一種Al-B-RE中間合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種A1-B-RE中間合金的制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域中材料及冶 金技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁(A1)，原子序數(shù)13，原子量27，為銀白色輕金屬，熔點約660°C，沸點2327°C，密度 2.7g/cm3,具有較強(qiáng)的韌性和抗拉強(qiáng)度、優(yōu)良的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)導(dǎo)電材料金屬銅相比，電導(dǎo) 率是銅的62%，但密度僅為銅的33%。在電阻相同的條件下，銅和鋁的體積比為0.618,重量 比為2.03,因此用鋁代替銅作為導(dǎo)電材料已經(jīng)獲得越來越多的應(yīng)用。然而眾所周知，工業(yè)純 錯中通常含有一定數(shù)量的雜質(zhì)元素，如3^6、11、￥、0、21'、]/[11等，這些元素以溶解狀態(tài)存在 于固溶體中，易吸收導(dǎo)電材料的自由電子，以填充它們尚未填滿的電子殼層，從而導(dǎo)致材料 的導(dǎo)電性大幅下降。為了消除這些元素對鋁導(dǎo)電性的影響，一般需要進(jìn)行凈化處理除去這 些雜質(zhì)元素，即，在鋁熔煉時通過添加特殊元素，使其與雜質(zhì)元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一些 不溶性化合物，從而達(dá)到清除雜質(zhì)，提高鋁導(dǎo)電性的目的。目前，凈化處理中使用最多的是 硼和稀土元素，其添加方式多樣，如電解槽中直接電解稀土或硼砂、熔煉爐內(nèi)加硼鹽(KBF4) 等，其中以中間合金(A1-B、A1-RE)方式進(jìn)行添加具有操作簡單方便、添加量易控制、不產(chǎn)生 煙霧、不污染電解槽、不侵蝕耐火材料等優(yōu)點，因而成為目前工業(yè)上最主要的添加方式。
[0003] 大量的研究表明，硼和稀土均對鋁熔體中雜質(zhì)元素有很好的凈化作用，但是在實 際工業(yè)運用中總是被單一使用，致使凈化效果未能達(dá)到極致，而實際上，這兩種元素在雜質(zhì) 元素的凈化過程中具有很好的互補效應(yīng)，其中，硼對于!^、&、111等過渡族元素具有很強(qiáng) 的作用，能形成高熔點、大密度的硼化合物，之后通過靜置沉降或過濾進(jìn)行除去;稀土對過 渡族元素雜質(zhì)的作用很小，但對于Fe和Si具有非常明顯的作用，而且還可以顯著提高導(dǎo)電 材料的力學(xué)、耐腐蝕及耐熱等性能，因此，如果能把這兩種元素同時進(jìn)行添加，將使鋁在導(dǎo) 電過程中的各種性能得到很好的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種A1-B-RE中間合金的制備方法，該方法制 備的A1-B-RE中間合金雜質(zhì)少、B實收率高。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種A1-B-RE中間合金的制備方 法，首先在中頻感應(yīng)爐內(nèi)氟硼酸鉀和鋁液的合金化反應(yīng)，然后添加稀土元素，再除渣、除氣， 最后澆鑄即得，具體步驟如下：
[0006] (1)原料配制:按照A1-B-RE中間合金的比例計算各原料的重量，稱取備用；
[0007] (2)純鋁熔化:在中頻感應(yīng)爐內(nèi)將稱取的鋁錠加熱至680~720°C，直至鋁錠完全熔 化成鋁液；
[0008] (3)添加鉀冰晶石粉末:在鋁液表面中鋪上鉀冰晶石粉末；
[0009] (4)KBF4第一次加料：當(dāng)鉀冰晶石粉末全部熔化后，邊機(jī)械攪拌邊向鋁液中第一次 加入KBF4,第一次KBF4加入量為KBF4總加入重量的65~75%;加料速度控制在15~20kg/min，以降低KBF4的揮發(fā);加入KBF4結(jié)束后繼續(xù)機(jī)械攪拌3~8min，然后靜置5~15min，使KBF4 充分反應(yīng)；
[0010] (5)清除渣層:將KBF4和鋁液反應(yīng)后產(chǎn)生的渣液倒掉一部分，得到熔體；
