CN101871064B - 一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，它涉及一种变质铝硅合金的方法。本发明解决了采用变质剂Sr得到的AlSi7Mg合金中存在气孔缺陷的问题。本发明方法：称取高纯铝、Al-12Si中间合金、高纯镁和Al-10Y中间合金原料，将高纯铝和Al-12Si中间合金熔化后，向其中压入高纯镁熔炼得熔体，再向熔体中加入Al-10Y中间合金，熔炼后浇注即可。本发明方法简单，适于规模化生产。得到的Y变质AlSi7Mg合金没有气孔出现，抗拉强度达246MPa，延伸率达5.6%；经T6热处理后的Y变质AlSi7Mg合金抗拉强度达351MPa，延伸率达11.8%；综合力学性能与Sr变质AlSi7Mg合金的相当。

Description

一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法

技术领域

本发明涉及一种变质铝硅合金的方法。

背景技术

亚共晶铝硅合金的密度低，铸造性能好，力学性能高，能铸造复杂形状的高强度铸件，其在汽车、航空航天等行业得到广泛的应用。对于未变质的铝硅合金，共晶硅相呈粗大片状或块状结构，且比较脆，在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，早期的裂纹容易在此处产生，力学性能特别是塑性显著降低。

目前，工业生产过程中都会对铝硅合金进行变质处理，来改变共晶硅形态，由粗大的片状或针状转变为纤维状，提高合金的力学性能，尤其是延伸率，同时变质对Al-Si合金的收缩行为也有强烈的抑制作用，工业中最常用的变质剂是Al-10Sr中间合金和Na盐。Na盐由于容易衰退和不易控制逐渐被Sr取代，但是研究结果表明，变质剂Sr的加入也伴随着气孔等缺陷的增多，Sr也容易产生过变质现象，降低合金的性能。

发明内容

本发明提供了一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，得到了具有良好抗拉强度和延伸率的AlSi7Mg合金，解决了采用变质剂Sr得到的AlSi7Mg合金中存在气孔缺陷的问题。

本发明稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取34.05%~45.05%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%~62.5%的Al-12Si中间合金、0.25%~0.45%的质量纯度为99.99%的高纯镁和0.5%~3%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在720℃～730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置10~20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热10~30min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理10~30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置10~30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.05%~0.3%。

本发明步骤一中的原料均为市售产品。步骤四中高纯氩气的纯度不低于99.999%（体积）。

本发明的稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法中的变质剂Y以Al-Y中间合金的形式加入，工艺简单，成分容易控制，而且制备过程不需特殊设备。本发明的方法成型采用金属型，能使合金熔体冷却速率大，能使稀土Y起到更好的变质效果。金属型条件下Y可以显著改变共晶硅的形态，变质后合金铸态性能提高，热处理后提高显著。

稀土元素Y加入铝合金中可以显著改善铝合金的组织，细化晶粒，改善共晶硅的形态，添加Y变质剂后共晶硅形态为纤维状；可以去除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，减少气孔和氧化夹杂，从而会提高合金的力学性能。稀土Y对铸态下亚共晶铝硅合金的抗拉强度和延伸率在一定浓度范围内随稀土含量增加而同步增长，冷却速度对稀土变质的影响显著，高冷速条件下变质效果良好。Y元素作为一种性质比较活泼重稀土元素，有净化合金熔体、改善组织形态和除气的作用，在铝合金的研究和应用中越来越多受到重视。

本发明的方法在不添加细化剂的情况下，添加稀土元素作为变质剂，得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金中没有气孔缺陷，解决了Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金中存在气孔缺陷的问题，同时达到了与采用变质剂Sr得到的AlSi7Mg合金相当的综合力学性能。

本发明得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达到246MPa，比未进行变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度（233MPa）提高了5.6%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金的抗拉强度（252MPa）相当；本发明得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金的延伸率达5.6%，比未进行变质的AlSi7Mg合金的延伸率（4.8%）提高了16.7%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金的延伸率（8.5%）相当。

本发明对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达351MPa，比未进行变质的AlSi7Mg合金经T6热处理后的抗拉强度（339MPa）提高了3.5%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金经T6热处理后的抗拉强度（344 MPa）仅提高了2.0%，基本相当；本发明对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的延伸率达11.8%，比未进行变质的AlSi7Mg合金经T6热处理后的延伸率（7.2%）提高了63.9%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金经T6热处理后的延伸率（13%）相当。

