CN101899634A - 一种消除铝合金中针片状富Fe相的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属的制备及铸造成形技术领域，公开一种施加超声振动和添加合金元素Mn相结合制备含Fe铝合金、消除针状富Fe相的方法。当铝合金中Fe的含量为1.5％～5％时，在合金熔炼过程中按Mn/Fe＝0.2～0.4加入合金元素Mn。将高于液相线温度0～40℃的过热铝合金液浇入到预热至预设温度的盛浆容器内，降下超声振动头至金属液面以下1～25mm，同时启动超声振动。超声振动时间为0.2～8min，振动结束后，金属熔体温度控制在液相线温度以下5～50℃。振动后的金属熔体成形得到的铝合金零件，组织中富Fe相为细小块状和颗粒状，合金的高温力学性能大幅提高，塑性韧性增强。本发明可用于铝合金尤其是铝硅合金零件的成形以及铝合金材料的回收利用。

Description

一种消除铝合金中针片状富Fe相的方法

技术领域

本发明属于金属材料的制备及铸造成形技术领域，涉及到一种施加超声振动和添加中和剂Mn元素相结合制备含Fe铝合金的方法，通过改变合金中富Fe相的形貌，提高材料的力学性能，尤其是高温力学性能。本发明可用于铝合金尤其是铝硅合金零件的成形以及铝合金材料的回收利用。

技术背景

Fe是铝合金中最常见也是最有害的元素，常规铸造工艺条件下，铝合金尤其是铝硅合金中的富Fe相如β-Al₅FeSi和δ-Al₄FeSi₂易长成粗大的针片状，使合金的力学性能恶化。铝合金中Fe的来源有以下几个方面：第一，杂质Fe，在熔炼配置铝合金的Si等原材料中，以及熔炼过程中使用的铁质工具中，都或多或少以杂质的形式掺入了少量Fe。第二，作为合金元素加入铝合金中的Fe，在铝硅合金中加入Fe以提高合金的高温力学性能，而在压铸铝合金加入0.7～1.2％Fe有利于铸件脱模。第三，残余Fe，铝合金零部件的使用寿命相对较短(14年左右)，大部分铸造铝合金由废料再生产而成，而Fe在铝合金中具有遗传性，很难消除。

Fe在液态Al中的溶解度较大，而在固态Al中溶解度很小(小于0.05％)，因此Fe主要以金属间化合物的形式存在于铝合金中。合金凝固过程中，Fe原子在凝固前沿富集，即使少量Fe也会在合金中形成硬而脆的富Fe相，其中危害最大的是针片状的β-Al₅FeSi相。富Fe相常常易引起应力集中，成为微裂纹的发源地，从而降低合金的力学性能，尤其是塑性和韧性。随着合金中Fe含量的增加，β相的开始析出温度迅速升高，析出范围扩大，生长时间延长，从而β相长的越来越粗大，对合金的危害也越大。

由于Fe在固态Al中的扩散系数很小，通过热处理的方式减少富Fe相的有害作用，不仅效果很微弱，而且能耗大成本高。比如β-Al₅FeSi相，即使合金的固溶处理温度接近固相线温度，经过长时间的热处理其针片状形貌也没有变化。工业生产中，由于废料中的Fe很难去除，常常只能通过加入新料以稀释Fe的浓度。目前，降低铝合金中富Fe相危害的方法主要有加入中和元素、快速凝固和熔体过热法，其中最为普遍的是加入中和合金元素Mn。Mn能有效改善富Fe相形貌，使针片状的β-Al₅FeSi相转变为对性能影响较小的汉字状Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂。专利文献CN1081720A中公开了一种含45～60％Mn的铝合金铁相球化剂，可使Al-Si，Al-Cu，Al-Zn等铝基合金中针状铁相转变为球形或近球形。通常认为，以Mn/Fe＝1/2向合金中加入Mn能获得较好中和Fe的效果，继续增加Mn的加入量，虽然能进一步降低β相的有害作用，但是生成硬度很高的多角状初生α-Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂，降低合金的切削加工性能。然而，即使按高的Mn/Fe加入Mn也不能完全消除β-Fe的有害作用，而且大量Mn的加入将增加成本。另外加入Cr、Co、Zr、Ti等元素也对针片状Fe相形貌的改变有一定的作用。美国专利文献6267829公布了一种减少含铁Al-Si合金(尤其是Al-Si-Mn-Fe合金)中初生β-Al₅FeSi形成的方法。该方法通过热分析控制富Fe相的析出，使β相依附于先析出的六边形Al₈Fe₂Si相形核，最终双重结构的化合物颗粒形貌由Al₈Fe₂Si相决定，从而改变了β相的针状形貌。该方法需要化学分析以对熔体中元素的活度、实际相图位置以及溶质的富集程度进行计算，这些数据和专业系统相结合才能用于计算合金的凝固路径，从而控制合金凝固时相的析出。但目前还没有开发这样一种系统用于实际铸造条件。

