專利名稱：Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法，同時(shí)涉及了 Zn-Al-Cr中間合金在Zn-Al合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用，屬于金屬合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含鋁量大于5wt. %的Zn-Al合金具有優(yōu)良的力學(xué)、鑄造工藝及機(jī)械加工工藝性能，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。然而這類合金在凝固過(guò)程中容易 生成發(fā)達(dá)的初生a-Al樹枝晶。對(duì)鋅-鋁合金中發(fā)達(dá)的a -Al樹枝晶進(jìn)行控制以減小晶粒尺寸、減少枝晶分枝數(shù)目甚至使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽缂?xì)化小的等軸晶，會(huì)大大提高材料力學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)減少組織中的縮孔、縮松及成分偏析等各種微結(jié)構(gòu)缺陷。故實(shí)際生產(chǎn)中通常向鋅-鋁合金中添加晶粒細(xì)化劑以細(xì)化a-Al晶粒組織。目前常用的鋅-鋁合金晶粒細(xì)化劑以鋁基中間合金(如Al-Ti、Al-Sr中間合金)、鹽類(如K2TiF6X稀土為常見，這些細(xì)化劑在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題稀土和鋁基中間合金熔化溫度大大高于鋅-鋁合金熔煉溫度，為使細(xì)化劑熔入鋅-鋁合金并分布均勻，細(xì)化時(shí)需要提高熔煉溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，這會(huì)大大提高生產(chǎn)成本；鋅-鋁合金(特別是鋁含量較低時(shí))加入鋁基中間合金細(xì)化劑之后鋁含量會(huì)產(chǎn)生較大的變化，進(jìn)而可能會(huì)產(chǎn)生某些性能的改變；鹽類加入鋅-鋁熔體中后有效細(xì)化元素的吸收不穩(wěn)定，使加入量無(wú)法精確控制，且細(xì)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生其它鹽類化合物，成為鋅-鋁合金中的夾雜物而惡化其力學(xué)性能。故鋅鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)中需要加入與自身熔化溫度和化學(xué)成分相近的鋅-鋁基中間合金細(xì)化劑。目前已經(jīng)出現(xiàn)含有鈦元素的鋅-鋁基Zn-Al-Ti-B、Zn-Al-Ti中間合金，但這些中間合金仍然存在一些問(wèn)題。如申請(qǐng)?zhí)枮?01110233071.2的中國(guó)發(fā)明專利給出了一種鋅-鋁-鈦-硼中間合金，可用于細(xì)化鋅-鋁合金中的初生a -Al晶粒，但此發(fā)明需要用氟鹽進(jìn)行制備，制備過(guò)程中會(huì)釋放出有毒氣體或固體，污染環(huán)境且影響生產(chǎn)工人的身體健康，而且增加了廢棄物處理的生產(chǎn)工序，同時(shí)所制備的中間合金基體中可能會(huì)因清渣不完全而殘留固體氟鹽化合物，這樣的中間合金加入到待細(xì)化的鋅-鋁合金中后會(huì)降低其力學(xué)性能，或引發(fā)其它產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。此外，上述中間合金細(xì)化劑以含有鈦元素為主，而鋅鋁合金往往會(huì)含有Si、Pb、Fe、Mn、Cu等元素，有些元素會(huì)與細(xì)化劑中的Ti元素發(fā)生反應(yīng)而使細(xì)化劑的晶粒細(xì)化效果下降。如Si元素會(huì)在鋅-招合金熔體中與Ti元素或含Ti化合物反應(yīng)生成對(duì)細(xì)化無(wú)效的Ti-Al-Si三元化合物而使含鈦中間合金的晶粒細(xì)化效果下降甚至消失。因此，鋅-鋁合金的晶粒細(xì)化還需要不含鈦元素的細(xì)化劑，以適應(yīng)不同類型鋅-鋁合金的晶粒細(xì)化之需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種Zn-Al-Cr中間合金，該中間合金以鋅-鋁合金為基體，與鋅-鋁合金有相近的基體成分，相近的熔化溫度，加入到鋁含量高于5wt. %的鋅-鋁合金中后能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速熔化釋放出鉻元素和含鉻固體粒子而使其中的初生a-Al晶粒在凝固過(guò)程中發(fā)生細(xì)化。本發(fā)明還提供了上述Zn-Al-Cr中間合金的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種Zn-Al-Cr中間合金，包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr 0. 01-16wt. % ；A1 :8-50wt. % ;余量為Zn。進(jìn)一步的，Cr元素的存在形式為Zn、Al、Cr三種元素組成的三元化合物。進(jìn)一步的，所述三元化合物包括Cr14 (Zn, Al) 86> Cr (Zn, Al) 7> Cr (Zn, Al) 4 或Cr (Zn，Al) 13中的一種或多種。 本發(fā)明還提供了 Zn-Al-Cr中間合金的制備方法，包括以下步驟
(1)稱取純鋁錠、純鉻和純鋅錠作為原料，備用；
(2)將50-90wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至900-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)3-20分鐘使之完全混熔后停止加熱；
