一种Al-Bi-Ni难混溶合金及其制备方法

一种al-bi-ni难混溶合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种al-bi-ni难混溶合金及其制备方法，属于有色金属合金技术领域。


背景技术：

2.难混溶合金的特点是在凝固过程会发生液-液分离现象，引起严重的宏观偏析，从而不易采用铸造方法制备。在难混溶合金的二元相图中存在一个液-液不混溶区间，当均质熔体在凝固过程中经过不混溶区间时，单相熔体分解成两种不相溶的液相，发生液-液分离反应。首先形成少量的液相形核，随后经历扩散长大、ostwald熟化、marangoni运动、brownian运动等共同作用，第二相液滴粗化并在重力作用下上浮或下沉，引起宏观偏析。难混溶合金由于其特殊的物理与化学特性，在超导材料、电子封装材料、半导体和自润滑轴承材料等方面具有很大的应用潜力。其中，al-bi系难混溶合金是以硬质的al为基体，软质的富bi弥散相分布在基体中，具有自润滑特性。均质的al-bi合金具有良好的导热性和耐磨性，因其资源丰富、成本低廉而在汽车轴瓦材料中具有应用前景。
3.难混溶合金在凝固过程中极易发生偏析，为了使富bi相弥散分布在al基体中，大大增加了对生产设备的要求。因此，抑制富bi相偏析，制备出均质的难混溶合金是生产优质汽车轴瓦材料的关键。
4.目前，研究表明在凝固过程中施加外加磁场可细化合金颗粒并使其均匀分布，抑制偏析。发明专利20211263542.4公开了强磁场调控难混溶合金凝固组织的一种方法，得到强磁场凝固处理后cu
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合金由偏析的核壳结构转变成均质结构。发明专利202111387322.2公开了一种通过强磁场复合熔体过热处理制备均质难混溶合金的方法，得到了通过强磁场改变熔体结构，使熔体成分均匀，增大形核过冷度，抑制偏析。发明专利200710047493.4公开了一种制备无偏析的偏晶合金材料的方法及其装置，得到了稳恒磁场与交变电流复合作用来抑制合金第二相的偏析，获得第二相弥散分布的难混溶合金，从而提高合金的性能。以上专利中外加磁场的发生装置为强磁体的方法，需要采用超导磁体或大型水冷电阻磁体，对工业生产设备的要求较高，不利于在工业生产中应用。磁场与交变电流复合作用的方法，电磁作用力在熔体不同位置差异大，在生产中不易操控。
5.一些学术文章对如何利用稳恒磁场降低难混溶合金中的宏观偏析进行了探讨；其中张林等(东北大学学报(自然科学版)，2010，31(06):816-819)在研究水平稳恒磁场对zn-10％bi过偏晶合金第二相分布的影响时发现，水平稳恒磁场对富bi相的marangoni运动有一定的抑制作用；安田秀幸(isij int,2003,43(46):942-949)在研究强磁场对cu-pb偏晶合金凝固的影响时发现，强磁场降低了富cu液滴的上升速度，使宏观偏析减弱；张林等(金属学报.2010,46(04):423-428)在研究强磁场对cu-80％pb过偏晶合金中富cu颗粒迁移行为的影响中，发现了强磁场减小了富cu相的粗化和试样的偏析程度；王江等(物理学报,2009,58(02):893-900)在研究强磁场复合交变电流作用下zn-30wt％bi偏晶合金的凝固实验中发现，单独施加纵向强磁场对合金的偏析有一定的改善作用。以上的文献中，磁场作用
于二元的难混溶合金，而没有与本专利所提出的添加元素形成的化合物协同作用，因此对第二相运动的影响有限，仅能减轻宏观偏析，不能完全抑制第二相的沉降行为。
6.通过添加第三组分可细化难混溶合金第二相并使其均匀分布，抑制偏析，进一步提高合金性能。发明专利201711073537.0公开了一种具有针状增强相的al基难混溶合金及其制备方法，得到了ti的添加生成了长棒状的al3ti原位生成相，增强了基体的硬度提高了合金的耐磨性能；发明专利201710026348.1公开了一种具有棒球复合结构颗粒的难混溶合金的制备方法，得到了稀土金属nd的添加生成了富bi相包裹着棒状结构的金属间化合物ndbi2的颗粒，棒状的ndbi2与富bi相的润湿性较好，可作为富bi相的异质形核质点，促进富bi相形核，使其弥散分布于al基体中，提高了合金的自润滑性能；发明专利201911017746.2公开了一种添加b、cu两组元制备均质难混溶合金的方法，得到了长棒状的alb2固相和网状al2cu相，可抑制偏析得到均质且耐磨性能好的的难混溶合金。发明专利201710404159.3公开了一种大块匀质al-bi难混溶合金及其制备方法，得到了添加稀土元素、混合稀土金属或稀土中间合金，可有效的细化颗粒提高合金性能。以上专利中，仅采用添加第三组元的方法，在实际应用中在小尺寸铸锭中有减轻合金宏观偏析的效果，在铸锭尺寸较大的难混溶合金时仍可能产生宏观偏析，限制了工业化大尺寸合金铸锭的生产和应用。


