一种铝合金用复合型镍元素添加剂
阅读说明：本技术 一种铝合金用复合型镍元素添加剂 (Composite nickel element additive for aluminum alloy ) 是由 马涛 马明明 赵卫涛 张娟 杨烁 王红伟 田新乐 李伟 娄月 张苹 范建海 王 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铝合金用复合型镍元素添加剂,其组分及质量百分含量为：雾化镍粉60～95％；铝粉1～20％；氟化钙2～8％；氟硅酸钠0～8％；碳酸钙0～8％；氟铝酸钾1～36.7％；微晶石蜡粉0.2～0.6％；乙二胺双硬脂酰胺0.1～0.5％；将混合好的物料通过液压机压制成圆饼状,单块重量在500～1500克,密度4.0～5.5g/cm～3。本发明的复合型镍元素添加剂在700～740℃条件下,Ni含量在0.5～2.3％时,8～20分钟可以达到96％以上的实收率,杂质含量低,熔化速度快,实收率高,烟气量小,安全性好。(The invention relates to a composite nickel element additive for aluminum alloy, which comprises the following components in percentage by mass: 60-95% of atomized nickel powder; 1-20% of aluminum powder; 2-8% of calcium fluoride; 0-8% of sodium fluosilicate; 0-8% of calcium carbonate; 1-36.7% of potassium fluoroaluminate; 0.2-0.6% of microcrystalline wax powder; 0.1-0.5% of ethylenediamine bisstearamide; pressing the mixed materials into round cakes by a hydraulic press, wherein the weight of each block is 500-1500 g, and the density is 4.0-5.5 g/cm 3 . The composite nickel element additive disclosed by the invention has the advantages that under the condition of 700-740 ℃, when the Ni content is 0.5-2.3%, the actual yield of more than 96% can be achieved in 8-20 minutes, the impurity content is low, the melting speed is high, the actual yield is high, the smoke amount is small, and the safety is good.)
技术领域
本发明属于铝合金领域，涉及铝合金添加剂，尤其是一种铝合金用复合型镍元素添加剂及其生产方法。
背景技术
工业纯铝具有良好的导电、导热、抗腐蚀、塑性加工等性能，可加工成板、带、箔和挤压制品等，但是力学性能较低，通过向铝中加入合金元素制成铝合金，可显著提高抗拉强度、硬度等力学性能。镍元素(Ni)是铝合金重要的合金化元素之一，在铝合金中可形成NiAl3等金属间化合物，提高合金的硬度、高温强度和体积、尺寸的稳定性，并有使铁元素(Fe)的化合物变成块状的倾向，即降低杂质元素铁(Fe)的有害作用，提高合金的焊接性能。
镍的熔点为1453℃，比铝的熔点660℃高793℃，密度为8.90g/cm3，比铝的密度2.70g/cm3高6.20g/cm3，如以纯金属镍直接加入到铝熔体中需要提高熔炼温度，延长熔炼时间，还易造成成分偏析，目前一般以Al-Ni中间合金的形式加入，但是其Ni含量一般在20％以内，熔炼时能耗较高，损耗较大，因此使用成本也高。镍元素添加剂与Al-Ni中间合金相比，具有有效含量高，Ni含量一般在75％及以上，达到同样的元素含量其用量较中间合金可减少73％以上，具有运输、仓储、使用成本低等优势。