快速凝固法主要是通过高达10³～10⁵℃s^-1的冷却速率，使合金中粗大富Fe相在大过冷条件下得到有效细化。越来越多的研究者尝试用喷射沉积的方法制备高Fe含量铝硅合金，以获得晶粒细小的富Fe金属间化合物，不仅消除针状β相的有害作用，还可以对基体起到很好的强化作用。中国专利文献CN1184339C中公开了用喷射沉积制备含Fe、Mn合金元素的高硅Al-(16～45％)Si合金，合金中针状的富Fe相被颗粒状的Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂所取代。F.Wang等(Feng Wang，Jishan Zhang，Baiqing Xiong，Yongan Zhang.Effect of Fe and Mn additions on microstructure and mechanical properties ofspray-deposited Al-20Si-3Cu-1 Mg alloy.Materials Characterization，2009(5)，60(5)：384-388)通过喷射沉积工艺制备的Al-20Si-5Fe-3Cu-1Mg合金，其组织中针片状的δ-Al₄FeSi₂和β-Al₅FeSi相在3～8μm左右，所得合金配合挤压成形工艺得到的零件具有高的室温和高温强度。但是喷射沉积工艺设备昂贵，成本高，工艺复杂难控制，大大制约了其工业化应用。

以上各种消除富Fe相有害作用的方法都还存在不足之处，仍需提出新的消除富Fe相有害作用并发挥其对合金性能积极作用的技术，以便简化工艺、降低生产成本、实现规模化工业生产，使铝合金零部件的生产及其回收利用不再被限制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种消除合金中针片状富Fe相的方法，采用该方法可以消除铝合金中针片状Fe相的有害作用，改善合金的组织和性能。

本发明提供的消除铝合金中针片状富Fe相的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步根据待处理的铝合金中的Fe的质量百分数m₁，令m₂为加入的Mn与待处理的铝合金中Fe的质量比，则按下述比例配置铝合金材料，

当m₁＜1.5％时，0≤m₂＜0.2，当1.5≤m₁≤5％时，0.2≤m₂≤0.4；

再将配置好的材料加入熔炼炉中进行熔炼；

第2步在合金熔炼的同时，将盛浆容器预热至液相线温度以下5～50℃；

第3步将熔炼好的上述金属液体倒入预热后的盛浆容器中，再将金属液体降温至液相线温度以上0～40℃；

第4步将超声振动头降至金属液体的液面以下1～25mm处，进行超声振动，超声频率为12kHz～80kHz，超声振动体积功率为5W/cm³～100W/cm³，所述体积功率为超声振动功率与所振动的液体体积之比；超声振动采用脉冲振动，脉冲振动中的脉冲时间与非脉冲时间之比为0.5～6；在振动的同时冷却金属熔体，冷却速度为0.1～3℃/s；

第5步在超声振动0.2～8分钟后停止超声振动，超声振动停止后，熔体温度控制在液相线温度以下5～50℃。

本发明方法通过对含Fe铝合金液施加直接接触的高能超声振动和加入合金元素Mn相结合，并施加一定速度的冷却，在较短时间内可将针状片的富Fe相(尤其是β-Al₅FeSi相)转变为细小块状或颗粒状Fe相，从而消除了Fe相的有害作用，并保留了Fe相提升合金高温性能的作用。本发明方法采用高能超声振动可将较低Fe含量(＜1.5％)合金中针片状富Fe相基本消除，高能超声振动和少量合金元素Mn相结合，可将Fe含量为1.5～5％的铝合金中针片状富Fe相消除，即通过超声波振动使大部分针片状Fe相消除，Mn的加入进一步使残余针片状Fe相消除。本方法所需设备和工艺操作简单，时间短，提高了生产效率，降低了成本。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)利用以上方法可以高效快捷的消除Fe含量为0.2～5％铝合金中的针片状富Fe相，适用于铝合金，尤其是铝硅合金。

