鋅-鋁-鉭中間合金及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋅-鋁-鉭中間合金及其制備方法和應(yīng)用，制備的鋅-鋁-鉭中間合金可用于細(xì)化鋅-鋁合金中初生α-Al晶粒。
【背景技術(shù)】
[0002]鋅-鋁合金因其優(yōu)良鑄造工藝、機械加工工藝性能及一定的優(yōu)良力學(xué)性能，有著較為廣泛的市場應(yīng)用。含鋁量大于5wt.%的鋅-鋁合金結(jié)晶凝固范圍寬，在凝固過程中容易生成尺寸較大、分枝復(fù)雜的初生α -Al樹枝晶，由此帶來成分偏析、縮松、縮孔等組織結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而帶來力學(xué)、耐腐蝕性能下降等問題。故實際生產(chǎn)中通常向鋅-鋁合金中添加晶粒細(xì)化劑以細(xì)化晶粒組織，以獲得理想的合金組織結(jié)構(gòu)和性能。
[0003]目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾種鋅基中間合金細(xì)化劑，如:Zn-Ti，Zn-Zr, Zn-Al-Zr,Zn-Al-T1、Zn-Al-T1-B，Zn-Al-T1-C,等。這些中間合金細(xì)化劑主要是以含有鈦或鋯元素為基礎(chǔ)。實際生產(chǎn)中，鋅-鋁合金中往往可能會添加其它各種各樣的化學(xué)元素(如銅、錳、鎂等)，也可能會不可避免地含有各種雜質(zhì)元素(如鐵、鉛等)。在用中間合金進(jìn)行晶粒細(xì)化時，中間合金可能會與待細(xì)化的合金中的某些元素發(fā)生干涉作用而產(chǎn)生不利效果，例如用Zn-Al-T1-C細(xì)化含有硅元素的鋅-鋁合金時，硅元素會與鈦元素在熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且生成物會覆蓋在形核粒子TiC的表面，從而導(dǎo)致細(xì)化效果的大大下降(即細(xì)化“中毒”現(xiàn)象)；含有Zr元素的中間合金在細(xì)化含有B元素的鋅-鋁合金時會因Zr與B的反應(yīng)導(dǎo)致中間合金細(xì)化“中毒”問題。由于鋅-鋁合金中的元素種類多種多樣，有時一種鋅-鋁合金中會同時含有多種元素，因此細(xì)化“中毒”情況也會多種多樣。要解決這一問題，就需要為實際生產(chǎn)提供基于不同元素體系的不同種類的中間合金細(xì)化劑，以便在不同的應(yīng)用中能夠容易做出有利選擇。因此，開發(fā)不含有鋯或鈦元素的更多其它種類的高效鋅基中間合金細(xì)化劑在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種鋅-鋁-鉭中間合金，該中間合金對鋅-鋁合金具有高效晶粒細(xì)化作用。
[0005]本發(fā)明還提供了該中間合金的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種鋅-鋁-鉭中間合金，其特征在于:由以下質(zhì)量百分含量的成分組成:鉭1_14%，鋁5-40%，其余為鋅；
所述的Ta元素以TaAl3xZnx化合物粒子形式鑲嵌于中間合金的基體中，其中，0.25〈χ〈1.I ；
所述的基體為鋅-鋁基體。
[0007]上述鋅-鋁-鉭中間合金中，所述的TaAl3 合物粒子為球形或多面體狀，粒子外徑尺寸為0.1-4 μ m，大多數(shù)外徑尺寸在0.5-2 μ m范圍內(nèi)； 上述鋅-招-鉭中間合金中，所述的TaAl3 xZnx化合物粒子為體心四方晶體結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明鋅-鋁-鉭中間合金的制備方法，包括以下步驟:
1)稱取m(l-0.0lk-0.0ln)克純鋅、m (0.01k+0.0025η)克純鋁和0.02169mn克K2TaF7;其中，m為鋅-鋁-鉭中間合金的總質(zhì)量，k%S鋁在鋅-鋁-鋯中間合金中的質(zhì)量百分含量，n%為鉭在鋅-招-錯中間合金中的質(zhì)量百分含量；
