CN116770111B - 一种铝钛硼复合添加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金冶炼领域，公开了一种铝钛硼复合添加剂及其制备方法，铝钛硼添加剂按质量百分比计包括如下原料：硼盐10‑30％、TiO₂粉30‑60％、表面活性剂0.5‑2.5％、助熔剂0.1‑2.8％，余量为铝粉；硼盐和TiO₂粉的粒径均为梯度混合，且粒径梯度范围及各粒径占比均为：80‑150目占比15‑25％、150‑300目占比10‑15％、300‑350目占比25‑30％、350‑500目占比15‑30％、余量为粒径≥500目。本发明制备得到的铝钛硼添加剂金属融化温度低、融化时间短、添加剂回收率高。将本技术方案制备得到的铝钛硼添加剂应用于铝合金的制备中，能够保证铝合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度及抗疲劳强度，且能够提高合金晶粒细化程度。

Description

一种铝钛硼复合添加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金冶炼领域，具体涉及一种铝钛硼复合添加剂及其制备方法。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着铝加工及铝合金工业的不断发展，铝合金的研制已经被列为重点发展的技术。铝合金常用的合金元素有硅、铁、铜、镁、镍、锌、钒等，合金化是铝合金生产工艺流程中重要的一环。近年来，有研究发现，钛和硼的添加成为铝合金的变质细化元素，传统的添加钛和硼元素的方法有两种，其一是利用中间合金的方法加入；其二是采用金属添加剂的方式加入。

发明人团队在实际应用时发现存在如下的问题：采用金属添加剂的方式添加钛和硼时，为了使元素充分完全熔融，并均匀的分散在铝熔体内，需要使熔炉的温度达到1668℃以上，而铝的熔点只有660℃，高温会使得铝熔体气化，进而产生烧损。同时，在此过程中，未气化的铝液在高温下，易与周围的氧气、氢气、水等发生反应，形成难以去除的杂质，导致形成的铝合金的纯度低，其机械性能不能满足使用需求。

发明内容

本发明意在提供一种铝钛硼复合添加剂及其制备方法，以解决现有技术中在制备铝合金时添加钛和硼需在高温下融化，导致的铝合金纯度低且机械性能不理想的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种铝钛硼复合添加剂，按质量百分比计包括如下原料：硼盐10-30％、TiO₂粉30-60％、表面活性剂0.5-2.5％、助熔剂0.1-2.8％，余量为铝粉；硼盐和TiO₂粉的粒径均为梯度混合，且粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15-25％、150-300目占比10-15％、300-350目占比25-30％、350-500目占比15-30％、余量为粒径≥500目。

优选的，作为一种改进，铝粉生物粒径也为梯度混合，铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30-35％、250-400目占比35-45％，余量为粒径≥500目。

优选的，作为一种改进，硼盐为氟化硼。

优选的，作为一种改进，表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。

优选的，作为一种改进，助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟硅酸钾、氟铝酸钾中的至少一种。

优选的，作为一种改进，表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠与十二烷基苯磺酸钠按照质量比为(1-3.5)：(3-5)混合而成。

优选的，作为一种改进，助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾与氟铝酸钾按照质量比为(1-3)：(2-5)：(3.5-6)。

优选的，作为一种改进，一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、原料破碎及筛分：对硼盐、TiO₂粉和铝粉进行破碎并筛分，筛分后硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合；

步骤二、配料及混料：将筛分后的硼盐、TiO₂粉、铝粉与表面活性剂及助熔剂混合，得混合料；

步骤三、压制：将混合料压制成型，得坯料；

步骤四、对坯料进行干燥；

步骤五、筛分。

优选的，作为一种改进，步骤二中，混料时间为45-60min，混料速度为15-20rpm。

优选的，作为一种改进，步骤三中，压制压力为23-26MPa；步骤四中，干燥温度为100℃。

本方案的原理及优点是：实际应用时，本技术方案中，针对现有技术中在制备铝合金时添加钛和硼需在高温下融化，导致的铝合金纯度低且机械性能不理想的问题，进行反向的原因分析：金属添加剂想要发挥最大的效用，需要其在熔体内快速融化完全并均匀分散在熔体体系内，发明人发现，融化速度、分散程度与金属粉末的粒径存在非常大的关联性。金属粉末粒径越大，压制后坯料的紧密度越低，将其投入到铝合金体系内粉末状的物料非常容易脱落，且大粒径的脱落物融化速度也较慢。而金属粉末粒径越小，虽然压制较为紧密，但是其融化温度并没有明显的降低，而且还会因压制密度过大而出现坯料快速下沉到炉底的现象，导致添加剂未完全熔化即沉降到炉底，更加不利于其融化与分散。而且，现有的金属添加剂普遍采用单一粒径的金属粉末进行压制，通过粒径的调控很难兼顾脱落与沉降的问题。

