等其中2常见中间合金的特性及应用Cu-B中间合金可用于黄铜的晶粒细化,Cu-Fe中常见的中间合金有:A-Z中间合金、A-Ti-B间合金可用于铝青铜的晶粒细化,Cu-m中间合金中间合金、A-S中间合金、Al-Sb中间合金、A-P可用于黄铜的晶粒细化。中间合金、C-P中间合金和A1-B中间合金等。A-Ti、A1-T-B中间合金在铝合金晶粒细化2.1A-中间合金方面有较高的性价比,是目前工业上应用较广泛的锆是高强度、超高强度铝合金中常用的添加元晶粒细化剂。A-T-B中间合金由于TA和素之一,一般加入量为0.1%-0.3%就对铝合金性TiB:的双相形核作用,其细化效果优于A-T中能有显著的影响。A-Ca、A-Li、A-Cm-Li、A间合金。但是,A-T-B中间合金中的TiB粒子-Li-Cu-Mg系合金中,锆错元素作为“痕量元素有比较明显的聚集现象,同时当铝合金中含有zr、促进各强化相的形核。A-Mn、A-Cu-Mg系合Cr、V、Mn等合金化元素时,会夺取TiB2粒子中的金中,锆元素明显减缓早期阶段时效沉淀的进程。B,形成相应的硼化物,使TB2粒子发生“中毒”现A-zn-Mg、A-Zn-Mg-Cu合金中微量锆元素象“,从而使细化剂减弱或失去作用。A-Ti-B-的作用更为显著,它抑制再结晶,提高合金再结晶温RE、A-Ti-C、A-Ti-B-C是新型的晶粒细化度,改善合金的强度、断裂韧性及抗应力腐蚀性剂,其克服(或者部分克服)了A-T-B中间合金能。锆的熔点为1852℃,比铝的熔点高1192的上述缺点。A-T-B-RE中间合金是在A-T℃,密度为6.49g/(cm,是铝密度的24倍,因此,铝B中间合金的基础上加入混合稀土。稀土是一种合金中的锆元素一般以中间合金形式加入。A1-Zr表面活性元素,可使铝熔体与 AITiRE、TiA、TiB2粒子中间合金最常见的牌号为AZ5,其次还有AZr3、之间的润湿角增大,改善铺展性,从而有效避免粒子AZ4、AZ6、AZr10、AZrl5等聚集或沉淀现象。但TB2等粒子的严重偏聚现象只5的全相组织,ZrA1粒子呈小块能在一定程度上缓解,因此整个制备过程仍需强力搅状,中国煤化工于25μm,单个最大拌。A-Ti-C晶粒细化剂在一定程度上克服了尺HCNMH合金中的ZA粒子A-Ti-B的缺点,其异质形核核心TC比TiB2具有越细小,加入后溶解速度越快,对铝合金性能的改善更小的聚集倾向,并对Zr、Cr、V、Mn等元素“中毒”免作用也更显著。因此,优良的金相组织也是发挥其疫,但是C元素的经济加入方式细化效果的稳定性能的重要条件之第1期马涛等:中间合金的特性及应用现象,但是因其比较稳定的细化效果及价格优势等,仍然是目前工业上应用最为广泛的晶粒细化剂”一Ti-B中间合金最常见的牌号为AIT5Bl,其次还有ATi5B0.6、AIT5B0.2、ATi3Bl等。图2为AIT5B1的金相组织。A级金相组织中TAl3呈块状或杆状,分布大致均匀,平均尺寸小于30μm,单个最大尺寸小于150μm;TiB2粒子分布大致均匀弥散,无明显聚集现象;C级金相组织中TAl3呈块状或杆状,分布大致均匀,平均尺寸小于ate 113 May 2012WDe 70mm50从m,单个最大尺寸小于200μm;TiB2粒子分布图1A15金相组织大致均匀,有团块状聚集现象。以上说明,通过工艺2.2A-Ti-B中间合金的优化和控制,TiB2粒子的聚集现象可得到一定程A1-Ti-B中间合金中TiB2粒子虽然有易偏聚度的改善。A1O及盐类附着物疏松TiB2团块-Ee:.:100 umA级金相组织C级金相组织图2AIT5B1金相组织Al-们i-B作为一种细化型中间合金,其最主钛-硼合金线材》行业标准进行的细化能力试验,要的指标就是细化能力。根据YS/T447.1-2011各牌号A1-T-B中间合金的细化能力见表1。