[0011] (6 )KBF4第二次加料:邊機(jī)械攪拌邊向熔體中第二次加入KBF4，第二次KBF4加入量 為第一次加入KBF4后剩余的KBF4,加入速度控制在10~15kg/min，以降低KBF4的揮發(fā);第二 次加入KBF4結(jié)束后，繼續(xù)機(jī)械攪拌3~5min，然后靜置5~15min;
[0012] (7)表面渣層處理:將中頻感應(yīng)爐升溫至800~850°C，保溫，機(jī)械攪拌3~5min，然 后清除熔體表面渣層；
[0013] (8)除氣和除渣處理：用石墨管通氬氣或氮氣，通氣量以讓熔體從下至上連續(xù)翻滾 沸騰為宜，熔體里的殘渣會不斷浮出表面;通氣3~5min后，移除石墨管，關(guān)閉氣源，將表面 浮出的殘渣清除掉；
[0014] (9)添加稀土合金:將預(yù)熱至400~500°C的A1-10RE中間合金塊加入熔體中，待A1-10RE中間合金塊完全恪化后，機(jī)械攪拌3~8min;
[0015] (10)二次除氣、除渣及澆注：利用高速旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)，通氬氣對熔體進(jìn)行除氣5~ lOmin，夾雜在熔體內(nèi)部的渣會自動浮在表面，之后將這些浮渣清除掉，澆注，得到純凈的 A1-B-RE中間合金。
[0016] 步驟(3)中鉀冰晶石粉末用量為鋁液總重量的1.5~2.5%。
[0017] 所述Al-Ti-B中間合金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物一鉀冰晶石粉末中為KA1F4和 K3A1F6質(zhì)量比3~3.2:1的混合物。
[0018] 所述鉀冰晶石粉末中還含有Ti元素，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%以下。
[0019] 步驟(5)中倒掉渣液的量為第一次KBF4加入重量的70~73%。
[0020] 步驟(7)表面渣層處理過程中加入CaF2輔助清除渣層，CaF2的加入量為KBF4總加入 重量的1~1.5%。
[0021] 所述石墨管的孔徑為20mm。
[0022] 本發(fā)明有益效果：
[0023] 1、高B實收率(80 %以上）。傳統(tǒng)氟鹽法制備A1-B中間合金時，溫度高，KBF4的揮發(fā) 量大，而且氧化燒損嚴(yán)重，導(dǎo)致B元素的實收率低。本發(fā)明采用較低的KBF4和鋁液的合金化 溫度(680-720°C)，并控制了加料速度，減少了KBF4的揮發(fā)，而邊加料邊攪拌，能夠使KBF4均 勻的分布在反應(yīng)界面，避免因KBF4的堆積而造成局部過熱、生成物偏析等問題，又能夠增加 KBF4化學(xué)反應(yīng)速度和程度，從而提高了B實收率，降低了生產(chǎn)成本。
[0024] 2、熔體流動性好。在合金化反應(yīng)之前于鋁液表面先鋪上一層鉀冰晶石粉末，該粉 末熔化后在鋁液表面形成一層水渣，該水渣一方面可以改善KBF4和鋁液反應(yīng)后生成渣的粘 稠性，促進(jìn)鋁液和渣的分離；另一方面它處于鋁液和KBF4原料之間，可以起到KBF4原料過渡 層的目的，使KBF4原料均勻的與鋁液發(fā)生反應(yīng)，避免了A1液局部位置發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)而 帶來的急劇升溫現(xiàn)象，從而有效抑制了A1B2向A1B12相的轉(zhuǎn)變行為。此外，由于該鉀冰晶石粉 末是在Al-Ti-B中間合金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，因此粉末里面擁有少量的Ti元素。這部 分Ti正好可以破壞A1B2的網(wǎng)狀構(gòu)造，改善熔體的流動性，保證后期的除渣和澆注過程的順 利進(jìn)行，同時，因為這部分的Ti元素含量比較低，所以又不會影響最后A1-B中間合金的雜質(zhì) 元素總含量。
[0025] 3、質(zhì)量高。本發(fā)明在中頻感應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)，利用中頻感應(yīng)爐的電磁攪拌作用并伴以 加料時的機(jī)械攪拌，不僅破碎了一些大尺寸的A1B2和A14RE顆粒，使整體A1B2和A14RE顆粒尺 寸減小，并且分布均勻，有效防止了A1B2和A14RE顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，消除偏析，有效提高了A1-B-RE中間合金的質(zhì)量。
