一种半固态除铁制备再生耐热抗蠕变铝合金的方法

本技术属于铝硅合金回收，更具体地，涉及一种半固态除铁制备再生耐热抗蠕变铝合金的方法。

背景技术：

1、铝硅合金回收产业是全球铝工业突破资源环境瓶颈、实现价值重构与产业升级的关键路径。从资源与环境维度分析，全球铝土矿资源储量有限，原生铝生产过程中每生产1吨铝需消耗13~15万kwh电能，并伴随约17吨二氧化碳的排放，这与节能减排的需要存在矛盾。在经济价值层面，再生铝生产能耗仅为原生铝的5%，碳排放量减少95%，生产成本可降低30%~50%，展现出突出的经济效益。在市场需求端，汽车轻量化趋势、新能源汽车（电机壳体、电池托盘）及航空航天领域对高性能铝硅合金的需求呈爆发式增长。然而，当前行业面临传统回收工艺“五高一低”的技术瓶颈，即设备投资成本高、能源消耗高、环境污染高、操作复杂度高、原料适配要求高，同时存在产品性能稳定性低的问题，导致90%以上的废铝资源处于降级回收状态，高端铝硅合金再生技术体系尚未健全。

2、当前铝硅合金回收工艺主要有以下不足：（1）除铁效率低下：传统工艺除铁率普遍＜60%，难以将fe含量降至原铝级标准（≤0.2wt%），导致fe残留≥0.34wt%，严重影响回收合金的力学性能。（2）富铁相控制不足：现有回收工艺无法有效细化富铁相，富铁相粒径通常≥15μm，且易形成针状β-alfesi脆性相，显著降低回收合金的力学性能。（3）除铁剂效果有限：现有工艺通过添加mn或ce等传统除铁剂仅能部分改善铁相形态，难以实现深度除铁和性能提升的双重目标。（4）设备与工艺复杂、回收能耗高：传统阶梯式坩埚单台成本超2000元，维护复杂、操作门槛高、清理时间长（＞3h），导致回收效率低下。同时，现有回收工艺普遍存在流程繁琐、成本高、能耗高、环境污染大等问题。例如，专利申请cn119640072a通过对铝硅合金进行多级熔炼与mn-cr复合除铁，并利用振动设备对铸造模具施加振动场，通过调控振幅和频率使模具中的初晶富铁相振动，实现低铁再生铝硅合金的制备，存在工艺流程繁琐、能耗高，产生大量废渣的问题。

3、因此，亟需开发一种工艺简单、能耗低，且能够高效除铁、细化富铁相、协同提升回收合金力学性能、耐热抗蠕变性能的废铝硅合金回收方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种半固态除铁制备再生耐热抗蠕变铝合金的方法，旨在解决传统废铝硅合金回收工艺存在的除铁效率低、富铁相控制不足、设备与工艺复杂等问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种半固态除铁制备再生耐热抗蠕变铝合金的方法，包括如下步骤：

3、s1、将废铝硅合金熔融得到熔体，然后加入含mn元素、ce元素、la元素、ta元素和nb元素的复合改性剂，待完全熔化后降温得到半固态浆料，然后进行半固态沉降除铁；

4、其中，mn元素与废铝硅合金中fe的质量比为(0.8~1.5):1，ta元素与废铝硅合金中fe的质量比为(0.05~0.2):1，ce元素和la元素的总用量为废铝硅合金质量的0.1wt%~0.15wt%；并且，nb元素和ta元素的质量比为(1~1.2):1；ce元素和la元素的质量比为2:1；

5、s2、取上层熔体铸造成型，得到再生耐热抗蠕变铝合金。

6、优选地，步骤s1中，上述废铝硅合金中，fe的质量百分含量为0.8%~1.5%。

7、优选地，步骤s1中，上述废铝硅合金中，si的质量百分含量为6.5%~10%。

8、优选地，步骤s1中，上述熔融的温度为720℃~740℃；和/或，

9、上述完全熔化的温度为720℃~740℃；和/或，

10、上述半固态浆料的固相率为50%~60%。

11、优选地，步骤s1中，上述半固态沉降除铁的具体操作为：将上述半固态浆料在磁场作用下恒温沉降，使富铁相沉降分离。

12、优选地，上述半固态沉降除铁于双层嵌套式坩埚中进行。上述双层嵌套式坩埚包括：

13、内层坩埚，用于容纳物料，其底部开设有导流孔；

14、外层保温组件，嵌套于上述内层坩埚的外部，包括：环绕设置于上述内层坩埚外周的加热线圈、设置于上述加热线圈外周的真空罐，以及设置于上述加热线圈与上述真空罐之间的保温层，用于隔热保温；

