CN118814007A - 一种铝铜合金精炼剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝铜合金精炼剂及其制备方法，涉及铝铜合金生产技术领域。该铝铜合金精炼剂包括按重量份数计的以下原料：Na₂CO₃10‑50份，Na₂SI F₆10‑40份，K₂TiF₆10‑20份，KBF₄10‑20份，CaF₂1‑10份，H₃BO₃1‑5份和阳极碳渣1‑10份。其能够提高渣铝分离效果，改善铝铜合金的微观结构，提高铝铜合金综合性能，并且制备过程简单方便，有助于其快速生产。

Description

一种铝铜合金精炼剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝铜合金生产技术领域，具体而言，涉及一种铝铜合金精炼剂及其制备方法。

背景技术

铝合金是传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，被广泛的应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。Al-Cu合金由于Cu作为主要的合金元素加入，使其具有了良好的室温和高温性能，而且它的切削加工性能和耐热性能也较好。

铝的化学性质比较活泼，在空气中会与氧发生氧化反应，还会和空气中的水分发生反应，生成氢并溶解到铝中。氢在液态铝合金中的溶解度是固态铝合金的17倍左右，在熔炼过程中会吸附大量的氢，在随后的凝固中会形成大量的气孔和氧化物夹杂，这些杂质会影响合金的流动性，从而降低合金的铸造性能。通过对Al-Cu合金的精炼，改善并净化合金熔体质量，从而提高Al-Cu合金铸件性能。在熔炼过程中，铝液中的杂质主要为氢和氧化物夹杂，杂质的存在会降低合金的强度、抗疲劳性、耐蚀性及塑韧性，严重的情况下会使合金直接报废，失去应用的价值。对于金属熔体的除杂，常采用的方法有：合金化法、物理机械法、偏析法等。合金化法一般为向金属熔体中添加合适的合金元素，使其与金属熔体中的杂质元素形成高熔点化合物析出，然后通过重力沉降作用将其除去，从而达到净化熔体的目的。物理机械法即采用物理的方法直接将金属熔体中的杂质除去。偏析法提纯金属的效果与杂质元素在金属熔体中的平衡分配系数密切相关。

现有的铝合金精炼剂以氮气等惰性气体为载体，通过喷粉机将其喷入铝合金熔液中，通过惰性气体的搅拌与铝合金熔液中的杂质发生物理化学反应，吸附氧化物和氢气等杂质并上浮到铝合金熔液表面，从而达到除渣除气的精炼目的。但是，其存在渣铝分离效果低和铝铜合金综合性能差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝铜合金精炼剂，其能够提高渣铝分离效果，改善铝铜合金的微观结构，提高铝铜合金综合性能。

本发明的另一目的在于提供一种铝铜合金精炼剂的制备方法，其操作简单，便于快速生产铝铜合金精炼剂。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种铝铜合金精炼剂，包括按重量份数计的以下原料：Na₂CO₃10-50份，Na₂SIF₆10-40份，K₂TiF₆10-20份，KBF₄10-20份，CaF₂1-10份，H₃BO₃1-5份和阳极碳渣1-10份。

一种铝铜合金精炼剂的制备方法，包括以下步骤：

将各原料放入水中得到混合料,将混合料烘干至水分含量＜0.5％,破碎，筛分，封装。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明，碳酸钠可以调节炉渣的酸碱度，促进杂质的浮选分离，同时具有助熔作用，可降低炉渣的粘度，提高精炼效率。氟钛酸钾在铝液中可以生成TiB₂粒子，这些粒子由于其高熔点和与铝合金晶格常数相近的特性，能够有效地作为非自发晶核，促进铝合金的晶粒细化，还可以提高铝铜合金的机械性能。在铝的冶炼过程中，硼酸作为添加剂，其主要作用是作为覆盖剂或净化剂，帮助去除滤液中的氧化物和其他杂质。硼酸分解产生的硼化物可与铝液中的氧化物反应，形成易于上浮和清除的渣。硼酸的分解有助于间接地改善铝液的纯净度，从而间接影响氢气在滤液中的溶解度，降低铝液中的氢气含量，提高铝合金的纯净度。硼酸则可以降低熔渣的密度，便于其上浮到铝液表面并被去除，具体是硼酸在铝熔炼中作为添加剂，可以与铝氧化物(Al₂O₃)反应生成粘度较低的渣相硼酸铝(Al(BO₂)₃)，这种化合物的密度比原有的氧化铝渣要低，由于密度低，生成的熔渣更容易上浮到铝液表面，并在表面形成渣层，随后可以通过扒渣等方式被去除。氟钛酸钾和硼酸的混合物能够增加对铝液中氧化物夹杂物的吸附能力，氟钛酸钾在高温下分解，生成氟化钾(KF)和钛的氧化物(TiO₂)，这些物质可以与铝液中的氧化物反应，形成高熔点的复合氧化物渣，硼酸的加入有助于降低这些复合渣的密度，使其更易于上浮和清除，两者配合可以发挥协同效应，有助于更有效地清除铝液中的杂质。氟硼酸钾有助于净化铝液，去除氢气和氧化物夹杂，同时硼元素有助于提高合金的硬度和耐磨性。氟化钙能够降低熔渣混合物的熔点，使得杂质更容易从铝液中分离出来。阳极碳渣是电解铝生产中的副产品，可以作为碳源回收利用，有助于吸附和去除铝液中的氢气，同时作为发热剂，增加渣中铝流动性，减少废物的堆积。