本技术方案中，发明人团队经过多年潜心研究，跳脱出了现有技术壁垒，创造性的采用金属元素粉末进行梯度粒径配比使用，并添加助熔剂与表面活性剂，使其不仅能够平衡粉末状物料脱落与融化温度的问题，而且还能够在表面活性剂的作用下降低下沉速度，同时在助熔剂的作用下提高融化速度，保证添加剂完全融化、高效发挥作用。将本技术方案制备得到的铝钛硼添加剂应用于铝合金的制备中，能够保证铝合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度及抗疲劳强度，且能够提高合金晶粒细化程度。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。

一种铝钛硼复合添加剂，按质量百分比计包括如下原料：硼盐10-30％、TiO₂粉30-60％、表面活性剂0.5-2.5％、助熔剂0.1-2.8％，余量为铝粉。

其中，硼盐为氟化硼。

表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。

助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟硅酸钾、氟铝酸钾中的至少一种。

且硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合，其中硼盐与TiO₂粉的粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15-25％、150-300目占比10-15％、300-350目占比25-30％、350-500目占比15-30％、余量为粒径≥500目。

铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30-35％、250-400目占比35-45％，余量为粒径≥500目。

一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、原料破碎及筛分：对硼盐、TiO₂粉和铝粉进行破碎并筛分，筛分后硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合，硼盐与TiO₂粉的粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15-25％、150-300目占比10-15％、300-350目占比25-30％、350-500目占比15-30％、余量为粒径≥500目；

铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30-35％、250-400目占比35-45％，余量为粒径≥500目；

步骤二、配料及混料：将筛分后的硼盐、TiO₂粉、铝粉与表面活性剂及助熔剂混合，混料时间为45-60min，混料速度为15-20rpm，得到混合料；

步骤三、压制：将混合料压制成型，压制压力为23-26MPa，得坯料；

步骤四、干燥：对坯料进行干燥，干燥温度为100℃；

步骤五、筛分：筛分时过10-15mm筛网。

实施例1

一种铝钛硼复合添加剂，按质量百分比计包括如下原料：氟化硼10％、TiO₂粉30％、表面活性剂0.5％、助熔剂0.1％，余量为铝粉。

其中，表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠按照质量比1:3混合而成。

助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾与氟铝酸钾按照质量比1:2:3.5混合而成。

且硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合，其中硼盐与TiO₂粉的粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15％、150-300目占比10％、300-350目占比25％、350-500目占比15％、余量为粒径≥500目。

铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30％、250-400目占比35％，余量为粒径≥500目。

一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、原料破碎及筛分：对硼盐、TiO₂粉和铝粉进行破碎并筛分，筛分后硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合，硼盐与TiO₂粉的粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15％、150-300目占比10％、300-350目占比25％、350-500目占比15％、余量为粒径≥500目。

铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30％、250-400目占比35％，余量为粒径≥500目；

步骤二、配料及混料：将筛分后的硼盐、TiO₂粉、铝粉与表面活性剂及助熔剂混合，混料时间为45min，混料速度为20rpm，得到混合料；

步骤三、压制：将混合料压制成型，压制压力为25MPa，得坯料；

步骤四、干燥：对坯料进行干燥，干燥温度为100℃；

步骤五、筛分：筛分时过12mm筛网。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于：本实施例中，硼盐与TiO₂粉的粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比25％、150-300目占比15％、300-350目占比30％、350-500目占比30％。

铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比35％、250-400目占比45％，余量为粒径≥500目(占比20％)。

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于：本实施例中，表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠。

