CN101603162B - 高硅铝合金的物理法变质工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺，属于金属材料领域。解决现有技术中变质工艺复杂、难以控制、有污染、成本高、不适合大规模工业生产等缺点，工艺步骤为将成分不同与温度不同的两种合金熔体按比例混合，形成另一种所要求成分的熔体，再将混合后的熔体进行过热处理，使得熔体中含有的第二粗大硬脆相得到细化或变质。经该种成分互补熔体温度处理工艺处理后，含20％Si铝硅合金中初生Si相的晶粒在保温100min内尺寸可稳定在40μm左右。本发明的工艺的过程简单，灵活性强，绿色无污染，并明显改善硅粒子形态、大小及分布，提高其力学性能，最终制作出能满足各种用途且综合性能优异的高硅铝合金材料。

Description

高硅铝合金的物理法变质工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，更具体涉及一种高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺。

背景技术

高硅铝合金具有比重小、良好的耐磨、耐热性及低热膨胀系数、易于铸造成型等诸多优点，是一种代替铁基材料制备汽车活塞、连杆、空调压缩机转子及叶片等重要部件的理想材料。广泛应用在航空、航天、汽车、造船、机械等工业生产部门中。但因高硅铝合金的凝固组织中的初生Si相多呈粗大的多角形的形态生长，严重割裂了基体，恶化了材料的性能，限制了其在工业上的广泛应用。因此，必须改变合金中的硅相形态，减小其对基体性能的削弱作用。目前对硅相细化处理的方法主要有：添加变质剂法，超声波振动法，激冷法，低温铸造法，加压铸造法，电磁搅拌法，快速凝固技术，固液混合铸造处理工艺、过热处理以及电脉冲技术等。其中研究较多与生产上常见的工艺是添加变质剂法，但变质工艺通常较为复杂，难以控制，而且变质元素的加入还会对合金以及环境产生污染，往往达不到预期目的；其他方法不是效果不显著，就是技术条件复杂、成本过高，不适合进行大规模工业生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺，解决现有技术中变质工艺复杂、难以控制、有污染、成本高、不适合大规模工业生产等缺点，该工艺的过程简单，不添加其它变质剂，不增加成本，灵活性强，绿色无污染，并明显改善硅粒子形态、大小及分布，提高其力学性能，最终制作出能满足各种用途且综合性能优异的高硅铝合金材料。

本发明的技术内容：高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺方法所述方法的步骤包括：将成分不同与温度不同的两种合金熔体按比例经过混合后，形成另一种所要求成分的熔体，然后再将混合后的熔体进行过热处理，使得熔体中含有的第二粗大硬脆相得到细化或变质。

本发明的显著优点是：本发明采用分别将两种合金成分熔融后再融合一起并进行处理，充分使熔体中含有的第二粗大硬脆相得到细化或变质。如对高硅铝合金进行该工艺的处理根据成分互补熔体温度处理工艺要求熔体混合后，再将熔体进行过热处理，一般是过热到800-900℃。一般熔体混合后，因为是吸热反应，混合后的熔体温度会迅速降低，一般在生产20%Si时，温度可降到650℃，通过过热后，使原来即将凝固的熔体产生重新熔解，这个过程会使初生晶得到进一步的细化，并延长变质效果，而达到变质效果的长效性，其中含20%Si铝硅合金中初生Si相的晶粒在保温100min内尺寸可稳定在40μm左右。该工艺不添加其它变质剂，不增加成本，是一种工艺简单，灵活性强，绿色无污染的新工艺，且有效改善硅相粒子形态、大小及分布，提高其力学性能的铝硅合金变质处理工艺。