(2)超声振动和Mn元素相结合使针状片状富Fe相转变为细小块状或颗粒状，既消除了富Fe相对合金力学性能的有害作用，同时也使Fe相的高温稳定性能得到发挥。

(3)超声振动对针片状富Fe相形貌的改变具有很强的作用，使Mn的加入量大幅降低或不加，降低了成本。

(4)本发明方法工艺简单，所需的设备简单，易和传统成形工艺设备相结合。

附图说明

图1为本发明方法超声振动处理含Fe铝合金液具体实施方式一种装置的结构示意图；

图2为Al-20Si-2Cu-0.4Mg-1.0Ni-1.3Fe过共晶铝硅合金金相组织，其中(a)超声振动3min，(b)超声振动0min；

图3为超声振动2min和0.5％Mn共同作用制备Al-20Si-2Cu-0.4Mg-1.0Ni-2.0Fe-0.5Mn过共晶铝硅合金铸态金相组织；

具体实施方式

本发明的内容包含提出一种通过高能超声振动和加入Mn元素相结合消除含Fe铝合金中针片状富Fe相的方法。该方法为，在液相线温度附近向含Fe铝合金中导入高能超声振动0.2～8分钟，超声振动作用产生的声空化和声流效应在合金熔体中引起强对流，使熔体中温度场和溶质浓度场均匀化，大大降低了合金凝固前沿Fe原子的富集程度，抑制了针片状β-Al₅FeSi相的析出，使Fe相主要以块状δ-Al₄FeSi₂相或汉字状α-Al₈Fe₂Si析出。当合金中Fe含量较高时(≥1.5％)，由于Fe在液态Al中的溶解度大大小于其含量，即使超声振动使得Fe原子在金属液中均匀分布，但其相对浓度仍较高。对Fe含量较高的铝合金施加一定时间的超声振动后，合金中仍析出少量针片状β-Al₅FeSi相，通过加入少量合金元素Mn可以消除残余针状β相。采用本发明方法，可在较短时间内使含(0.2～5％)Fe合金中针片状Fe相转变为块状或颗粒状Fe相，效率高，工艺简单。此外，采用本发明方法使铝合金对Fe的容许度增大，铝合金废料的回收利用更容易，由于Mn的加入量少，成本降低。

下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

要实现本发明工艺过程需准备施加超声振动于金属熔体的装置。该装置的一种结构如图1所示，它包括盛浆容器5、承载台1、超声发生及控制单元、温度控制单元、升降单元。

盛浆容器5由耐热钢或陶瓷等耐热材料制成，置于承载台1上，用于盛放金属液，接受超声振动作用。

超声发生及控制单元用于对盛浆容器5中的金属熔体施加超声振动并控制所施加超声振动的频率、功率和振动时间等，它包括超声发生控制器7和依次连成一体的换能器8、变幅杆9和超声振动头10，超声振动头10安装在变幅杆9上，变幅杆9通过换能器8与超声发生控制器7电气连接；超声振动头10位于盛浆容器5中轴线上方，施加超声振动时，超声振动头10浸入金属液液面以下并传递超声振动作用。超声振动头10端部可以是平底，也可以是半球形，在其它条件相同的情况下半球形效果更佳。制备辐射头的材料可以是钢，也可以是钛合金或其它材料；换能器8可为压电式或磁致伸缩式；

温度控制单元包括温度控制仪2、加热炉4和热电偶3。加热炉4、热电偶3分别与温度控制仪2电气连接，加热炉4套在盛浆容器5外，通过温度控制仪2控制加热炉4的温度，从而实现盛浆容器5中金属熔体温度和冷却速度的准确控制。