技术实现要素：

7.针对现有技术中，不能完全解决al-bi难混溶合金在凝固过程中极易出现偏析，限制了其应用价值的问题，本发明提出了一种al-bi-ni难混溶合金及其制备方法。
8.本发明提出在熔炼过程中添加适量的ni粉到al-bi难混溶合金中，制备出弥散分布的富bi相以及分布在al枝晶间隙的al3ni相。ni粉在熔体中与al基体反应，生成al3ni2、al3ni等化合物，作为形核质点促进了富bi相的形核率，从而使凝固过程中生成的富bi液滴尺寸细化。同时，al-ni化合物分散在熔体中阻碍了富bi相的直接下降通道，而水平方向施加的稳恒磁场对导电熔体和悬浮物产生制动作用，使al-ni化合物保持分散，多种作用相结合使富bi液滴难以直接下沉或在熔体对流中进行运动，由此抑制了富bi液滴的宏观偏析，使合金铸锭组织中的富bi相均匀弥散分布。凝固后期溶于al基体的部分ni元素和al-ni化合物转变为al3ni分布于al枝晶间隙。弥散分布的富bi相与al3ni化合物同时提高了合金的自润滑性能与硬度。
9.一种al-bi-ni难混溶合金，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 3～20％，ni 0.1～2％，余量为al。
10.优选地，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 10～20％，ni 1～2％，余量为al。
11.进一步优选地，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 15～20％，ni 1.5～2％，余量为al。
12.本发明所得合金的凝固组织中具有al基体、均匀弥散分布的球状富bi相、以及分散在al枝晶间隙中的al3ni化合物。
13.本发明的另一目的是提供上述al-bi-ni难混溶合金的制备方法。
14.一种al-bi-ni难混溶合金的制备方法，在惰性气氛保护下，先将金属al加热至完全熔化，再向熔体中加入金属bi，在温度1000℃～1100℃，保温3～10min，得到完全混溶的
合金熔体后，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散，得al-bi-ni合金熔体；将所得al-bi-ni合金熔体在外加水平稳恒磁场作用下注入铜模中，得al-bi-ni合金熔体铸坯。
15.优选地，以纯金属al、纯金属bi和纯金属ni粉为原料，在惰性气氛保护下，先将金属al锭置于中频感应炉中加热，当温度达到1000℃时，金属al完全熔化，再向熔体中加入金属bi，然后控制中频感应炉加热功率，在温度1000℃～1100℃，保温3～10min，得到完全混溶的合金熔体后，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散，得al-bi-ni合金熔体；关闭感应电源，然后将所得al-bi-ni合金熔体在外加水平稳恒磁场作用下注入内腔厚度为0.5～40mm的板坯铜模中，得到al-bi-ni合金板状铸坯。
16.进一步地，所述惰性气氛为氩气气氛。
17.进一步地，外加水平稳恒磁场强度为0.2～1t，由永磁体或直流电磁体提供。
18.进一步地，壁厚大于50mm，内腔厚度为0.5～40mm，内腔高度与宽度不限。
19.本发明的有益效果为：本发明所述al-bi难混溶合金的制备方法，结合0.2～1t水平稳恒磁场的作用与添加第三组元ni所生成化合物的作用，制备富bi相细小且弥散分布的al-bi难混溶合金，质软的富bi相弥散分布在al基体中。本发明方法中，水平稳恒磁场与al-ni化合物的作用相结合，可以阻碍富bi液滴的下沉运动，抑制宏观偏析。本发明方法中添加第三组元ni到al-bi难混溶合金中，凝固过程中生成的al-ni化合物促进了富bi液滴形核，细化了富bi颗粒，提高了合金的硬度。
20.本发明提供的al基难混溶合金的制备方法可解决难混溶合金现有的宏观偏析，工艺复杂，对生产设备要求较高等问题，本发明所制备的al-bi难混溶合金组织均匀，有良好的自润滑耐磨性能，可作为轴承材料。
附图说明
21.图1为本发明实施例1在水平稳恒磁场1t，板坯铜模内腔厚度40mm条件下制备的al-3％bi-0.1％ni合金的微观组织；
22.图2为本发明实施例3在水平稳恒磁场0.6t，板坯铜模内腔厚度10mm条件下制备的al-10％bi-1.5％ni合金的微观组织；
23.图3为本发明实施例5在水平稳恒磁场0.2t，板坯铜模内腔厚度0.5mm条件下制备的al-20％bi-2％ni合金的微观组织；
24.图4为本发明对比例1制备al-10％bi难混溶合金的微观组织。
具体实施方式
25.下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
26.下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
27.具体实施方式之一：
