CN103817314A

CN103817314A - 一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法和装置

Info

Publication number: CN103817314A
Application number: CN201410105588.7A
Authority: CN
Inventors: 齐锦刚; 吴敌; 陈文�; 王建中; 赵作福; 王冰; 李扬
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103817314B

Abstract

本发明公开了一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，包括以下步骤：步骤一、熔炼富铁硅铝合金，其中，富铁硅铝合金中的铁含量为0.5～1.2%，硅含量为9～13%，得到富铁硅铝合金熔体；步骤二、将富铁硅铝合金熔体加热至720～760℃，利用电脉冲设备对富铁硅铝合金熔体进行电脉冲处理，其中，所述电脉冲设备包括一对脉冲电极，一对脉冲电极插入至富铁硅铝合金熔体内，电脉冲处理时，脉冲电压为500～1200V，脉冲频率为3～15Hz，持续时间为10～60s；步骤三、将经过步骤二的电脉冲处理的富铁硅铝合金熔体进行浇注成型。经过本发明的方法处理的合金，其力学性能得到极大程度的改善，抗拉强度提高8～25%，延伸率提高近5～14%。本发明还提高了一种用于实施上述方法的装置。

Description

一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法和装置

技术领域

本发明涉及富铁铝硅合金中铁相的控制方法，尤其涉及一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法以及实施该方法的装置。

背景技术

在铸造铝合金生产过程中，由于含铁工具较多，且在生产过程中，铁质工具不可避免的与合金属液接触，致使最后制备的铸造铝合金中铁含量较高，有时甚至超过了某些原始成分的含量。除此之外，随着铝用量越来越大，越来越多的废铝不可避免被反复重熔，而每一次重熔过程都会进一步的提升合金中的铁含量。铁元素在铝中的溶解度极低，若铝合金中的铁含量超过了铝所能溶解的铁元素，未被溶解的铁元素便会与合金中其他的元素反应生成其他的化合物，这些化合物中最有代表性的是针片状的铁相，该铁相在合金中会严重的割裂基体，当铝合金工件承载时，这种铁相便成为合金中的应力集中源头，使铝合金的机械性能大大降低。而且，铝合金中的针状铁相一般在凝固初期便已经形成，液态合金在枝晶间的流动严重受阻，降低了合金的流动性，并使合金充型能力大大降低。

铁在铝硅合金中通常以针状富铁相形式存在，在铝硅合金铸造的成分范围内，常见的铁相为α-Fe相和β-Fe相两种，其晶体结构分别为六角晶型(也有认为是立方晶型)和单斜晶型，α-Al₈SiFe₂相通常以汉字状(或骨骼状)的形式存在，β-Al₅FeSi则以针状(立体为板状)形式存在。

其中对铝硅合金有危害作用的主要是β-Fe相，在正常的凝固条件下，铁更倾向于以针状β-Al₅FeSi相结晶，又易粗大化。这种针状相对基体会产生割裂作用，严重降低合金的塑韧性使其失去使用价值。当Fe>0.5%时，针状β-Fe相使合金的强度提高而伸长率略微降低；当Fe超过0.8%时，伸长率的降低变得十分明显。当合金中的铁含量由0.4%增加到1.2%时其伸长率却从4%降到1%，如果铁的含量继续增高，合金伸长率将会连续地降低，当Fe的含量超过0.9%时，会使这种影响变得更加明显。

消除铝硅合金中Fe危害作用的方法主要分两类：第一类是设法除去已存在于铝硅合金中的Fe元素，从而对铝合金进行回收利用。这类方法很有效但成本很高。第二类是改善铁相在铝硅合金中的形貌，即抑制β铁相(针状或片状)的形成，使之生成对铝硅合金性能危害较小的汉字状或其它形状的α铁相。通过改善铁相形状的方法设法提高合金中的允许临界含铁量，其结果是使合金中的含铁量越来越高，而且还会增加其它的元素；不断的累积效果，将使废料的进一步再生回用更加困难。

对于上述第一类方法，从铝硅合金中设法把铁相去除，是采用机械、冶金和物理的方法，设法降低铝硅合金中铁的含量，从根本上解决铁相有害作用的方法。原理是利用铁相晶体在液态熔体中为先析出相，利用富铁相比熔体密度大的特点使之沉淀，从而通过分离或者过滤使之去除。但需要满足的是，铁相晶粒需要长大到一定尺寸，否则太小的颗粒无法沉淀或过滤。常见的方法有重力沉降法、过滤法、电磁分离法和离心法。

对于上述第二类方法，通常采用熔体过热法、快速冷却法、变质法、中和剂法。其中，中和剂法通过在合金中加入特定的合金元素，促使Fe生成汉字状等形态的α铁相组织来抑制片状、针状铁相的生成，从而提高了材料的强度、塑性和力学性能。这样的元素被称为中和剂，也作补偿剂。添加中和剂在实际生产中已经得到广泛的应用。常用的中和剂包括Mn、Cr、Co、Be、S和Mo等。Mn是最常用的中和剂元素。人们经常在铝硅合金中加入Mn来消除Fe的危害。Mn在铝硅合金中形成Al₁₀Mn₂Si和Al₆Mn，Fe可以溶解在其中，从而减少有害铁相的形成。