15、外层可分离式坩埚，设置于上述内层坩埚的下方，通过上述导流孔与上述内层坩埚连通，用于承接经导流孔流出的物料；

16、其中，上述外层可分离式坩埚与上述内层坩埚通过可拆卸结构连接，便于分离与取料。

17、优选地，步骤s2中，上述再生耐热抗蠕变铝合金，以质量百分比计，包括如下组分：

18、si:7%~10%、fe≤0.3%、ta:0.1%~0.18%、nb:0.12%~0.2%、mn:0.2%~0.5%、cu:≤0.2%、ce与la的加和:0.05%~0.15%、mg≤0.15%、余量为al和不可避免的杂质；杂质≤0.1%；

19、并且，ta与nb的质量比为(1~1.3):1，mn与fe的质量比为（1.5~2):1，ce与la的质量比为2:1。

20、优选地，步骤s1中，上述再生耐热抗蠕变铝合金还包括如下组分中的一种或多种：

21、ti:0%~0.2%、ni:0%~2.5%、sn:0%~0.05%、zn:0%~3%。

22、第二方面，本技术提供了一种耐热抗蠕变铝合金，其采用上述方法制备得到。

23、第三方面，本技术提供了一种耐热抗蠕变的结构件，该结构件的至少一部分为采用上述方法制得的再生耐热抗蠕变铝合金，或为上述耐热抗蠕变铝合金。

24、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具有以下的技术优点：

25、（1）本技术提供的半固态除铁制备再生耐热抗蠕变铝合金的方法，通过采用mn-ce-la-ta-nb五元复合体系并精确控制各组分间的比例关系，结合半固态沉降除铁工艺，有效解决了现有技术中除铁效率低、富铁相控制不足以及回收过程能耗高的技术问题。在除铁方面，mn与fe反应生成α-al(mn,fe)si块状相，避免针状β-alfesi脆性相的形成；ce-la通过晶界吸附将富铁相充分细化，并使其形态由针状向颗粒状转变；ta-nb协同形成弥散质点可抑制富铁相在ta颗粒表面的附着和聚集，避免富铁相局部富集，从而显著提高除铁效率并稳定控制fe残留量。在半固态沉降方面，将改性后的熔体降温至半固态温度区间，利用富铁相与液态铝硅基体之间的密度差使富铁相向下沉降，实现富铁相的有效分离；同时，半固态沉降在较低温度下进行，相比传统全液态熔炼显著降低了能耗。

26、（2）在半固态沉降过程中，ta和nb与al原位反应生成纳米级al3(ta,nb)复合强化相，均匀弥散分布于铝基体中，通过阻碍位错运动并钉扎晶界，使合金的室温抗拉强度、延伸率及高温抗蠕变性能均获得显著提升。由此，本技术在高效除铁和低能耗回收的同时，协同提升了回收合金的力学性能和耐热抗蠕变性能，突破了传统回收方法难以兼顾除铁与强化的技术瓶颈。

27、（3）本技术采用双层嵌套式坩埚进行半固态沉降除铁，通过内坩埚储液、外坩埚储渣的极简分区设计，配合半固态沉降工艺实现富铁相的定向分离与低扰动取液，有效解决了现有技术中设备成本高、清理时间长、取液易混入富铁相的问题。该坩埚零件数量少、组装时间短、单台成本低、清理方便，显著降低了设备投入和操作难度。

28、（4）本技术的回收工艺稳定、生产效率高，适用于常见废铝硅合金。半固态沉降配合磁场辅助沉降，缩短了沉降时间，单批次生产周期缩短，有利于工业化连续生产。同时，本技术的回收方法无需改变现有熔融设备，改造成本低、周期短，产品性能满足新能源汽车、航空航天等领域对耐热抗蠕变铝合金的需求，具有广泛的工业化推广价值。

29、（5）本技术制得的再生耐热抗蠕变铝合金，fe残留量稳定控制在≤0.3%，复合改性铝硅合金的室温极限抗拉强度＞310mpa，室温屈服强度＞210mpa，室温延伸率＞10%，250℃、50mpa下的最小稳态蠕变速率＜10-9s-1，综合力学性能显著优于传统回收工艺制得的复合改性铝硅合金，可替代原生铝合金用于高端耐热结构件。