升降单元包括加热炉升降控制器12和超声振动头升降控制器13及导杆11，分别用于控制加热炉4和超声振动头10在施加超声过程中的升降。

实例1

利用超声振动处理Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni-1.3Fe高硅铝合金(所述各合金成分含量均为质量百分数，下同)，并于金属模具中成形。Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni-1.3Fe高硅铝合金的液相线温度为700℃左右，固相线温度为535℃。将配置好的高硅铝合金在熔炼炉内熔化并升温至850℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在780℃左右。取适量合金液，倒入盛浆容器5中，利用温度控制装置将合金液温度控制在720℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10降至盛浆容器5内合金液面以下15mm处，同时开启超声振动。超声振动频率为25kHz，振动体积功率为50W/cm³，振动时间为3min。通过调温单元使合金熔体的温度在超声振动停止后控制在680℃～690℃并浇入金属型模具中，成形为零件，其试样组织如图2(a)。为了比较超声振动的效果，于820℃液态浇注无超声振动处理合金，其试棒组织如图2(b)。经超声处理后，合金中长针状的β-Al₅FeSi相转化为尺寸和初晶Si颗粒相近的颗粒状δ-Al₄FeSi₂相。

实例2

采用A00号纯Al锭、纯Ni(99.9％，质量分数，下同)、纯Cu(99.99％)、纯Mg(99.9％)、纯Fe(99.9％)、Al-25.8％Si中间合金和Al-10％Mn中间合金为原材料配制Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni-2.0Fe-0.5Mn高硅铝合金，其中Mn/Fe＝0.25。该高硅铝合金的液相线温度为702℃，固相线温度为535℃。将合金在加热炉内熔化并升温至850℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在780℃左右。取适量合金液，倒入盛浆容器5中，利用温度控制装置将合金液温度控制在720℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10降至盛浆容器5内高硅铝合金液面以下20mm处，同时开启超声振动。超声振动频率为25kHz，振动体积功率为50W/cm³，振动时间为2min。通过调温单元使合金熔体的温度在超声振动停止后控制在680℃～690℃并浇入金属型模具中，成形为零件，其铸态组织如图3。处理后的合金中，针状β-Al₅FeSi相基本消除，其在300℃时的抗拉强度为154MPa，比未经超声处理合金提高36.3％。

实例3

采用A00号纯Al锭、纯Ni(99.9％)、纯Cu(99.99％)、纯Mg(99.9％)、纯Fe(99.9％)、Al-25.8％Si中间合金和Al-10％Mn中间合金为原材料配制Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni-5.0Fe-1.5Mn铝合金，其中Mn/Fe＝0.3。该高硅铝合金的液相线温度为710℃，固相线温度为535℃。将合金在加热炉内熔化并升温至870℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在780℃左右。取适量合金液，倒入盛浆容器5中，利用温度控制装置将合金液温度控制在730℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10降至盛浆容器5内高硅高Fe铝合金液面以下15mm处，同时开启超声振动。超声振动频率为20kHz，振动体积功率为70W/cm³，振动时间为4min。通过调温单元使合金熔体的温度在超声振动停止后控制在685℃～695℃并浇入金属型模具中，成形为零件。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以，凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种消除铝合金中针片状富Fe相的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步根据待处理的铝合金中的Fe的质量百分数m₁，令m₂为加入的Mn与待处理的铝合金中Fe的质量比，则按下述比例配置铝合金材料，

当m₁＜1.5％时，0≤m₂＜0.2，当1.5≤m₁≤5％时，0.2≤m₂≤0.4；

再将配置好的材料加入熔炼炉中进行熔炼；

第2步在合金熔炼的同时，将盛浆容器预热至液相线温度以下5～50℃；

第3步将熔炼好的上述金属液体倒入预热后的盛浆容器中，再将金属液体降温至液相线温度以上0～40℃；

第4步将超声振动头降至金属液体的液面以下1～25mm处，进行超声振动，超声频率为12kHz～80kHz，超声振动体积功率为5W/cm³～100W/cm³，所述体积功率为超声振动功率与所振动的液体体积之比；超声振动采用脉冲振动，脉冲振动中的脉冲时间与非脉冲时间之比为0.5～6；在振动的同时冷却金属熔体，冷却速度为0.1～3℃/s；

第5步在超声振动0.2～8分钟后停止超声振动，超声振动停止后，熔体温度控制在液相线温度以下5～50℃。

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