附图说明

图1 Al-30%Si与Al-10%Si以重量比1∶1进行高低温熔体混合前后合金的显微组织图。

图2所示为不同工艺条件所获得的Al-20%Si合金在900℃过热保温15min后直接浇铸所得试样的显微组织图。

图3是混合熔体的过热保温时间对初晶Si尺寸的影响曲线图，其中过热温度为830℃，其中模坐标为保温的过热时间,纵坐标为初生硅的晶粒尺寸。

图4　Al-30%Si与纯铝按以重量比2∶1进行高低温熔体混合前后合金的显微组织图。

具体实施方式

本发明所述的含量及比例均为重量含量或重量比。

高硅铝合金变质处理步骤包括：分别在两个电阻坩埚炉熔化铝硅合金，其中一炉为亚共晶铝硅合金，另一个炉为过共晶铝合金；各保温30分钟后，将所述亚共晶的铝硅合金的铝液温度降至铝硅合金的液固两相区，温度为577-650℃，使得亚共晶的铝熔体中开始产生预先凝固现象，所述过共晶铝硅合金温度控制在800-900℃，保证过共晶铝硅合金完全熔解；再将过共晶铝硅合金与亚共晶铝硅合金相按比例混合，混合后的熔体因为是吸热过程，会使温度降低，再将混合后的熔体进行过热处理，过热到800-900℃，再进行铸造成型，从而达到不添加变质剂，使初生硅相得到细化变质效果。

所述亚共晶铝硅合金中硅含量低于11.6wt%，一般可以采用硅含量为7wt%或10wt%左右；熔化后，把温度降低到该成分下的液固两相区中，使亚共晶熔体中开始有固相先析出，从而产生预结晶效果。

所述过共晶铝硅合金中硅含量高于20wt%以上，所述过共晶铝硅合金中硅含量根据最终产品要求，与熔体混合的比例来控制，为了保证过共晶铝硅的完全熔解，温度控制在该成分的液相线以上20℃，所述温度为800-900℃。

所述处理工艺中按比例进行熔体混合处理，根据最终成分要求进行。

所述生产20wt%的过共晶铝硅合金，将纯铝与30wt%Si的铝硅合金按重量比2∶1比例混合，或者将10wt%Si的铝硅合金与30wt%Si的铝硅合金按重量比1∶1进行熔体混合。

     本发明的具体实施例子如下，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此：

实施例1

高硅铝合金（以含20%硅为例）的细化变质处理工艺

不同成分与温度的熔体的混合比例按1∶1进行：

（1）成分互补工艺，即将两种成分与温度不同的合金熔体经过混合后，形成另一种所要求成分的熔体处理工艺，先将含10%Si的铝硅合金熔体熔解后，降温至580℃左右，此时熔体处于液固两相区；

（2）将含30%Si的过共晶硅铝合金熔解升温到900℃左右，以保证硅元素在铝合金完全熔解；

（3）将以上两种不同成分与不同温度的铝熔体按重量比1∶1混合后，得到所要的含20%Si的高硅铝合金；

（4）然后将混合后的熔体进行过热处理，温度控制在900℃左右，保温15分钟，使得含有第二粗大硬脆相得到细化或变质的处理。

（5）将过热的铝熔体直接进行铸造或浇注成锭。

图1是按照比例重量比1∶1混合后的金相组织图，图l(a)为混合前Al-30%Si高温熔体在900℃浇注的金属型试样金相组织，其组织中的初晶硅呈非常粗大的板块状或薄片状，厚度为60-100 μm，最大长度可达600 μm，且初晶Si的分布很不均匀，内部破碎严重；图1(b)为混合前亚共晶Al-10%Si低温熔体在586℃浇注的金相组织，其组织由白色的α(Al)固溶体和灰色针状片状共晶Si组成，为典型亚共晶组织。图l(c)是Al-30%Si高温熔体与Al-10%Si低温熔体按1:1混合后在680℃浇注得到的过共晶Al-20%Si合金的显微组织。其组织中的初晶Si多为细小的四边形或不规则多边形颗粒，平均尺寸在40μm以下，尺寸细小且分布均匀，得到了显著的变质细化效果。

图2所示为不同工艺条件所获得的Al-20%Si合金在900℃过热保温15min后直接浇铸所得试样的显微组织。从图2(a)可见，常规工艺熔炼的Al-20%Si合金经过900℃过热处理后，初生Si相仍然为粗大的块状，内部依然存在破碎现象，其平均尺寸为73μm，这些粗大的Si相组织对基体产生严重的割裂作用。

经过高低温熔体混合处理后的Al-20%Si合金在900℃过热浇注的条件下(见图2(b))，组织中的初生Si相变的更加细小，且部分初晶Si边缘趋于圆钝化，形态逐渐向近球状转变，其平均尺寸为31μm。经过高低温熔体混合处理的过共晶Al-20%Si合金再经过适当的过热处理，可以进一步减小初生Si尺寸，并且在一定程度上改善其形貌，达到很好的细化效果。

