一种向金属铝中渗碳方法及所得铝碳合金与流程

本发明属于冶金领域，具体涉及向金属铝中渗碳方法及所得铝碳合金。

背景技术：

1、电解铝，是生产铝材及铝合金材的原料。铝是强度低、塑性好的金属，除应用部分纯铝外，为了提高强度或综合性能，配成合金。铝中加入一种或多种合金元素，就能使其组织结构和性能发生改变，适宜作各种加工材或铸造零件。经常加入的合金元素有铜、镁、锌、硅等40多种元素。现有铝合金采用9个系列牌号，分别代表以铜、锰、硅、镁等为为主要合金元素的铝合金，但9个系列的铝合金中都不含碳。

2、早有国内外的企业、研究机构不断地尝试把碳融入铝合金中，但均未获得实质性突破。常规方式是选择石墨、石墨烯、石油焦、煤、煤焦粉和木炭等各种各样的碳粉加入铝合金中，采用熔融搅拌、低温搅拌、低温等离子渗透、3d打印+热处理、熔融+大电流辅助等方式，但效果不佳，因为碳与铝的渗透角度过大，铝水无法浸润碳，碳元素无法真正融入铝合金，现在已有的铝合金都视其中所含的碳为杂质，在铝合金中起破坏铝合金理化性能的作用，碳是尽量排除的元素，碳原子和铝原子无法形成稳定的化合物、络合物或中间合金物或未知的形态存在。因此现有的含碳铝合金不能视为真正的合金，其性能有着各种缺陷，如抗震性太差、耐热性太差、抗折性太差等问题存在，更不能类似于钢铁一样再融化后还能保持碳元素不会因为比重差等原因与铝分离、浮出。至今无法投入实际应用。

3、申请号为201110360403.3的专利公布了一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，包括如下步骤：(1)、采用常规设备和方法对tial基合金表面进行表面纳米化；(2)、对表面纳米化后tial基合金进行500℃～800℃低温渗碳，在样品表面制备出4～9um厚的渗碳层。这样的处理只是在材料表面渗入微米级别的碳层，也不能算含碳铝合金。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种向金属铝中渗碳方法，能够将碳融入铝合金中，提高铝合金的性能，还提供一种铝碳合金，和现有铝合金相比具备更好的性能。

2、本发明的技术方案。一种向金属铝中渗碳方法，在熔融状态的铝或铝合金中，加入氟化盐和碳粉，搅拌后冷却，得到渗碳的铝或铝合金。

3、所述氟化盐为氟化钾、氟化锂、氟化钠、氟化镁、氟化铝、氟化钙、氟硅酸盐、氟钛酸盐、氟硼酸盐、冰晶石或/和电解铝过程中产生的电解质，其中一种或2种以上混合。

4、所述氟化盐为氟化钠、氟化铝、冰晶石或/和电解铝产生的电解质，其中一种或2种以上混合。

5、所述氟化盐和碳粉先预先处理，将氟化盐熔融后加入碳粉混合，搅拌后冷却，然后粉碎后再加入熔融状态的铝或铝合金中。

6、所述氟化盐熔融温度为700-1200℃。

7、所述铝或铝合金的熔融温度为650-1200℃。

8、所述碳为煤、石墨、石墨烯、石油焦、煤焦粉、炭黑、阴极炭块、阳极炭块或/和木炭，其中一种或2种以上混合。

9、所述碳为煤、石墨烯、石墨或/和木炭，其中一种或2种以上混合。

10、一种铝碳合金，上述向金属铝中渗碳方法制得。

11、所述铝碳合金包括铝，以及和氟化盐反应的碳。

12、有益效果：本发明能够在金属铝以及铝合金中渗入碳，提升铝以及铝合金的性能，将氯化盐和碳一起进行渗碳处理，含有氟化盐的碳粉颗粒具备了渗透进入铝合金的功能，能够和铝结合更好，为此申请人做了相关试验如下：