目前，公开的镍元素添加剂一般由镍粉和助熔剂组成。如中国发明专利CN111235416A公布了一种高效绿色铝合金添加剂及其制备方法与应用，由金属粉和高活性超细铝粉组成，金属粉的质量百分比为70～90％，其余为高活性超细铝粉，其中的一种金属粉末为镍粉，可用于镍元素的添加；中国发明专利CN111270096A公布了一种高效环保型铝合金添加剂及其制备方法与应用，由金属粉和助溶剂组成，金属粉的质量百分比为70～90％，其余为助溶剂，其中的一种金属粉末为镍粉，可用于镍元素的添加；中国发明专利CN101709383A公开了一种高效环保型铝合金熔炼添加剂，主要由金属粉末、钾盐、硫磺粉组成，其中金属粉末提及了镍的金属粉末。
目前公开的专利存在以下一种或多种缺陷：①仅公布了其中一种元素添加剂的原材料为镍粉，规定了镍粉的纯度和粒度，但未明确镍粉的制备工艺，中国发明专利CN111270096A的实施例5中镍粉的纯度仅为92.30％，为镍合金粉，存在纯度低，杂质含量高的问题，也未说明镍元素添加剂的熔化速度等应用性能指标；②中国发明专利CN111270096A的助熔剂成分为KCl、MgCl2、KAlF4，其中的KCl、MgCl2吸湿性很强，用作添加剂的助熔剂在生产及存储过程中极易发生吸潮、潮解，投入熔炉后会发生爆炸的危险；③中国发明专利CN111235416A仅提及了金属粉末和铝粉的纯度和粒度，未给出镍元素添加剂的实施例，且所用铝粉为-325目的超细铝粉，在混料、放料的生产过程中超细铝粉极易飘散至空气中，出现铝粉尘爆炸的危险，并且铝粉尘还危害人体健康；④中国发明专利CN101709383A其中所含的硫磺粉加入铝液后燃烧会产生明显的刺激性气味，环保性差。⑤公布的镍元素添加剂均为单一型，或者为助熔剂型，或者为铝型，其中单一助熔剂型的烟气量相对较大，单一铝型的熔解性能要差，熔化时间相对更长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种速熔、低杂质、非吸湿性、安全、环保的铝合金用复合型镍元素添加剂，克服现有技术镍元素添加剂在熔化速度、纯净度、吸湿性、安全、环保等方面的不足。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种铝合金用复合型镍元素添加剂，其组分及质量百分含量为：
雾化镍粉 60～95％；
铝粉 1～20％
氟化钙 2～8％；
氟硅酸钠 0～8％；
碳酸钙 0～8％；
氟铝酸钾 1～36.7％；
微晶石蜡粉 0.2～0.6％
乙二胺双硬脂酰胺 0.1～0.5％；
将混合好的物料通过液压机压制成圆饼状，单块重量在500～1500克，密度4.0～5.5g/cm3。
而且，雾化镍粉的Ni含量≥99.5％，氢损≤0.3％；粒度为：20-150目；松装密度：3.0-4.0g/cm3；水分含量≤0.05％。
而且，其组分及质量百分含量为：雾化镍粉75％；铝粉5％；氟化钙3.5％；氟硅酸钠3％；碳酸钙2％；氟铝酸钾10.9％；微晶石蜡粉0.4％；乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
而且，铝粉，纯度≥99.7％，粒度：30-150目。
而且，氟化钙、氟硅酸钠、碳酸钙、氟铝酸钾、微晶石蜡粉、乙二胺双硬脂酰胺均为工业级，纯度≥98％，粒度：30-325目。
镍粉按其生产工艺的不同，可分为羰基镍粉、还原镍粉、电解镍粉、雾化镍粉等，其中，羰基镍粉是用羰基法生产的镍粉，为灰色或灰黑色不规则状粉末，在潮湿空气中易氧化，有毒性，主要用于粉末冶金、导电浆料、硅胶、电池、催化剂等；还原镍粉是用氢气还原氧化镍制得，为浅灰色球型粉末，主要用于合金结构钢、镍基摩擦材料、含镍磁性材料等；电解镍粉是将含镍的硫化物矿焙烧成氧化物，用炭还原成粗镍，再经电解制得，为灰黑色不规则树枝状粉末，主要应用于硬质合金、金刚石工具、碱性蓄电池、抗腐蚀颜料、磁性材料、粉末冶金零件、催化剂、汽车制造、原子能工业以及航空航天等领域或行业。以上3种镍粉一般为-200目或-300目的细粉末，易发生氧化燃烧，用于镍元素添加剂生产危险性较高。镍合金粉是以回收的镍合金零部件、加工屑等为原材料制备的镍粉，纯度一般不超过95％，主要杂质元素为Cr、Fe、Cu、Mn等。