实施例4

本实施例与实施例1的区别之处在于：本实施例中，助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾与氟铝酸钾按照质量比为3:5:6混合而成。

对比例1

本对比例与实施例1的区别之处在于：本对比例中，硼盐与TiO₂粉的粒径均为300目。

对比例2

本对比例与实施例1的区别之处在于：本对比例中，硼盐、TiO₂粉与铝粉的粒径均为300目。

对比例3

本对比例与实施例1的区别之处在于：本对比例中，未添加表面活性剂。

对比例4

本对比例与实施例1的区别之处在于：本对比例中，助熔剂为氯化钾。

对比例5

本对比例与实施例1的区别之处在于：本对比例中，未添加助熔剂。

实验例一铝钛硼添加剂性能验证

对上述各实施例及对比例制备得到的添加剂进行性能测试，测试指标包括：添加剂熔化温度、添加剂熔化时间以及添加剂回收率，添加剂熔化温度、添加剂熔化时间以传统观察记录，添加剂回收率的计算公式为：(回收量/加入量)×100％，检测结果如下表所示：采用本技术方案实施例1-4制备得到的铝钛硼添加剂进行铝合金冶炼时，能够显著降低融化温度，缩短融化时间，且回收率能够达到99％以上。而采用单一粒径的金属粉末则达不到相应的效果，且助熔剂与表面活性剂的选择及添加均对添加剂熔化温度、时间及其回收率有较大的影响。

表1

	添加剂熔化温度℃	添加剂熔化时间min	添加剂回收率％
				实施例1	705	8	99.53
实施例2	696	12	99.2
				实施例3	703	10	99.3
实施例4	690	12	99.5
				对比例1	896	15	72.5
对比例2	893	17	70.4
				对比例3	733	25	65.3
对比例4	762	24	70.2
				对比例5	834	31	68.5

应用例

以上述各实施例及对比例制备得到的铝钛硼添加剂进行铝合金冶炼，对铝合金的性能进行测试，测试指标包括：耐腐蚀性、耐磨性、硬度及抗疲劳强度，结果表明采用本技术方案制备的添加剂能够显著提升铝合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度及抗疲劳强度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种铝钛硼复合添加剂，其特征在于：按质量百分比计包括如下原料：硼盐10-30%、TiO₂粉30-60%、表面活性剂0.5-2.5%、助熔剂0.1-2.8%，余量为铝粉；硼盐和TiO₂粉的粒径均为梯度混合，且粒径梯度范围及各粒径占比均为：80-150目占比15-25%、150-300目占比10-15%、300-350目占比25-30%、350-500目占比15-30%、余量为粒径≥500目；表面活性剂为十二烷基硫磺酸钠与十二烷基苯磺酸钠按照质量比为（1-3.5）：（3-5）混合而成。

2.根据权利要求1所述的一种铝钛硼复合添加剂，其特征在于：所述铝粉生物粒径也为梯度混合，铝粉的粒径梯度范围及各粒径占比为：200-250目占比30-35%、250-400目占比35-45%，余量为粒径≥500目。

3.根据权利要求2所述的一种铝钛硼复合添加剂，其特征在于：所述硼盐为氟化硼。

4.根据权利要求3所述的一种铝钛硼复合添加剂，其特征在于：所述助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟硅酸钾、氟铝酸钾中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的一种铝钛硼复合添加剂，其特征在于：所述助熔剂为氟硼酸钾、氟钛酸钾与氟铝酸钾按照质量比为（1-3）：（2-5）：（3.5-6）。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、原料破碎及筛分：对硼盐、TiO₂粉和铝粉进行破碎并筛分，筛分后硼盐、TiO₂粉和铝粉的粒径均为梯度混合；

步骤二、配料及混料：将筛分后的硼盐、TiO₂粉、铝粉与表面活性剂及助熔剂混合，得混合料；

步骤三、压制：将混合料压制成型，得坯料；

步骤四、对坯料进行干燥；

步骤五、筛分。

7.根据权利要求6所述的一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，其特征在于：步骤二中，混料时间为45-60min，混料速度为15-20rpm。

8.根据权利要求7所述的一种铝钛硼复合添加剂的制备方法，其特征在于：步骤三中，压制压力为23-26MPa；步骤四中，干燥温度为100℃。