《铝及铝合金晶粒细化用合金线材第1部分:铝表1A1-T-B中间合金晶粒细化能力牌号AITi5BIAAITi5BIBAlTisB1CAlT15 B0. 6AITi5B0, 2AAITi5 B0, 2B晶粒平均直径≤300m≤275≤355um≤355m≤370μmA1-Ti-B中间合金按照外观形态可分为锭2.3A1-Sr与A-Sb中间合金状、条状、杆状、卷状等产品。锭状、条状、杆状产品钠和钠盐是最早应用的A-Si合金变质剂,但适合于直接投入熔炉进行产品的细化,卷状产品适是存在变质有效时间短、环境污染大、合金中钠残留用于采用喂丝机对产品进行在线细化处理,提高自量不动化程度。H中国煤化工已经被A-Sr、AlCNMHG替。以AITi5B1中间合金为例,其一般加入量为Al-Sr中间合金是一种共晶、亚共晶A-Si合2%,参考加人温度720~750℃,加入后彻底搅拌均金长效变质剂,有效变质时间可达5~7h,变质过程匀即可浇铸。中无过变质行为,多次重熔仍能保持良好的变质效冶金丛刊总第209期果,对设备无腐蚀,加工环境好°。A-Si合金中作用,A-Sr中间合金中的锶主要以ASr化合物锶变质机制主要有两种理论,即抑制硅晶核成长机的形式存在,所以A4Sr的稳定性是决定其变质效制和抑制硅晶核长大机制0。后者更为近年来的果的关键因素之一,而AL4Sr的稳定性与其形态、尺学者所接受,即游离态的锶吸附在生长着的硅相表寸大小、晶体结构等因素有关。图3为华孚锭状面,阻止了硅相按照片状方式生长,并使产生孪晶,(约7kg/块)和杆状(直径约9.5mm)ASr10的金按TPRE( twin plane re- entrant edge,孪晶面凹入相组织。边)机制生长,从而长成纤维状。锶以游离态发挥100m华孚锭状ASr10金相组织杆状ASr10金相组织图3ASr10金相组织从图3可以看出,华孚锭状ASr10中的A4Sr越广泛的应用。陈熙琛等通过测试指出,铝硅合总体上呈长针状分布,杆状ASr10中的Al4Sr呈小金中硅相之所以变细,是因为锑与铝的化合物AlSb块状,大致均匀弥散分布,杆状ASr10中的Al4Sr比作为异质晶核而造成的。试验对Al-Si合金的硅锭状AlSr10的要细小。实验证明,达到同样的变质相核心及硅相的边缘进行了测试,得出同样的结论效果用形变处理的杆状A-Sr比锭状Al-Sr可有硅与AlSb均为面心立方结构,若(100)Si与效减少锶的添加量,缩短孕育期,且变质后A-Si(100)ASb共格时其晶格常数差为-11%,若合金中硅的枝晶更加细小,弯曲程度增大"-2(111)Si与(111)ASb共格时其晶格常数差为A-Sr中间合金在共晶、亚共晶A-Si合金的9.8%,因此ASh化合物作为硅相的异质形核核变质处理中已得到广泛的应用,一般锶加入量为心完全是可能的。0.02%~0.06%。但是,A-Sr中间合金在实际应图4为华孚锭状ASb5中间合金的金相组织,用中也存在一些问题,如孕育期长短不易掌握,锶的AlSb相呈针状,大致均匀弥散分布实收率低,有增强吸氢倾向,易出现针孔等。针对这经锑变质的A-Si合金流动性好,充型能力些问题,可以通过减少合金中的P、Na、$等杂质元强,能获得致密的铸件。锑不易烧损,经多次重熔后素,控制加入温度,选择锶含量8%~10%的A-Sr仍有相同的变质效果,称为“永久变质剂”,适用于中间合金,加锶前先精炼除渣,加锶后使用惰性气体需长时间浇铸的场合。锑变质只适用于亚共晶进行精炼处理等来进一步优化变质处理工艺。A-Si合金,变质效果对冷却速度很敏感,故常用于山-Sb中间合金是另外一种常用的亚共晶A金中国煤化工短杆状,需辅以热处Si合金长效变质剂,一般添加量为0.2%理HCNMHG,方能明显提高力学0.3%,无锶变质的易吸气倾向,近年来获得了越来性能,第1期马涛等:中间合金的特性及应用21图4ASh5金相组织图5CuP0金相组织2.4A-P与Cu-P中间合金的应用。