在铝铜合金精炼过程中，精炼剂的加入会引发放热反应，这些反应产生的高温有助于氧化物及其夹渣物从铝液中上浮并被带出至铝液表面，然后这样杂质与氟化钙发生反应生成氧化钙，氧化钙能够降低渣的熔点，还能与渣中的铝发生反应，形成易于分离的铝酸钙，从而促进渣中铝的充分分离。这一协同作用结合放热反应提供的温度，为铝的有效分离创造了有利条件，优化了整个精炼过程的效率和效果，确保了铝液的纯净度和铝合金产品的质量。

本发明的铝铜合金精炼剂不仅有除气、除氧化物、渣铝分离的作用，而且还有晶粒细化作用，属于综合型精炼剂，同时利用电解产生阳极碳渣，可以实现废物再利用，减少了废阳极的库存，降低了原料的成本。

附图说明

图1为本发明实施例3的铝铜合金精炼剂精炼合金后的产出渣示意图；

图2为市面上购买的精炼剂精炼合金后的产出渣示意图；

图3为本发明实施例3的铝铜合金精炼剂精炼合金后的合金金相图；

图4为市面上购买的精炼剂精炼合金后的合金金相图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限制。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

一方面，提供一种铝铜合金精炼剂，包括按重量份数计的以下原料：Na₂CO₃10-50份，Na₂SIF₆10-40份，K₂TiF₆10-20份，KBF₄10-20份，CaF₂1-10份，H₃BO₃1-5份和阳极碳渣1-10份。

Na₂CO₃作为碱性物质，有助于调节炉渣的酸碱度，促进杂质的浮选分离，同时具有助熔作用，可降低炉渣的粘度，提高精炼效率。在铝合金的冶炼过程中碳酸钠可以发生如下反应：

1、碳酸钠与氧化铝反应生成氯酸钠和二氧化碳：

Na₂CO₃+Al₂O₃→2NaAlO₂+CO₂

2、碳酸钠与铝中的其他杂质氧化物反应，如与二氧化硅反应：

Na₂CO₃+SiO₂→Na₂SiO₃+CO₂

通过上述反应可以去除铝中的非金属杂质，提高铝的纯度。

Na₂SIF₆可以与铝中的氧化物反应生成易挥发的氟化物，有助于去除铝液中的氢气和氧化物夹杂。在铝合金的冶炼过程中氟硅酸钠可以发生以下反应：

1、氟硅酸钠与氧化铝反应生成氟铝酸钠和二氧化碳:

Na₂SiF₆+Al₂O₃→2NaAlF₄+SiO₂

2、氟硅酸钠与铝液中的氢气反应生成氢氟酸，氢氟酸分解挥发：

Na₂SiF₆+2Al+3H₂→2NaAlF₄+3HF+SiO₂

3、氟硅酸钠与铝中的硅杂质反应，生成一会发的氟化硅，降低铝中的硅含量：

Na₂SiF₆+Si→SiF₄+2NaF

上述反应有助于净化铝液，提高铝合金的纯度和质量。

K₂TiF₆在铝液中可以生成TiB₂粒子，这些粒子由于其高熔点和与铝合金晶格常数相近的特性，能够有效地作为非自发晶核，促进铝合金的晶粒细化，提高合金的力学性能。KBF₄有助于净化铝液，去除氢气和氧化物夹杂，同时硼元素有助于提高合金的硬度和耐磨性。在铝合金的冶炼过程中，氟钛酸钾的反应过程如下：

K₂TiF₆+3Al→Al₃Ti+3KF

氟硼酸钾有助于净化铝液，去除氢气和氧化物夹杂，同时硼元素有助于提高合金的硬度和耐磨性。

在高温铝工业中，CaF₂(氟化钙)通常用作助熔剂或作为铝土矿中的一个成分。在铝合金冶炼过程中，CaF₂可以与氧化铝(Al₂O₃)反应生成铝氟化物(AlF₃)和氧化钙(CaO)，反应过程如下：