28.一种富bi相均匀弥散分布的al-bi-ni难混溶合金的制备方法，包括以下步骤：
29.以纯金属al、纯金属bi和纯金属ni粉为原料，在惰性气氛保护下，先将金属al锭置
于中频感应炉中加热，当温度达到1000℃时金属al完全熔化，再向熔体中加入金属bi，然后控制中频感应炉加热功率，在温度1000℃～1100℃时，保温3～10min，得到完全混溶的合金熔体，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散。关闭感应电源，然后将所述合金熔体在外加水平稳恒磁场作用下注入内腔厚度为0.5～40mm的板坯铜模中，得到al-bi-ni合金板状铸坯。
30.优选地，所述金属bi的质量占全部金属原料总质量的3～20％，进一步优选为10～20％，更进一步地，15～20％。
31.优选地，所述ni粉的质量占全部金属原料总质量的0.1～2％，进一步优选为1～2％，更进一步地，1.5～2％。
32.优选地，所述水平稳恒磁场磁感应强度为0.2～1t。
33.优选地，所述惰性气氛由惰性气体为氩气。
34.本发明通过添加第三组元ni制备了均质难混溶合金，获得了富bi相细小且弥散分布在al基体上的al-bi难混溶合金。
35.水平磁场在凝固过程中施加在板坯侧面，抑制了熔体对流，与al-ni化合物的阻碍作用相结合，抑制了富bi液滴的下沉运动，消除了富bi相的宏观偏析。
36.实施例1
37.一种al-3％bi-0.1％ni难混溶合金及其制备方法，具体为：
38.以纯金属al、纯金属bi和纯金属ni粉为原料，各元素含量按重量百分比为：al为96.9％，bi为3％，ni为0.1％称量。
39.在惰性气氛保护下，通过真空感应熔炼，先将金属al锭置于中频感应炉中加热，当温度达到1000℃时金属al完全熔化，再向熔体中加入金属bi，然后控制中频感应炉加热功率，在温度1000℃时，保温10min，得到完全混溶的合金熔体，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散。关闭感应电源，然后将所述合金熔体在外加水平稳恒磁场1t作用下注入内腔厚度为40mm的板坯铜模中，得到al-3％bi-0.1％ni合金板状铸坯。
40.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-bi难混溶合金，如图1所示，图中黑色为al基体，白色球形液滴为富bi相以及灰色的al3ni相。抑制了熔体对流，阻碍了富bi相液滴的碰撞凝并，抑制了stokes运动及marangoni运动，增强了基体的强度，提高了al-bi难混溶合金的硬度。本实施例制备出富bi相弥散分布的al-3％bi-0.1％ni难混溶合金。其维氏硬度为33.3hv。
41.实施例2
42.方法同实施例1，不同点在于：
43.(1)各元素含量按重量百分比为：al为94％，bi为5％，ni为1％。
44.(2)水平稳恒磁场磁感应强度为0.8t。
45.(3)铜模内腔厚度为20mm。
46.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-5％bi-1％ni难混溶合金。其维氏硬度为35.28hv。
47.实施例3
48.方法同实施例1，不同点在于：
49.(1)各元素含量按重量百分比为：al为88.5％，bi为10％，ni为1.5％。
50.(2)水平稳恒磁场磁感应强度为0.6t。
51.(3)铜模内腔厚度为10mm。
52.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-10％bi-1.5％ni难混溶合金，如图2所示。其维氏硬度为36.8hv。
53.实施例4
54.方法同实施例1，不同点在于：
55.(1)各元素含量按重量百分比为：al为83％，bi为15％，ni为2％。
56.(2)水平稳恒磁场磁感应强度为0.4t。
57.(3)铜模内腔厚度为5mm。
58.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-15％bi-2％ni难混溶合金。其维氏硬度为37.84hv。
59.实施例5
60.方法同实施例1，不同点在于：
61.(1)各元素含量按重量百分比为：al为78％，bi为20％，ni为2％。
62.(2)水平稳恒磁场磁感应强度为0.2t。
63.(3)铜模内腔厚度为0.5mm。
64.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-20％bi-2％ni难混溶合金，如图3所示。其维氏硬度为38.62hv。
65.对比例1
66.方法同实施例3，不同点在于：
67.各元素含量按重量百分比为：al为90％，bi为10％。没有添加ni。铸造过程中没有施加磁场。
68.本实施例制备方法制备出富bi相弥散分布的al-10％bi难混溶合金，如图4所示。其维氏硬度为27.43hv。