本发明所用的镍粉为雾化镍粉，采用水雾化和气雾化两种工艺生产，以电解镍为原料，熔化后经雾化、过滤干燥、还原、筛分、合批、包装等工序制成。雾化镍粉的形态为银灰色的不规则球状，比表面积大，熔化速度快；当镍粉粒度过粗时，镍元素添加剂不易压制成型，成分不均匀，熔化速度慢，当粒度过细时，易发生氧化燃烧，烧损增加，降低镍元素添加剂的实收率。本发明中优选的镍粉质量标准如下：①成分：Ni含量≥99.5％，氢损≤0.3％，其它单个金属元素杂质含量≤0.04％；②粒度：20-150目，其中20目筛上、150目筛下的比例≤5％；③松装密度：3.0-4.0g/cm3；④水分≤0.05％。
在本发明中，氟铝酸钾的作用是分散、表面改性，促进镍粉的分散，熔解镍粉表面的氧化物，改善熔解性能；氟化钙的作用是在氟铝酸钾发挥分散、表面改性作用后，可对其进行吸附，减少烟气挥发，并改善渣铝分离效果，与氟铝酸钾协同发挥作用；氟硅酸钠的作用是分解放热，促进镍粉扩散熔解；碳酸钙的作用是放热，提升局部温度，加速镍粉的熔解；铝粉的作用是与镍粉混合后形成镍粉+铝粉的局部颗粒团，加入铝液后这部分颗粒团，优先发生放热反应，并生成NiAl3粒子，局部温度的提升，进一步加速了反应的进行，并且在盐类分散剂的协同作用下，复合型镍元素添加剂逐层快速熔解、扩散，被铝液吸收，完成合金化；微晶石蜡粉的作用是疏水、防潮，在产品表面形成一层疏水的保护膜，抑制产品吸湿；乙二胺双硬脂酰胺的作用是润滑，提高产品的成型性。
铝粉，纯度≥99.7％，粒度：30-150目。
氟化钙、氟硅酸钠、碳酸钙、氟铝酸钾、微晶石蜡粉、乙二胺双硬脂酰胺均为工业级，纯度≥98％，粒度：30-325目。
本发明的复合型镍元素添加剂生产方法如下：将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料500～1500千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为20～40分钟。然后将混合好的物料通过液压机压制成圆饼状，单块重量在500～1500克，密度4.0～5.5g/cm3，采用铝箔、纸箱包装。
本发明的优点和积极效果是：
①本发明的复合型镍元素添加剂使用雾化镍粉生产，雾化镍粉杂质含量低，性价比高，通过优选镍粉的粒度、松装密度，制成的镍元素添加剂成型性好，熔化速度快，实收率高，且安全性好，无毒害作用，可满足工业条件下镍元素添加剂的生产及质量要求。
②本发明的复合型镍元素添加剂是以盐类分散剂+铝粉制成的复合型镍元素添加剂，其中，盐类分散剂以氟铝酸钾为主，同时添加氟化钙、氟硅酸钠、碳酸钙等组成非吸湿性、安全环保型分散剂，分散剂加入铝液后可迅速扩散、分解，释放出热量，促使镍粉快速分散至铝液中熔解，并且使用时有更好的渣铝分离效果。铝粉可以和镍粉发生放热反应，在盐类分散剂的协同作用下，逐层快速熔解、扩散，被铝液吸收，完成合金化。本发明的复合型镍元素添加剂在生产和正常存储过程中不易发生吸湿、潮解、燃爆，提高产品的安全性。
③本发明的复合型镍元素添加剂以微晶石蜡粉作为疏水、防潮剂，降低吸湿性。
④本发明的复合型镍元素添加剂在700～740℃条件下，Ni含量在0.5～2.3％时，8～20分钟可以达到96％以上的实收率。
⑤本发明的复合型镍元素添加剂与常规的单一助熔剂型或单一铝型镍元素添加剂相比，熔化速度更快，杂质含量低，实收率高，烟气量小，安全性好。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：
一种铝合金用复合型镍元素添加剂，其组分及质量百分含量为水雾化镍粉60％、铝粉10％、氟化钙7％、碳酸钙8％、氟铝酸钾14.3％、微晶石蜡粉0.3％、乙二胺双硬脂酰胺0.4％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料600千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为20分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.2-4.4g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照实施例1制备的复合型镍元素添加剂用于4032变形铝合金的镍元素添加，加入温度722℃，加入量为1％，合金中Ni含量为0.60％，加入8分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为0.58086％，实收率为96.8％，渣铝分离效果好，烟气量小，符合合金标准。
按照实施例1制备的复合型镍元素添加剂在常规温湿度条件下(温度10-35℃，相对湿度20-90％)，放置6个月，表面无吸湿、潮解现象。