(3)將剩余純鋁錠加入到上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使熔體溫度維持在800-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使熔體溫度維持在460-780°C ；
(5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，澆入鑄模，凝固后即得Zn-Al-Cr中間合金。優(yōu)選的,步驟(I)中純鉻的顆粒粒度為0. l-15mm。本發(fā)明還提供了 Zn-Al-Cr中間合金在鋅-鋁合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用。其優(yōu)選的應(yīng)用方法如下將Zn-Al-Cr中間合金加入到鋁含量高于5wt.%的鋅-鋁合金中用于細(xì)化其中的初生a -Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中間合金的加入量滿足Cr元素在細(xì)化后鋅-鋁合金中的含量為0. 01-0. 2wt%。采用本發(fā)明方法制備的Zn-Al-Cr中間合金中的鉻元素在鋅-鋁基體中主要以Cr14(Zn, AD86^Cr (Zn，Al) 7、Cr (Zn，Al)4或Cr (Zn，Al) 13等三元化合物形式存在。將中間合金加入到鋅-鋁合金熔體內(nèi)后，中間合金的鋅-鋁基體熔化并釋放出上述三元化合物固體粒子和部分Cr元素原子，在鋅-鋁合金凝固過(guò)程中使初生a-Al因形核數(shù)目大大增多從而產(chǎn)生高效的細(xì)化作用。由于中間合金與鋅-鋁合金有相近的熔化溫度，從而保證進(jìn)行晶粒細(xì)化時(shí)中間合金加入到鋅-鋁合金中后能夠迅速熔化并均勻分布，以降低鋅-鋁合金熔煉溫度、減少熔煉、處理時(shí)間，從而大大降低生產(chǎn)成本。


圖I為未細(xì)化Zn-30A1合金在580°C澆注冷卻后的光學(xué)顯微鏡照片。圖2 為 Zn-30A1 合金在 580°C加入比例為 0. 5% 的 Zn_45wt. %Al_10wt. %Cr 中間合金并保溫15分鐘進(jìn)行細(xì)化后的光學(xué)顯微鏡照片。圖I和圖2中發(fā)亮的晶粒組織為初生a -Al，兩圖中除了未添加和添加Zn-45wt. %Al-10wt. %Cr中間合金的區(qū)別之外,其余冷卻凝固和取樣條件完全相同。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，需要說(shuō)明的是，下述實(shí)施例僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行限定。實(shí)施例I
Zn-45wt. %Al-10wt. %Cr中間合金的制備,其制備步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠45%、純鉻10%、純鋅錠45%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為7_ ；
(2)將70wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至1000-1200°C，將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)15分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余30wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在830-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在650-780°C ；
(5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋垢鹘M元混合均勻，澆入鑄模，凝固后即得Zn-45Al-10Cr 中間合金。上述Zn-45Al_10Cr中間合金對(duì)含鋁量5wt. %以上的鋅-鋁合金中的初生a -Al晶粒有較好的細(xì)化效果。將其以0. 5wt. %的比例加入到580°C的Zn-30A1合金熔體中保溫15分鐘后澆注，可使Zn-30A1合金凝固后的初生a -Al晶粒得到顯著的細(xì)化細(xì)化前初生a -Al樹枝晶分枝發(fā)達(dá)、尺寸較大且極不均勻(見附圖1)，細(xì)化后初生a -Al晶粒變?yōu)槌叽巛^小的花瓣?duì)罨蚨嗝骟w粒子晶粒(見附圖2)。實(shí)施例2· Zn-35wt. %Al-5wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠35%、純鉻5%、純鋅錠60%，備用；其中，
純鉻的顆粒粒度平均為3mm ；
(2)將80wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至950-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)5分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余20wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在800-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在600-730°C ；
(5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋垢鹘M元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-35Al-5Cr中間合金。此中間合金與實(shí)施例I中的中間合金對(duì)鋅-鋁合金有類同的晶粒細(xì)化效果。實(shí)施例3
Zn-25wt. %Al-4wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠25%、純鉻4%、純鋅錠71%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為5_ ；