技术特征：
1.一种al-bi-ni难混溶合金，其特征在于，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 3～20％，ni 0.1～2％，余量为al。2.根据权利要求1所述的难混溶合金，其特征在于，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 10～20％，ni 1～2％，余量为al。3.根据权利要求1所述的难混溶合金，其特征在于，所述合金的凝固组织中具有al基体、均匀弥散分布的球状富bi相、以及分散在al枝晶间隙中的al3ni化合物。4.一种al-bi-ni难混溶合金的制备方法，其特征在于，在惰性气氛保护下，先将金属al加热至完全熔化，再向熔体中加入金属bi，在温度1000℃～1100℃，保温3～10min，得到完全混溶的合金熔体后，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散，得al-bi-ni合金熔体；将所得al-bi-ni合金熔体在外加水平稳恒磁场作用下注入铜模中，得al-bi-ni合金熔体铸坯。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以纯金属al、纯金属bi和纯金属ni粉为原料，在惰性气氛保护下，先将金属al锭置于中频感应炉中加热，当温度达到1000℃时，金属al完全熔化，再向熔体中加入金属bi，然后控制中频感应炉加热功率，在温度1000℃～1100℃，保温3～10min，得到完全混溶的合金熔体后，加入ni粉，继续保温1min使ni粉在电磁力搅拌作用下分散，得al-bi-ni合金熔体；关闭感应电源，然后将所得al-bi-ni合金熔体在外加水平稳恒磁场作用下注入内腔厚度为0.5～40mm的板坯铜模中，得到al-bi-ni合金板状铸坯。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气气氛。7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，外加水平稳恒磁场强度为0.2～1t，由永磁体或直流电磁体提供。8.根据权利要求5所述的方法，所述板坯铜模：壁厚大于50mm，内腔厚度为0.5～40mm，内腔高度与宽度不限。

技术总结
本发明涉及一种Al-Bi-Ni难混溶合金及其制备方法，属于有色金属合金技术领域。一种Al-Bi-Ni难混溶合金，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：Bi 3～20％，Ni0.1～2％，余量为Al。本发明所述Al-Bi难混溶合金的制备方法，结合0.2～1T水平稳恒磁场的作用与添加第三组元Ni所生成化合物的作用，制备富Bi相细小且弥散分布的Al-Bi难混溶合金，质软的富Bi相弥散分布在Al基体中。本发明方法中，水平稳恒磁场与Al-Ni化合物的作用相结合，可以阻碍富Bi液滴的下沉运动，抑制宏观偏析。本发明方法中添加第三组元Ni到Al-Bi难混溶合金中，凝固过程中生成的Al-Ni化合物促进了富Bi液滴形核，细化了富Bi颗粒，提高了合金的硬度。提高了合金的硬度。


技术研发人员：张林 王恩刚 郭飞
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/12