13、1、回收铝电线中的铝，加热至750℃熔化得到原铝，将原铝浇铸得到拉伸试验样品，作为原铝组；按重量比例1000:100，在750℃熔融原铝中加入冰晶石和碳粉的混合物，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为原铝渗碳组一；将原铝渗碳组的样品按重量比例1000:1000加入原铝在750℃重熔，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为原铝渗碳稀释组一。冰晶石和碳粉的混合物，是重量比例100:100，将冰晶石熔融后加入碳粉搅拌后得到，碳粉粒径为120。

14、在750℃熔融原铝中加入电解槽中火眼碳渣、废阴极炭块和阳极残极，经粉碎、浮选后得到的碳粉，碳粉粒径为120，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为原铝渗碳组二；将原铝渗碳组的样品按重量比例1000:1000加入原铝在750℃重熔，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为原铝渗碳稀释组二。

15、采用gbt 228.1-2021 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法，对五组试验样品进行拉伸试验，所得结果分别见图1-5，试验结果可知，渗碳后的铝，能够大幅提升抗拉强度以及上下屈服强度。原铝组、原铝渗碳组和原铝渗碳稀释组的低倍率照片如图6-8，未渗碳的铝合金，晶粒明显粗大，渗碳后的铝合金，晶粒明显细小，渗碳稀释重铸后的铝合金，晶粒也明显细小。将原铝渗碳组和原铝渗碳稀释组的样品送至贵州省分析测试研究院进行碳含量送检，结果见图9和12，原铝渗碳组一的碳含量为0.052；0.052，原铝渗碳稀释组一的碳含量为0.0075；原铝渗碳组二的碳含量为0.025；0.021，原铝渗碳稀释组二的碳含量为0.012；0.0095。

16、2、从贵阳华恒机械制造有限公司购买的铝合金350，将铝合金350在750℃熔融，浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金350组；按重量比例1000:100，在熔融铝合金350中加入冰晶石和碳粉的混合物，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金350渗碳组；将铝合金350渗碳组的样品按重量比例1000:1000加入试验1中的原铝重熔，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金350渗碳稀释组。

17、将铝合金350组、铝合金350渗碳组和铝合金350渗碳稀释组的拉伸试验样品进行拉伸试验，所得结果分别见图13-15。试验结果可知，渗碳后的铝合金350，能够提升抗拉强度以及上下屈服强度。将铝合金350渗碳组和铝合金350渗碳稀释组的样品送至贵州省分析测试研究院进行碳含量送检，结果见图16和17。铝合金350渗碳组的碳含量为0.018；0.031，铝合金350渗碳稀释组的碳含量为0.0084；0.014。

18、3、回收铝合金门窗中的铝，熔化得到铝合金6061，将铝合金6061浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金6061组；按重量比例1000:100，在熔融铝合金6061中加入含有电解质的碳粉，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金6061渗碳组；将铝合金6061渗碳组的样品按重量比例1000:1000加入试验1中的原铝重熔，充分搅拌，浇铸得到拉伸试验样品，作为铝合金6061渗碳稀释组。

19、将铝合金6061组、铝合金6061渗碳组和铝合金6061渗碳稀释组的拉伸试验样品进行拉伸试验，所得结果分别见图18-20。试验结果可知，渗碳后的铝合金6061，能够大幅提升抗拉强度以及上下屈服强度。将铝合金6061渗碳组和铝合金6061渗碳稀释组的样品送至贵州省分析测试研究院进行碳含量送检，结果见图21和22。铝合金6061渗碳组的碳含量为0.021；0.037；0.020，铝合金6061渗碳稀释组的碳含量为0.013；0.012。

20、试验得出，首先，通过本发明的渗碳剂处理，可以在铝及铝合金中加入碳，并检测出碳含量，但碳含量稀释比例不稳定。其次，加入渗碳剂的铝合金，由照片对比可知碳可明显细化铝合金晶粒，由拉伸试验可知可优化铝合金的抗拉性、拉伸率、抗折性，但具体碳含量对于铝合金的优化效果也不确定。经申请人分析推测，可能是被熔融的电解质浸润过的碳粉颗粒发生了改性具备了能渗透进入铝合金的功能，使改性后的碳原子和铝原子能形成化合物或络合物，或其它未知结构的稳定形式存在，能够使得铝和碳的结合更稳定，使铝合金发生了根本性的改变，上述原因申请人会在后续研究和试验中跟进和验证。