(2)將80wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至950-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)10分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余20wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在850-910°C ；(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率至合適大小，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在560-730°C ；
(5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋垢鹘M元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-25Al-4Cr中間合金。此中間合金與實(shí)施例I中的中間合金對(duì)鋅鋁合金有類同的晶粒細(xì)化效果。實(shí)施例4
Zn-lOwt. %Al-2wt. %Cr中間合金的制備,其步驟如下
(1)按下列質(zhì)量比例稱取原料純鋁錠10%、純鉻2%、純鋅錠88%，備用；其中，純鉻的顆粒粒度平均為IOmm ； (2)將75wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至1000-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)15分鐘使純鉻完全熔入鋁熔體中，停止加熱；
(3)將剩余25wt.%的純鋁錠加入上述鋁鉻合金熔體，然后調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在850-910°C ；
(4)將純鋅錠加入上述鋁合金熔體中，然后調(diào)節(jié)電爐的功率至合適大小，使純鋅錠完全熔化并使合金熔體溫度維持在500-700°C ；
(5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋垢鹘M元混合均勻，然后澆入鑄模，凝固后即得Zn-10Al-2Cr中間合金。此中間合金與實(shí)施例I中的中間合金對(duì)鋅鋁合金有類同的晶粒細(xì)化效果。
權(quán)利要求
1.一種Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr 0. 01-16wt. % ；A1 :8-50 wt. % ;余量為 Zn。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，Cr元素的存在形式為Zn、Al、Cr三種元素組成的三元化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Zn-Al-Cr中間合金，其特征在于，所述三元化合物包括Cr14(Zn, Al) 86、Cr (Zn, Al) 7、Cr (Zn, Al) 4 或 Cr (Zn, Al)13 中的一種或多種。
4.一種權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的Zn-Al-Cr中間合金的制備方法,其特征在于,包括以下步驟 (1)稱取純鋁錠、純鉻和純鋅錠作為原料，備用； (2)將50-90wt.%的純鋁錠用感應(yīng)電爐熔化至900-1200°C，然后將純鉻分批加入到鋁熔體中，繼續(xù)反應(yīng)3-20分鐘使之完全混熔后停止加熱； (3)將剩余純鋁錠加入到上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋁錠完全熔化并使熔體溫度維持在800-910°C ； (4)將純鋅錠加入上述鋁鉻合金熔體中，調(diào)節(jié)電爐的功率，使純鋅錠完全熔化并使熔體溫度維持在460-780°C ； (5)將上述合金熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，澆入鑄模，凝固后即得Zn-Al-Cr中間合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中純鉻的顆粒粒度為0.l_15mm0
6.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的Zn-Al-Cr中間合金在鋅-鋁合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于^fZn-Al-Cr中間合金加入到鋁含量高于5wt.%的鋅-鋁合金中用于細(xì)化其中的初生a-Al晶粒，其中，Zn-Al-Cr中間合金的加入量滿足Cr元素在細(xì)化后鋅-鋁合金中的含量為0. 01-0. 2wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Zn-Al-Cr中間合金及其制備方法和應(yīng)用，所述的Zn-Al-Cr中間合金包括以下質(zhì)量百分比的組分Cr0.01-16wt.%；Al8-50wt.%；余量為Zn；采用以下制備方法按配比稱取原料，取純鋁錠的50-90wt.%用感應(yīng)電爐熔化，后把純鉻分批加入到鋁熔體中，使之混熔后停止加熱；把鋅錠加入使之混溶，攪拌均有，澆鑄即得。本發(fā)明還涉及在鋅-鋁合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用。本發(fā)明還能降低鋅-鋁合金熔煉溫度、減少熔煉、處理時(shí)間，從而大大降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C22C18/04GK102719706SQ20121022040
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者楊中喜, 王振卿, 耿浩然 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)