但是,铝中还含有一定量的T、V、Cr等过过共晶A-Si合金具有热膨胀系数小、高温强渡族元素,若以溶解状态存在于铝中,易吸收导电材度高、体积稳定性好、耐磨性好等优点,因此在活塞料中的自由电子,以填充它们尚未填满的电子壳层,材料中有着广泛应用。但是过共晶A1-Si合金组织中存在着大块多边形及板块状初晶硅,力学性能这就减少了有效的传导电子数量,降低铝的导电性差,必须对初晶硅进行细化处理后合金才有更好的能,增加电力传输过程中的损耗。目前,一般采用硼利用价值。早期使用的细化剂有含赤磷粉的混合变化处理对铝液进行净化,即向铝液中加入约5×质剂、磷盐复合变质剂等,存在的主要问题是使用过10°的硼,能在很大程度上去除过渡族元素的有害程中产生有毒气体,环境污染严重,吸收率不稳定作用。硼可与这些杂质元素形成密度大、不溶解的等,近年来逐渐被A-P、Cu-P等中间合金取代硼化物,沉于炉底,以渣的形式除去。A-P中间合金中的磷主要以AP相存在,APA-B中间合金是电工用铝的净化处理剂,常具有与硅相近的晶体结构和晶格常数,并在A-S1见的牌号有AB3、AB4、AB5、AB8等。图6显示合金的液相线附近处于固态(AIP的熔点大于1000的是A|B3的金相组织。AIB2呈块状,大致均匀弥℃),弥散分布于合金熔体中,可以作为初晶硅结晶散分布。A-B中间合金作为净化剂,其中的有效时的异质晶核,使硅原子依附于其上,独立地结晶成相为AB2,加入铝液后可快速释放出B元素,从而细小的初晶硅晶体,从而改善其力学性能,增强合金起到净化作用;当工艺控制不当时,会生成AB12相,的耐磨性。A-P中间合金常见的牌号有AP3、AIB2使铝电线导电率的提高主要是在加入后2minAIP4等,磷的吸收率可达60%~70%。另外,为降内,而AIB12在加入2min后铝电线导电率提高不明低制备工艺难度提高磷的实收率,还可以向其中加显。它是一种非常硬的硼化物,与杂质元素的反应入Fe、Si、Cu等元素,形成A-P-Fe、A-P-Si、A很慢,大约保持2h导电率才显著提高,难以起P-Cu等中间合金。到净化作用。Cu-P中间合金是另外一种常用的过共晶ASi合金变质剂,常见的牌号有CuP8、CmP10、3结束语CuP15等,其中的磷主要以Cu3P相存在。图5显示中间合金作为一种功能性材料,其性能和使用的是CuP10的金相组织。CuP呈叶片状,大致均匀效果是最关键的指标。传统的A-T-B晶粒细化弥散分布。C1-P中间合金磷的实收率要高于A剂H中国煤化工目前仍有广泛的应用,P中间合金,但是熔点相对较高,而且只能用于含而国CNMH通过生产工艺及设备的铜的过共晶A-Si合金不断优化,进一步改善TiAB、TiB2粒子形态、尺寸2.5A-B中间合金及分布,提高细化能力。另外,向A-Ti-B中间合铝有优良的导电性能,在电力行业也有着广泛金中添加适量的稀土元素,可进一步改善其金相组冶金丛刊总第209期e罗会的甲织,提高细化能力。目前,Al-Sr、A-Sb中间合金冷象线中的第二相粒子一般为针状。今后的发展趋势之心e就是通过形变处理或快速凝固来使第二相粒子变为细小的块状,进一步缩短孕育期,提升变质效果。随着人们对合金化型中间合金成分的均匀性要求越来越高,需要进一步完善生产工艺,细化操作,来满足冬吸客户日益提高的要求。中间合金以其操作方便、使7“用效果稳定等固有优势,以及质量的不断提升,今后100pm仍将是合金生产中主要的功能材料之一,有着较广图6AIB3金相组织阔的应用前景参考文献[1]兰晔峰,朱正峰.铝合金用中间合金及其现状[J].轻金属,2004,(5):49-512]傅高升,孙峰山,王连登,等,中间合金对铝合金细化处理的现状分析与探索[J].特种铸造及有色合金,2001,21(2):50-53[3]高泽生.铝晶粒细化机理研究进展[J].轻合金加工技术,1997,25(6):3-7.[4]. 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