2)將純鋁和純鋅同時放入熔化爐內(nèi)熔化至650-730°C，得鋅-鋁熔體，然后保持650-730 °C 加入 K2 TaF7并反應(yīng) 5_60min ；
3)步驟2)反應(yīng)后的鋅-鋁熔體分成上層油狀物和下層合金熔體兩層，去掉上層油狀物，將下層合金熔體充分?jǐn)嚢韬鬂沧⑷肽＞咧?，合金熔體凝固后即得鋅-鋁-鉭中間合金。
[0009]上述制備方法中，步驟I)所述的K2TaF7為粉末，粉末顆粒尺寸為0.1-10 μ m。
[0010]上述制備方法中，步驟2)所述的K2TaF7* 1_5批次加入，每批次K 2 TaF7W入后反應(yīng)時間為5-15min。
[0011]上述制備方法中，步驟2)所述的K2TaF7加入后，在反應(yīng)過程中對熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁D(zhuǎn)速為80-200轉(zhuǎn)/分鐘。
[0012]上述鋅-鋁-鉭中間合金的應(yīng)用:可用于細(xì)化鋅-鋁合金中的a-Al晶粒，方法為向鋅-鋁合金熔體中加入比例為0.2-4wt.%的鋅-鋁-鉭中間合金，保溫5-20min后，攪拌鋅-鋁合金熔體，然后澆注。
[0013]本發(fā)明上述中間合金的制備方法中，將K2 TaF7W入鋁液后發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):
3KZ TaF7 + (14-3x)Al + xZn = 6KF + 5A1F3+ 3TaAl3 xZnx
其中的KF和AlF3以液體形式漂浮于合金熔體上層，TaAl 3 ^!^固體粒子進(jìn)入合金熔體中。
[0014]制備方法中，通過分批加入K2 TaF7和進(jìn)行熔體攪拌能夠控制所生成的TaAl 3 xZnx的長大，使之具有較小的尺寸且在熔本中分布均勻。
[0015]本發(fā)明所提供的鋅-鋁-鉭中間合金在鋅-鋁基體中含有大量的尺寸小于3 μπι的TaAl3 χΖηχ(0.25<χ<1.1)化合物粒子，此粒子具有體心四方晶體結(jié)構(gòu)。將此中間合金加入到待細(xì)化的鋅-鋁合金熔體中后，中間合金基體熔化后釋放出TaAl3 χΖηχ (0.25<χ<1.1)固體粒子，在隨后的鋅-鋁合金凝固過程中這些粒子會成為a -Al晶粒結(jié)晶形核的基底(圖7)，從而使鋅-鋁合金的晶粒由復(fù)雜的大尺寸樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的花瓣甚至是多面體晶粒(圖3、4、5、6 )。所給鋅-鋁-鉭中間合金中的大多數(shù)TaAl3xZnJi子尺寸控制在0.5-2 μπι范圍內(nèi)是因為:這個尺寸范圍可有效的充當(dāng)a-Al晶粒結(jié)晶的形核基底，尺寸太小時粒子的形核能力下降，尺寸偏大時單個粒子形核能力強但是粒子數(shù)量會因此大大減少而使合金的總體細(xì)化能力下降且粒子尺寸偏大還會帶來粒子在中間合金中易沉淀等一系列質(zhì)量問題。
[0016]本發(fā)明提供的鋅-鋁-鉭中間合金具有高效的晶粒細(xì)化效果，且制備方法簡單，為鋅-鋁合金的晶粒細(xì)化提供了在鈦、鋯系中間合金之外的另一個選擇。
【附圖說明】
[0017]圖1為實施例1所制Zn_27wt.%Al_7wt.%Ta中間合金的掃描電鏡(SEM)低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖中白色顆粒為TaAl3 xZnx粒子，灰色和淺白色物相為鋅-鋁基體； 圖2為實施例1所制Zn-27Al-7Ta中間合金的掃描電鏡(SEM)高倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖中白色顆粒分子式為TaAl3 xZnx，灰色和淺白色物相為鋅_鋁基體；