实施例2：
一种铝合金用复合型镍元素添加剂，其组分及质量百分含量为雾化镍粉75％；铝粉5％；氟化钙3.5％；氟硅酸钠3％；碳酸钙2％；氟铝酸钾10.9％；微晶石蜡粉0.4％；乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照实施例2制备的复合型镍元素添加剂用于8001变形铝合金的镍元素添加，加入温度720℃，加入量为1.493％，合金中Ni含量为1.12％，加入12分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为1.09312％，实收率为97.6％，渣铝分离效果好，烟气量小，符合合金标准。
按照实施例2制备的复合型镍元素添加剂在常规温湿度条件下(温度10-35℃，相对湿度20-90％)，放置6个月，表面无吸湿、潮解现象。
实施例3：
一种铝合金用复合型镍元素添加剂，镍含量为90％，其组分及质量百分含量为水雾化镍粉90％、铝粉3.0％、氟化钙2％、氟硅酸钠1％、氟铝酸钾3.5％、微晶石蜡粉0.3％、乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1500千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为40分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量1000±10克，密度：5.0-5.2g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照3千克/包，24千克/纸箱进行包装。
按照实施例3制备的复合型镍元素添加剂用于2218变形铝合金的镍元素添加，加入温度727℃，加入量为2.256％，合金中Ni含量为2.03％，加入16分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为1.95692％，实收率为96.4％，渣铝分离效果好，烟气量小，符合合金标准。
按照实施例3制备的复合型镍元素添加剂在常规温湿度条件下(温度15-35℃，相对湿度30-90％)，放置6个月，表面无吸湿、潮解现象。
对比例1：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为60％，其组分及质量百分含量为电解镍粉(纯度99.7％，粒度：-200目)60％、氟化钙7％、碳酸钙8％、氟铝酸钾24.3％、微晶石蜡粉0.3％、乙二胺双硬脂酰胺0.4％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料600千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为20分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.2-4.4g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例1制备的镍元素添加剂用于4032变形铝合金的镍元素添加，加入温度721℃，加入量为1％，合金中Ni含量为0.60％，加入10分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为0.55321％，实收率为92.2％，加入20分钟后再次搅拌，取样检测，Ni含量检测值为0.55205％，实收率为92.0％，说明10分钟时已达到稳定的实收率。另外根据同期价格对比，电解镍粉要比水雾化镍粉高约1万元/吨，但制成的60％含量的镍元素添加剂实收率反而比水雾化镍粉制成的低约4.6个百分点。
对比例1说明电解镍粉并不适用于镍元素添加剂的生产，镍粉的选择对实收率和材料成本有显著的影响，本发明确定的雾化镍粉在成本、实收率、熔化速度等方面具有综合优势。
