中間合金

中間合金是以一種金屬為基體，將一種或者幾種單質加入其中，以解決該單質易燒損、高熔點不易熔入、密度大易偏析等問題或者用來改善合金性能的特種合金，是一種添加型的功能材料。

鋼、鑄鐵、高温合金、鈦合金、磁性合金、鋁合金與有色金屬材料等的冶煉所需要的各種基體合金和添加劑。它不能直接用作金屬材料使用。中間合金是由兩種以上元素組成的，除大量生產的鐵合金外的複合合金。中間合金成分複雜、品種繁多，是根據所冶煉的金屬材料成分和特殊要求而設計的。它的分類可按基體成分分為鐵基合金、鎳基合金、鋁基合金等，也可以按合金的主元素分類，但常稱之為特種合金，以便和大量生產的鐵合金相區別，如硅特種合金、鈣特種合金、硼特種合金、鉻特種合金等；也可以按用途而稱為複合合金劑、複合脱氧劑、複合精煉劑、複合添加劑（精煉劑與合金劑），真空冶煉用中間合金，孕育劑、球化劑、蠕化劑、晶粒細化劑、變性處理劑等。

從中間合金的定義可以看出中間合金有以下幾個特點：

（1）以一種金屬為基體，其含量一般大於或等於50%，如鋁、銅、鐵等；

（2）擬加入的單質一般有易燒損，熔點高，密度大易偏析等不宜直接添加的問題；

（3）中間合金是一種添加型的功能合金材料，不像鑄造鋁合金、變形鋁合金、銅合金、鋼鐵等直接用於鑄件的生產。

中間合金與擬加入的單質相比，一般具有更低的熔點、更快的溶解速度、更穩定的實收率、更強的改善合金性能的能力，因此，中間合金可用於合金生產過程中元素的準確添加及成分調整、細化晶粒、變質處理、淨化處理、脱氧脱硫處理、固溶硬化等，在鋁及鋁合金、銅合金、鋼鐵等行業有着廣泛的應用。

中間合金按照基體的不同可以分為：鋁基中間合金、銅基中間合金、鐵基中間合金、鎂基中間合金、鎳基中間合金等。

中間合金按照用途可以分為：合金化型中間合金（添加型中間合金）、晶粒細化型中間合金、變質型中間合金、淨化型中間合金、脱氧脱硫型中間合金等。

合金化型中間合金也稱添加型中間合金，主要作用是向熔體中添加某些元素。這些元素與熔體基體元素相比一般具有如下特點：

（1）熔點較高，如鋁中添加Si、Fe、Cr、Cu、V等元素；

（2）易揮發燒損，如鋁中添加Mg、Ca等元素；

（3）潤濕性差，如鋁中添加B、C等元素；

（4）密度相差大，易偏析，如鋁中添加Bi、Sn等元素。

如果直接以單質形式向熔體中添加這些元素，則需要提高加入温度，延長熔鍊時間，或者加入過程中燒損加大，實收率難以保證，造成爐前成分的多次調整，影響產品的生產效率。因此，為降低生產成本，獲得較為準確的合金成分，以上元素一般以中間合金的形式加入。在工業化生產中常用的合金化型中間合金有：Al-Si、Al-Fe、Al-Cr、Al-Cu、Al-Mn、Al-V、Al-Zr、Cu-Mg、Cu-Li、Cu-Ca等。

晶粒細化型中間合金加入熔體後，釋放出大量的異質形核核心，可作為熔體凝固時的外來晶核，影響熔體結晶的形核過程，從而起到細化合金晶粒的作用，國內外鋁合金晶粒細化型中間合金產品主要有：Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-B-RE、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C等。銅合金晶粒細化型中間合金產品主要有Cu-B、Cu-Fe、Cu-Zr等，其中Cu-B中間合金可用於黃銅的晶粒細化，Cu-Fe中間合金可用於鋁青銅的晶粒細化，Cu-Zr中間合金可用於黃銅的晶粒細化。