本发明的方法工艺简单，操作简便，适于规模化生产。本发明得到的稀土Y变质AlSi7Mg合金在应用前，均经过T6热处理，否则不能直接使用，此为本领域技术人员的公知常识。可见，经过T6热处理后的本发明的稀土Y变质AlSi7Mg合金的抗拉强度和延伸率均提高，综合力学性能与采用变质剂Sr得到的AlSi7Mg合金相当。

附图说明

图1是具体实施方式十二得到的稀土Y变质AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜图；图2是具体实施方式十二中的Sr变质AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜；图3是具体实施方式十二中未变质AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取34.05%~45.05%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%~62.5%的Al-12Si中间合金、0.25%~0.45%的质量纯度为99.99%的高纯镁和0.5%~3%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在720℃～730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置10~20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热10~30min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理10~30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置10~30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.05%~0.3%。

本实施方式步骤一中称取的原理均为市售产品。

本实施方式的稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法中的变质剂Y以Al-Y中间合金的形式加入，工艺简单，成分容易控制，而且制备过程不需特殊设备。稀土元素Y加入铝合金中可以显著改善铝合金的组织，细化晶粒，改善共晶硅的形态，添加Y变质剂后共晶硅形态为纤维状；可以去除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，减少气孔和氧化夹杂，从而会提高合金的力学性能。

本实施方式对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达351MPa，比未进行变质的AlSi7Mg合金经T6热处理后的抗拉强度（339MPa）提高了3.5%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金经T6热处理后的抗拉强度（344 MPa）仅提高了2.0%，基本相当；本实施方式对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的延伸率达11.8%，比未进行变质的AlSi7Mg合金经T6热处理后的延伸率（7.2%）提高了63.9%，与采用Sr作为变质剂得到的AlSi7Mg合金经T6热处理后的延伸率（13%）相当。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中高纯氩气的体积纯度不低于99.999%。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中按重量百分比称取36.55%~42%的质量纯度为99.99%的高纯铝、56%~60.6%的Al-12Si中间合金、0.35%~0.42%的质量纯度为99.99%的高纯镁和1.5%~2.5%的Al-10Y中间合金。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中按重量百分比称取39.3%的质量纯度为99.99%的高纯铝、58.3%的Al-12Si中间合金、0.4%的质量纯度为99.99%的高纯镁和2%的Al-10Y中间合金。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中熔体温度控制在725℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中保温静置15min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中石墨钟罩使用前在300℃下预热20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

本实施方式中高纯氩气的纯度为99.999%（体积）。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中保温静置20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.15%~0.25%。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.2%。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取39.3%的质量纯度为99.99%的高纯铝、58.3%的Al-12Si中间合金和0.4%的质量纯度为99.99%的高纯镁和2%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热20min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一 称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.2%。

本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜如图1所示，由图1可见，共晶硅组织为纤维状，合金组织均匀。

本实施方式采用Instron-5500电子万能拉伸机对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行抗拉强度和延伸率测试，测试结果为其抗拉强度达246MPa，延伸率达5.6%。对本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达351MPa，延伸率达11.8%。

作为对比，本实施方式采用Al-10Sr中间合金作为变质剂，利用上述方法步骤得到Sr变质的AlSi7Mg合金，其中步骤一中按重量百分比称取44.95%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%的Al-12Si中间合金和0.45%的质量纯度为99.99%的高纯镁和0.4%的Al-10Sr中间合金，控制Sr变质的AlSi7Mg合金中Sr的质量百分含量为0.04%。同样采用Instron-5500电子万能拉伸机对其进行抗拉强度和延伸率测试，测试结果为其抗拉强度达252MPa，延伸率达8.5%。对得到的Sr变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，Sr变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达344MPa，延伸率达13%。Sr变质的AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜如图2所示，由图2可见，共晶硅组织为细小的纤维状，合金组织较均匀。

Al-10Sr中间合金是现在工业生产中最常用的变质剂，但是其存在一些缺点，比如容易产生气孔等缺陷，尤其是和生产中常用的Al-Ti-B系列细化剂产生相互作用，降低了细化和变质效果，而本实施方式采用稀土Y变质得到的AlSi7Mg合金不存在此问题，同时还能减少气孔和氧化夹杂，所以稀土Y可以作为很好的变质剂使用。本实施方式在不添加细化剂、至只添加Y变质剂的情况下得到的AlSi7Mg合金的抗拉强度和延伸率性能可以与Sr变质得到的AlSi7Mg合金的抗拉强度和延伸率相当，综合力学性能相当。