CaF₂+Al₂O₃→CaO+2AlF₃

该反应有助于降低炉渣的熔点，促进炉渣流动,使炉渣和金属很好分离，提高铝的回收率，同时通过促进氧化铝的分离和降解，可以降低铝渣的含氧量，提高铝的产量和质量。此外，CaO还可以降低炉渣的粘度，提高其流动性，从而有助于杂质的去除和铝的提炼。

H₃BO₃作为净化剂，有助于去除氢气和氧化物，与铝中的氧化物或其他杂质反应，形成相应的硼化合物，帮助去除杂质并提高铝的纯度。硼酸与氟钛酸钾配合可以促进铝液中氧化物夹杂物的去除。

阳极碳渣是电解铝生产中的副产品，可以作为碳源回收利用。阳极碳渣具有微小的孔道和大的比表面积，可以利用其孔隙吸附氢气分子，使氢气分子被固定在碳渣内部，从而达到去除铝液中的氢气的目的。同时，阳极碳渣还可以作为发热剂，增加渣中铝流动性，减少废物的堆积。

本实施例中，原料还包括按重量份数计的Al-5Ti-0.2C 1-5份和纳米氧化饵粉5-15份。在合金冶炼过程中，Al-5Ti-0.2C生成TiC颗粒,TiC粒子性质较稳定,可有效作为形核质点,从而增加异质形核,提高熔体α(Al)形核率,使晶粒细化。纳米氧化饵粉可以形成Al₃Er，可显著细化合金铸态晶粒，能够在一定程度上抑制再结晶，提高合金热稳定性，提高铝合金的强度、耐腐蚀性能和耐热性能。Al-5Ti-0.2C、纳米氧化饵粉和氟钛酸钾配合，利用TiB₂粒子和TiC颗粒增加晶核，利用Al₃Er阻碍再结晶，三者配合可以减少晶粒长大，提高晶粒细化效果。

本实施例中，原料还包括按重量份数计的十水四硼酸钠1-7份。十水四硼酸钠可以降低渣的熔点以及铝液的粘度，增强铝液的流动性使得金属与渣更容易分离。

另一方面，提供一种铝铜合金精炼剂的制备方法，包括以下步骤：

将各原料放入水中得到混合料,水的质量为各原料总质量的5-13％，将混合料烘干至水分含量＜0.5％,烘干温度为60-350℃，烘干时间为1-3h，破碎，筛分，粒度控制在20-80目，温度降低至50-60℃真空密封装袋，袋重2-5kg。

实施例1

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃30g，Na₂SIF₆30g，K₂TiF₆15g，KBF₄15g，CaF₂6g，H₃BO₃2g，阳极碳渣2g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的10％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于120℃下恒温烘干2小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在60目；

当筛分后的原料温度降低至55℃真空密封装袋，袋重5kg。

实施例2

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃40g，Na₂SIF₆35g，K₂TiF₆10g，KBF₄8g，CaF₂5g，H₃BO₃1g，阳极碳渣1g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的8％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于200℃下恒温烘干1小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在50目；

当筛分后的原料温度降低至52℃真空密封装袋，袋重4kg。

实施例3

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃45g，Na₂SIF₆25g，K₂TiF₆10g，KBF₄12g，CaF₂3g，H₃BO₃3g,阳极碳渣2g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的5％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于60℃下恒温烘干3小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在20目；

当筛分后的原料温度降低至50℃真空密封装袋，袋重2kg。

实施例4

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃10g，Na₂SIF₆40g，K₂TiF₆10g，KBF₄10g，CaF₂6g，H₃BO₃2g，阳极碳渣2g，Al-5Ti-0.2C 5g和纳米氧化饵粉15g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的13％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于350℃下恒温烘干1小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在40目；

当筛分后的原料温度降低至50℃真空密封装袋，袋重2kg。

实施例5

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃50g，Na₂SIF₆20g，K₂TiF₆13g，KBF₄11g，CaF₂1g，H₃BO₃1g,阳极碳渣1g，Al-5Ti-0.2C 1g,纳米氧化饵粉5g和十水四硼酸钠1g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的10％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于160℃下恒温烘干1.5小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在60目；

当筛分后的原料温度降低至60℃真空密封装袋，袋重5kg。

实施例6

一种铝铜合金精炼剂，其原料组成如下：

Na₂CO₃15g，Na₂SIF₆15g，K₂TiF₆20g，KBF₄20g，CaF₂10g，H₃BO₃5g,阳极碳渣10g,Al-5Ti-0.2C 2g,纳米氧化饵粉6g和十水四硼酸钠3g；