Al-Ti、Al-Ti-B中間合金在鋁合金晶粒細化方面有較高的性價比，是工業上應用較廣泛的晶粒細化劑。Al-Ti-B中間合金由於TiAl₃和TiB₂的雙相形核作用，其細化效果優於Al-Ti中間合金。但是，Al-Ti-B中間合金中的TiB₂粒子有比較明顯的聚集現象，同時當鋁合金中含有Zr、Cr、V、Mn等合金化元素時，會奪取TiB₂粒子中的B，形成相應的硼化物，使TiB₂粒子發生“中毒”現象，從而使細化劑減弱或失去作用。Al-Ti-B-RE、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C是新型的晶粒細化劑，其克服（或者部分克服）了Al-Ti-B中間合金的上述缺點。Al-Ti-B-RE中間合金是在Al-Ti-B中間合金的基礎上加入混合稀土。稀土是一種表面活性元素，可使鋁熔體與AlTiRE、TiAl、TiB₂粒子之間的潤濕角增大，改善鋪展性，從而有效避免粒子聚集或沉澱現象。但TiB₂等粒子的嚴重偏聚現象只能在一定程度上緩解，因此整個製備過程仍需強力攪拌。Al-Ti-C晶粒細化劑在一定程度上克服了Al-Ti-B的缺點，其異質形核核心TiC比TiB₂具有更小的聚集傾向，並對Zr、Cr、V、Mn等元素“中毒”免疫，但是C元素的經濟加入方式、細化效果的穩定性和工業化規模生產仍需進一步研究。

Al-Si合金具有優良的鑄造性能，但是隨着硅含量的提高，合金組織中會出現大量的針、片狀共晶硅和板塊狀初晶硅，嚴重割裂合金基體，開裂傾向增加，合金變脆，力學性能顯著下降。因此，當Al-Si合金中硅含量超過6%時，一般需要進行變質處理，即把共晶硅由粗大的針、片狀改變成細小的纖維狀、葉片狀，把初晶硅由粗大的板塊狀改變成細小的顆粒狀。常見的共晶硅變質中間合金有Al-Sr、Al-Sb、Al-RE等，常見的初晶硅變質中間合金有Al-P、Cu-P等。

淨化型中間合金主要指Al-B中間合金，主要用於電工用鋁的淨化處理。其淨化機理是中間合金中的B元素可以和鋁液中的Ti、V、Cr等影響導電率的雜質元素形成TiB₂、VB₂、CrB₂等密度大的金屬間化合物，通過重力作用沉降在爐底，從而淨化鋁液，提高導電率。

使用中間合金的目的有：

（1）獲得化學成分精確和分佈均勻的金屬材料。如添加金屬材料組分中含量較少的元素，可以提高所添加元素在材料中的分佈均勻程度。如用釩鋁合金添加釩冶煉Ti-6A1-4V合金。

（2）添加化學活性大、熔點低、易揮發元素。如硼、鈣、鎂等的中間合金。使用中間合金可以減少元素在添加時的燒損，得到穩定的合金成分和較高的元素收得率。

（3）加入高熔點金屬。如鎢、鉬、鈦、鈮、鉻等的中間合金，可使熔化温度降低，縮短金屬材料的熔鍊時間和降低冶煉温度。

（4）使用中間合金可以同時加入多種元素，使冶煉合金的精煉和合金化同時完成。簡化冶煉操作和縮短了精煉時間。

（5）使用純的中間合金，可減少金屬材料中雜質含量。如冠以“VQ”級的中間合金用於真空冶煉。

（6）降低金屬材料的生產費用。對中間合金的要求是熔點儘可能低；化學成分均勻，偏析小；無可見非金屬夾雜；氣體含量低；雜質含量必須滿足所冶煉金屬材料的要求；易破碎和在空氣中存放不變質。

（1）熔化合成法，中間合金的成分複雜，成分範圍要求狹窄，組成元素的物理化學性質差別懸殊，所以熔化合成法是生產中間合金的重要方法。所用原料有純金屬如鋁、鎂、硅、錳、鎳及各種難熔合金元素，各種中間合金（大多為二元合金）和鐵合金，以及一些可回收利用的廢金屬材料。熔化設備多為感應爐，也可用電弧爐及其他熔化設備。首先將所煉製的合金中含量最大的、熔點較低的金屬熔化。然後將熔點較高的及含量較少的元素加入，溶解而製成合金。熔鍊中間合金時，需要添加少量熔劑保護，以免氣體進入合金，還可去除部分雜質。熔化後要充分攪拌，使成分均勻後鑄錠。有些高質量的中間合金需要在真空中或保護氣氛下熔鍊和澆鑄。

（2）電硅熱法。主要用於生產硅系中間合金。如複合脱氧劑，複合合金劑與變性劑等。

（3）鋁熱法（或電鋁熱法）。

（4）熔鹽電解法。用於生產化學活性較活潑元素的中間合金，如稀土鐵合金、稀土鋁合金等。