本实施方式同时对未进行变质处理的AlSi7Mg合金采用上述相同的测试方法进行了抗拉强度和延伸率测试，测试结果为其抗拉强度达233MPa，延伸率达4.8%。对未进行变质处理的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，未进行变质处理的AlSi7Mg合金的抗拉强度达339MPa，延伸率达7.2%。未变质的AlSi7Mg合金的合金组织扫描电镜图如图3所示，由图3可见，共晶硅组织为针状或片层状，合金组织分布不均匀。

与未经变质的AlSi7Mg合金相比，本实施方式经Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度仅提高了5.6%，延伸率提高了16.7%；本实施方式经Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度与Sr变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度相当。

将未经变质的AlSi7Mg合金、Sr变质的AlSi7Mg合金和Y变质的AlSi7Mg合金均进行T6热处理后，与未经变质的AlSi7Mg合金相比，本实施方式经Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度仅提高了3.5%，延伸率提高了63.9%；本实施方式经Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度与Sr变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度相当，延伸率也达到与Sr变质的AlSi7Mg合金的延伸率相当的程度。

具体实施方式十三：本实施方式稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取44.55%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%的Al-12Si中间合金和0.25%的质量纯度为99.99%的高纯镁和1%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热20min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一 称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.3%。

本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金的合金组织均匀，共晶硅组织为纤维状。

本实施方式采用Instron-5500电子万能拉伸机对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行抗拉强度和延伸率测试，测试结果为其抗拉强度达247MPa，延伸率达4.6%。对本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达345MPa，延伸率达10.6%。

具体实施方式十四：本实施方式稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取42.35%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%的Al-12Si中间合金和0.45%的质量纯度为99.99%的高纯镁和3%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热20min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一 称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.3%。

本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金的合金组织均匀，共晶硅组织为纤维状。

本实施方式采用Instron-5500电子万能拉伸机对得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行抗拉强度和延伸率测试，测试结果为其抗拉强度达246MPa，延伸率达6%。对本实施方式得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金进行T6热处理后，稀土Y变质的AlSi7Mg合金的抗拉强度达350MPa，延伸率达12.6%。

Claims (10)

1.一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法是通过以下步骤实现的：一、按重量百分比称取34.05%~45.05%的质量纯度为99.99%的高纯铝、54.2%~62.5%的Al-12Si中间合金、0.25%~0.45%的质量纯度为99.99%的高纯镁和0.5%~3%的Al-10Y中间合金；二、将步骤一称取的高纯铝和Al-12Si中间合金清洗干燥后放入功率为7.5kW的坩埚电阻炉中，加热至完全熔化，熔体温度控制在720℃～730℃；三、采用温度为300℃的石墨钟罩将步骤一称取的高纯镁压入步骤二得到的熔体中，保温静置10~20min，得AlSi7Mg合金熔体，其中石墨钟罩使用前在300℃下预热10~30min；四、对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理10~30min后，向AlSi7Mg合金熔体中加入步骤一称取的Al-10Y中间合金，搅拌均匀，保温静置10~30min后，扒渣，然后将合金熔体降温至710℃后浇注到温度为250℃的金属型中，即得稀土Y变质的AlSi7Mg合金；其中控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.05%~0.3%。

2.根据权利要求1所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取36.55%~42%的质量纯度为99.99%的高纯铝、56%~60.6%的Al-12Si中间合金、0.35%~0.42%的质量纯度为99.99%的高纯镁和1.5%~2.5%的Al-10Y中间合金。

3.根据权利要求1所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取39.3%的质量纯度为99.99%的高纯铝、58.3%的Al-12Si中间合金、0.4%的质量纯度为99.99%的高纯镁和2%的Al-10Y中间合金。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤二中熔体温度控制在725℃。

5.根据权利要求4所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤三中保温静置15min。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤三中石墨钟罩使用前在300℃下预热20min。

7.根据权利要求6所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤四中对步骤三的AlSi7Mg合金熔体采用旋转喷吹高纯氩气的方式进行精炼处理20min。

8.根据权利要求1、2、3、5或7所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于步骤四中保温静置20min。

9.根据权利要求8所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.15%~0.25%。

10.根据权利要求8所述的一种稀土Y变质AlSi7Mg合金的方法，其特征在于控制Y的加入量为得到的稀土Y变质的AlSi7Mg合金总质量的0.2%。

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