图3所示为混合熔体在830℃过热保温不同时间后浇铸所得试样的初晶Si尺寸。由图可见，混合熔体在830℃过热保温100min以内，合金组织中初晶Si尺寸变化不大，均在36μm左右，显示出良好的尺寸稳定性；当过热保温时间大于100min后，随着保温时间的延长，初晶Si尺寸逐渐增大。在本发明条件下，将混合熔体重新置于炉内过热保温，熔体混合的最佳有效期大大延长，过热保温100min以内均可以取得良好的组织细化效果，即使保温时间超过200分钟后，细化效果仍然可以达到生产要求，一般生产要求的初生硅相控制在50-60μm。 因此本工艺对初生硅相的变质细化处理具有一定的长效性。

实施例1

高硅铝合金（以含20%硅为例）的细化变质处理工艺

不同成分与温度的熔体的混合比例按重量比2∶1进行：

1．分别在两个电阻炉分别配制熔化质量相同的Al-30%Si高温熔体和纯Al低温熔体；

2．将高温的过共晶30%Si铝合金温度升至900℃，将纯铝的温度控制在580℃左右。

3．将以上两种不同成分与不同温度的铝熔体重量比2∶1混合后，得到所要的含20%Si的高硅铝合金；

4．然后将混合后的熔体进行过热处理，温度控制在900℃左右，保温15分钟；

5．将过热的铝熔体直接进行铸造或浇注成锭。

  图4为Al-30%Si与纯铝按重量比2∶1进行高低温熔体混合后合金的显微组织图，(a) 混合熔体(40×)，(b) 混合熔体(100×)，由图可见，组织中的初晶Si多为细小的块状或不规则多边形颗粒，平均尺寸在40μm左右，初生硅也得到明显地细化。因此通过成分互补熔体温度处理工艺能够对高硅铝合金的初生硅进行明显地变质细化。

Claims (5)

1.一种高硅铝合金的物理法变质工艺方法，其特征在于：所述方法的步骤包括：将成分不同与温度不同的两种合金熔体按比例经过混合后，形成另一种所要求成分的熔体，然后再将混合后的熔体进行过热处理，使得熔体中含有的第二粗大硬脆相得到细化变质；所述高硅铝合金变质处理步骤包括：分别在两个电阻坩埚炉熔化铝硅合金，其中一炉为亚共晶铝硅合金，另一个炉为过共晶铝硅合金；各保温30分钟后，将所述亚共晶的铝硅合金的铝硅液温度降至铝硅合金的液固两相区，温度为577-650℃，使得亚共晶的铝硅熔体中开始产生预先凝固现象，所述过共晶铝硅合金温度控制在800-900℃，保证过共晶铝硅合金完全熔解；再将过共晶铝硅合金与亚共晶铝硅合金相按比例混合，混合后的熔体因为是吸热过程，会使温度降低，再将混合后的熔体进行过热处理，过热到800-900℃，再进行铸造成型，从而达到不添加变质剂，使初生硅相得到细化变质效果。

2.根据权利要求1所述的高硅铝合金的物理法变质工艺方法，其特征在于：所述亚共晶铝硅合金中硅含量低于重量含量：11.6wt%；熔化后，把温度降低到亚共晶铝硅合金下的液固两相区中，使亚共晶熔体中开始有固相先析出，从而产生预结晶效果。

3.根据权利要求2所述的高硅铝合金的物理法变质工艺方法，其特征在于：所述亚共晶铝硅合金中硅含量为7wt%或10wt%。

4.根据权利要求1所述的高硅铝合金的物理法变质工艺方法，其特征在于：所述过共晶铝硅合金中硅含量为20wt%以上，所述过共晶铝硅合金中硅含量根据最终产品要求，与熔体混合的比例来控制，为了保证过共晶铝硅合金的完全熔解，温度控制在过共晶铝硅合金的液相线以上20℃，所述温度为800-900℃。

5.根据权利要求1所述的高硅铝合金的物理法变质工艺方法，其特征在于：处理工艺中按比例进行熔体混合处理，根据最终成分要求进行。

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