制备方法为：按上述配比称取各原料，加入水中，水的质量为各原料总质量的12％，搅拌，得到混合料；

将混合料置于180℃下恒温烘干2小时,控制水分含量＜0.5％；

将烘干后的的原料进行破碎、筛分，粒度控制在50目；

当筛分后的原料温度降低至50℃真空密封装袋，袋重2kg。

对比例1

与实施例3区别之处在于，本对比例中不含有硼酸，其余部分相同。

对比例2

与实施例3区别之处在于，本对比例中不含有阳极碳渣，其余部分相同。

试验例

为了评估不同精炼剂对铝铜合金精炼效果的影响，选择一种市面上购买的精炼剂作为对照组，其配方包含氯化钠(NaCl)25g、氯化钾(KCl)40g以及氟化钠铝(NaAlF₆)10g，另外选择本发明实施例3的精炼剂为试验组，进行试验。

在实验室中，配制相同成分的铝铜合金25kg，其合金元素为:Cu:0.31，Si:0.16，Fe：0.25，Mn：0.10，Al：0.81，余量为其他元素。用石墨坩埚分别取称取10kg，按照1％的比例，每种精炼剂取100g(即铝液质量的1％)，将两种精炼剂分别用漏勺压入铝液中并搅拌3分钟。搅拌后，用渣瓢打去表面浮渣，观察并记录渣的情况。

结果如图1和图2所示，其中，图1为本发明实施例3精炼剂产出渣，图2为对照组精炼剂产出渣。经过对比可看出，使用市面上购买的精炼剂后，渣铝分离效果一般，铝渣呈现结块状，夹铝较多。而使用本发明实施例3的精炼剂后，铝渣分散，分离效果明显较好。

另外对两种精炼剂处理后的合金样品进行了金相分析。使用光学显微镜放大200倍，得到金相图如图3和图4所示：

图3为本发明实施例3的精炼剂处理后的铝铜合金金相图。

图4为对照组熔剂精炼后的铝铜合金金相图。图中黑色块状物为夹渣物，且存在大量针状相，表明合金中仍有未分离的杂质。

与图4相比，图3中黑色块状的夹渣物显著减少，针状相消失，晶粒细小且分布均匀，显示出合金的微观结构得到了改善。

按照上述方法分别对其他实施例以及对比例进行产出渣以及金相图比较，结果如下：

表1

组别	产出渣	显微结构
			实施例1	铝渣分散均匀，有轻微结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
实施例2	铝渣分散均匀，有轻微结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
			实施例3	铝渣分散均匀，几乎无结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
实施例4	铝渣分散均匀，无结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
			实施例5	铝渣分散均匀，无结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
实施例6	铝渣分散均匀，无结块	晶粒细小，分布均匀，无针状相
			对比例1	铝渣较为分散，有较大结块	晶粒大小一般，有轻微针状相
对比例2	铝渣较为分散，有较大结块	晶粒大小一般，有轻微针状相

根据表1可知，本发明实施例提供的铝铜合金精炼剂可以提高渣铝分离效果，有助于晶粒细化。

综上所述，本发明实施例提供的精炼剂在铝铜合金的精炼过程中表现出更优的渣铝分离效果和微观结构改善，有助于提高合金的综合性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝铜合金精炼剂，其特征在于，包括按重量份数计的以下原料：Na₂CO₃10-50份，Na₂SIF₆10-40份，K₂TiF₆10-20份，KBF₄10-20份，CaF₂1-10份，H₃BO₃1-5份和阳极碳渣1-10份。

2.根据权利要求1所述的铝铜合金精炼剂，其特征在于，所述原料还包括按重量份数计的Al-5Ti-0.2C 1-5份和纳米氧化饵粉5-15份。

3.根据权利要求2所述的铝铜合金精炼剂，其特征在于，所述原料还包括按重量份数计的十水四硼酸钠1-7份。

4.如权利要求1-3任一项所述的铝铜合金精炼剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将各原料放入水中得到混合料,将混合料烘干至水分含量＜0.5％,破碎，筛分，封装。

5.根据权利要求4所述的铝铜合金精炼剂的制备方法，其特征在于，水的质量为各原料总质量的5-13％。

6.根据权利要求4所述的铝铜合金精炼剂的制备方法，其特征在于，烘干温度为60-350℃，烘干时间为1-3h。

7.根据权利要求4所述的铝铜合金精炼剂的制备方法，其特征在于，混合料筛分后的粒度为20-80目。