[0026] 4、稀土燒損少。添加A1-10RE中間合金時，先將其預(yù)熱至400°C-500°C，使其熔化時 間顯著縮短，從而減少了RE元素在高溫下存在的時間，降低了燒損程度，提高了RE實收率。
[0027] 5、潔凈度高。RE的加入有效改善了合金熔體的流動性，在輔助于電磁攪拌和高速 旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)的作用使得熔體內(nèi)夾渣清除得很干凈，因此，最終得到的A1-B-RE中間合金具有 很高的潔凈度。
[0028] 6、B的化合物相單一。研究表明，960°C以上時，會發(fā)生A1B2向A1B12轉(zhuǎn)變的反應(yīng)，而 A1B12相的出現(xiàn)會使A1-B-RE的凈化作用下降，因此，保證不出現(xiàn)A1B12相十分重要。本發(fā)明工 藝由于在化合反應(yīng)時有一層鉀冰渣層作為過渡層，有效阻止了局部高溫現(xiàn)象的發(fā)生，而且 其他過程也未超過900°C_950°C，因此不會發(fā)生A1B2向相轉(zhuǎn)變，最后得到的A1-B-RE 中間合金中B化合物相單一，從而保證A1-B-RE中間合金的質(zhì)量。
[0029] 7、工藝簡單，操作方便。本發(fā)明中沒有使用復(fù)雜的設(shè)備，也沒有出現(xiàn)繁瑣的工藝流 程，因此對于生產(chǎn)企業(yè)來說工藝簡單，操作方便。
【附圖說明】
[0030] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031] 圖1為實施例1A1-3B-0.5RE中間合金的金相圖；
[0032]圖2為實施例2A1-4B-1RE中間合金的金相圖；
[0033]圖3為實施例3A1-5B-1RE中間合金的金相圖。
【具體實施方式】
[0034]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0035] 本發(fā)明所用鋁錠的純度為99.7%，KBF4的純度為98%。
[0036] 實施例1
[0037]本實施例A1-3B-0.5RE中間合金的制備方法，具體步驟如下：
[0038] (1)原料配制:按照A1-3B-0.5RE中間合金的比例計算各原料的重量，稱取備用；
[0039] (2)純鋁熔化:在中頻感應(yīng)爐內(nèi)將鋁錠995kg加熱至700°C，直至鋁錠完全熔化成鋁 液，清除鋁液表面的雜質(zhì)及氧化膜；
[0040] (3)添加鉀冰晶石粉末:在鋁液表面鋪上鉀冰晶石粉末20kg;
[0041] (4)KBF4第一次加料：當(dāng)鉀冰晶石粉末全部熔化后，邊攪拌邊向鋁液中第一次加入 KBF4245kg;加入速度控制在18kg/min，以降低KBF4的揮發(fā);加料KBF4結(jié)束后繼續(xù)攪拌8min， 然后靜置15min，使KBF4充分反應(yīng)；
[0042] (5)清除渣層:將KBF4和鋁液反應(yīng)后產(chǎn)生的渣層倒掉180kg，得到熔體；
[0043] (6)KBF4第二次加料:邊攪拌邊向熔體中第二次加入KBF4l05kg，加料速度控制在 15kg/min，以降低KBF4的揮發(fā);第二次加入KBF4結(jié)束后，繼續(xù)攪拌3min，然后靜置8min;
[0044] (7)表面渣層處理:將中頻感應(yīng)爐升溫至850°C，保溫，機(jī)械攪拌3min，倒掉表面渣 層；同時加入5kgCaF2粉末，中和表面殘留的液態(tài)渣，并將中和過程產(chǎn)生的渣也一起清除干 凈；
[0045] (8)除氣和除渣處理:用一根孔徑為20mm的石墨管通氬氣或氮氣插入熔體底部，通 氣量以讓熔體從下至上連續(xù)翻滾沸騰為宜，熔體里的殘渣會不斷浮出表面;通氣3min后，移 除石墨管，關(guān)閉氣源，將表面浮出的殘渣清除掉；
[0046] (9)添加稀土合金:將預(yù)熱至450°C的A1-10RE中間合金塊50kg加入熔體中，待A1- 10RE中間合金塊完全恪化后，機(jī)械攪拌5min;
[0047] (10)二次除氣、除渣及澆注:利用高速旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)，通氬氣對熔體進(jìn)行除氣5min， 夾雜在熔體內(nèi)部的渣會自動浮在表面，之后將這些浮渣清除掉，澆注，得到純凈的A1-3B-0.5RE中間合金。
[004