圖3為未細(xì)化Zn-30wt.%Al合金的光學(xué)顯微鏡照片；圖中發(fā)亮的晶粒組織為初生α -Al晶粒；
圖4為在Zn-30wt.%A1合金中加入0.5%實施例1所制備的Zn_27Al_7Ta中間合金進(jìn)行細(xì)化后的光學(xué)顯微鏡照片；圖中發(fā)亮的晶粒組織為初生α -Al ;
圖5為在Zn-30wt.%A1合金中加入1%實施例1的Zn_27Al_7Ta中間合金進(jìn)行細(xì)化后的光學(xué)顯微鏡照片；圖中發(fā)亮的晶粒組織為初生α -Al ;
圖6為在Zn-30wt.%A1合金中加入3%實施例1的Zn_27Al_7Ta中間合金進(jìn)行細(xì)化后的光學(xué)顯微鏡照片；圖中發(fā)亮的晶粒組織為初生α -Al ;
圖7為在Zn-30wt.%A1合金中加入1%實施例1的Zn_27Al_7Ta中間合金進(jìn)行細(xì)化后的掃描電鏡照片；
圖8為圖7中I處的掃描電鏡能譜圖。
【具體實施方式】
[0018]下面通過具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，需要說明的是，下述實施例僅是為了解釋本發(fā)明，并不對
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)行限定。
[0019]實施例1
一種鋅-鋁-鉭中間合金，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成:鉭7%，鋁27%，其余為鋅，即Zn-27Al-7Ta中間合金。
[0020]制備1000克上述Zn-27Al_7Ta中間合金，步驟為:
1)稱取原料純鋅660克、純鋁287.5克和K2TaF7 151.83克；其中K2TaF7為粉末，粉末顆粒尺寸為0.1-10 μ m ；
2)將純鋁和純鋅同時放入熔化爐內(nèi)熔化至650-730°C，得鋅-鋁熔體，然后保持650-730°C分2批加入K2 TaF7,每批次K2 TaF7加入后反應(yīng)7min，反應(yīng)過程中用碳棒進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分鐘；
3)步驟2)反應(yīng)后的鋅-鋁熔體分成上層油狀物和下層合金熔體兩層，去掉上層油狀物，將下層合金熔體充分?jǐn)嚢韬鬂沧⑷肽＞咧校辖鹑垠w凝固后即得Zn-27Al-7Ta
中間合金。
[0021]本實施例制備的Zn-27Al_7Ta中間合金，其化學(xué)成分由以下質(zhì)量百分比的組元構(gòu)成:鉭7%，鋁27%，余量為鋅。鉭元素以TaAl3 xZnx (0.25〈x〈l.1)化合物粒子的方式鑲嵌于鋅-鋁基體中。TaAl3 xZnx (0.25〈x〈l.1)具有體心四方晶體結(jié)構(gòu)，粒子尺寸在0.1-4 μπι范圍內(nèi)，大多數(shù)尺寸在0.5-2 μπι范圍內(nèi)，其顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1為低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖2為高倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖1中，用X射線衍射與掃描電鏡相結(jié)合分析可知:白色顆粒為TaAl3 χΖηχ (0.25<χ<1.1)，具有體心四方晶體結(jié)構(gòu)，灰色和淺白色物相為鋅-鋁基體。圖2中，白色顆粒分子式為TaAl3xZnx (0.25<χ<1.1)，灰色和淺白色物相為鋅-鋁基體；
向Zn-30wt.%A1鋅-鋁合金熔體中加入比例為0.5wt.%的實施例1的Zn-27Al_7Ta中間合金，保溫5-20min后，攪拌鋅-鋁合金熔體，然后澆注。未細(xì)化Zn_30wt.