对比例2：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为75％，其组分及质量百分含量为镍合金粉(纯度92.30％，主要杂质元素Cr含量为6.80％，粒度：20-200目)81.3％、氟化钙4.5％、氟硅酸钠3％、碳酸钙2％、氟铝酸钾8.6％、微晶石蜡粉0.4％、乙二胺双硬脂酰胺0.2％。将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例2制备的镍元素添加剂用于8001变形铝合金的镍元素添加，加入温度722℃，加入量为1.467％，合金中Ni含量为1.10％，加入15分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为0.98561％，实收率为89.6％；加入20分钟后再次搅拌，取样检测，Ni含量检测值为1.03625％，实收率为94.2％，Cr含量0.07786％，其中Cr含量已超过GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金成分》国家标准中8001合金Cr含量≤0.05％的要求，会降低其产品质量或因杂质超标而造成报废。
对比例2说明低纯度的合金镍粉并不适用于镍元素添加剂的生产，会造成所用产品中杂质元素超标，镍粉的选择对客户产品质量的符合性有显著的影响，本发明确定的雾化镍粉在纯净度、熔化速度、实收率等方面具有综合优势。
对比例3：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为75％，其组分及质量百分含量为镍合金粉(纯度92.30％，主要杂质元素Cr含量为6.80％，粒度：20-200目)81.3％、氯化钾5％、氯化镁5％、氟铝酸钾8.7％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例3制备的镍元素添加剂在常规温湿度条件下(温度15-35℃，相对湿度30-90％)，放置3天，表面已出现吸湿、潮解现象，无法使用。
对比例4：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为75％，其组分及质量百分含量为气雾化镍粉75％、氟硅酸钠3％、碳酸钙2％、氟铝酸钾19.4％、微晶石蜡粉0.4％、乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例4制备的镍元素添加剂用于8001变形铝合金的镍元素添加，加入温度723℃，加入量为1.493％，合金中Ni含量为1.12％，加入15分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为1.08646％，实收率为97.0％，符合合金标准，但是渣铝分离效果较差，烟气量较大。
按照对比例4制备的助熔剂型镍元素添加剂，在相同条件下熔化时间比实施例2的复合型镍元素添加剂要长约3分钟。
对比例5：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为75％，其组分及质量百分含量为气雾化镍粉75％、氟化钙4.5％、氟硅酸钠3％、碳酸钙2％、氟铝酸钾15.3％、乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例5制备的镍元素添加剂在常规温湿度条件下(温度10-35℃，相对湿度20-90％)，放置3个月，表面有吸潮、氧化现象。
对比例6：
一种铝合金用镍元素添加剂，镍含量为75％，其组分及质量百分含量为气雾化镍粉75％、铝粉24.4％、微晶石蜡粉0.4％、乙二胺双硬脂酰胺0.2％。
将符合要求的物料按照本发明涉及的配方比例进行配料，每批次配料1000千克，将物料投入混料机进行混合，混合时间为30分钟。然后，将混合好的物料使用液压机压制成圆饼状，单块重量500±10克，密度：4.6-4.8g/cm3，制成的镍元素添加剂进行成分、密度和水分检测，检测合格后采用铝箔包裹，按照2.5千克/包，20千克/纸箱进行包装。
按照对比例6制备的镍元素添加剂用于8001变形铝合金的镍元素添加，加入温度723℃，加入量为1.493％，合金中Ni含量为1.12％，加入15分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为0.97104％，实收率为86.7％；加入20分钟后搅拌均匀，取样检测，Ni含量检测值为1.07856％，实收率为96.3％，符合合金标准，烟气量小，但是渣铝分离效果差。
按照对比例6制备的铝型镍元素添加剂，在相同条件下熔化时间比实施例2的复合型镍元素添加剂要长约8分钟。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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