虽然Mn能抑制β铁相的生成，减少其危害作用，但是添加中和剂并不能完全消除Fe的危害。若Mn和Fe总量大于0.8%，会产生初生Al₁₅(FeMn)₃Si₂，其晶体为六角球状。这些球形化合物使切削加工性能显著下降。而且这种Al(FeMn)Si初生相随Mn含量的增加而增多，这些复杂的化合物会导致热裂，并且腐蚀炉衬。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，通过上述方法改善富铁铝硅合金中铁相的形貌，减少铁相危害，同时方法简单，不增加新的元素，不影响对铝合金的回收，成本低。

本发明的另一个目的在于，提供一种用以实施上述方法的装置，该装置结构简单，对现有设备的改造成本低。

本发明提供的技术方案为：

一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼富铁硅铝合金，其中，富铁硅铝合金中的铁含量为0.5～1.2%，硅含量≤15%，得到富铁硅铝合金熔体；

步骤二、将富铁硅铝合金熔体加热至720～760℃，利用电脉冲设备对富铁硅铝合金熔体进行电脉冲处理，其中，所述电脉冲设备包括一对脉冲电极，一对脉冲电极插入至富铁硅铝合金熔体内，电脉冲处理时，脉冲电压为500～1200V，脉冲频率为3～15Hz，持续时间为10～60s；

步骤三、将经过步骤二的电脉冲处理的富铁硅铝合金熔体进行浇注成型。

作为进一步的优选，所述步骤二中，将富铁硅铝合金熔体加热至750℃。

作为进一步的优选，脉冲电压为1000V，脉冲频率为8Hz，持续时间为30s。

作为进一步的优选，一对脉冲电极之间的距离为50mm。

一种富铁硅铝合金中铁相的电脉冲控制装置，包括：

熔炼炉，其内部设置有坩埚；电脉冲设备，其包括一对脉冲电极，一对脉冲电极伸入至坩埚内部。

作为进一步的优选，一对脉冲电极之间的距离为50mm。

本发明所述的富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法具有以下有益效果：本发明对处于合适温度的铝硅合金熔体进行电脉冲处理，电脉冲处理可以有效的提升Fe-Al-Si团簇的团簇尺寸，导致降温后生成的β相形核率上升，由于凝固过程中β相核心数量的增加，最终限制了β相的大小使其难以长成粗大的针状有害相。经过本发明的方法处理的合金，其力学性能得到极大程度的改善，抗拉强度提高了8%～25%，延伸率提高了近5%～14%。另外，本发明的方法无元素添加，不污染合金，没有过滤、沉淀、分离过程，能耗低，不污染环境。

本发明所述的富铁铝轨合金中铁相的电脉冲控制装置用于实施上述方法，本发明所述的装置可以利用原有的设备外加一个电脉冲设备得到，相比其他工艺可以减少大量的厂房改装费用，可快速投入生产，节约社会资源。

附图说明

图1为本发明所述的富铁铝轨合金中铁相的电脉冲控制装置的结构示意图。

图2(a)为本发明所述的实施例一中对比试样的金相显微组织照片，图2(b)为本发明所述的实施例一的经过电脉冲处理的合金试样的金相显微组织照片。

图3(a)为本发明所述的实施例一中经过电脉冲处理的合金试样的电镜照片，图3(b)为图3(a)的检测点的化学成分谱图。

图4(a)为本发明所述的实施例一中对比试样的Fe相分布图；图4(b)为本发明所述的实施例一中经过电脉冲处理的合金试样的Fe相分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

步骤一、熔炼富铁硅铝合金，其中，富铁硅铝合金中的铁含量为0.5～1.2%，硅含量小于等于15%，得到富铁硅铝合金熔体；

对于富铁硅铝合金熔体，电脉冲处理可以有效的提升Fe-Al-Si团簇的团簇尺寸，导致降温后生成的β相形核率上升，由于凝固过程中β相核心数量的增加，最终限制了β相的大小使其难以长成粗大的针状有害相。

铁含量高于1.2%时，就会有铁单质析出，即需要借助于其他方法(如重力沉降法)将铁相除去；而在铁含量低于0.5%时，则铁相所占比例较小，还不至于对材料的力学性质产生不良影响。

本发明的方法适用于生产共晶和亚共晶的铝硅合金。

在一个优选的实施方式中，所述步骤二中，将富铁硅铝合金熔体加热至750℃。

在一个优选的实施方式中，所述步骤二中，脉冲电压为1000V，脉冲频率为8Hz，持续时间为30s。

优选的，一对脉冲电极之间的距离为50mm。一对脉冲电极之间的距离主要是考虑到坩埚的体积。

如图1所示，本发明还提供一种富铁硅铝合金中铁相的电脉冲控制装置，包括：熔炼炉3，其内部设置有坩埚4；电脉冲设备，其包括一对脉冲电极2，一对脉冲电极2伸入至坩埚内部。优选的，一对脉冲电极之间的距离为50mm。脉冲电极通过导线连接至电脉冲发生器1，电脉冲发生器用于产生具有一定频率、幅度和持续时间的脉冲电压。

实施例一

本实施例以ZL102富铁量定为0.8%为例进行示范性说明，硅含量为11%。

首先，采用硅碳棒井式炉升温至300℃，将坩埚放入炉内进行预热处理，继续升温至680℃将工业纯Al(纯度99.999%)3kg置入坩埚内，融化后加入375g纯硅和24g工业纯铁(纯度99.999%)，待其全部熔化将炉温升至750℃保温。

如图1所示，将两根脉冲电极(φ=10mm长为500mm)通过电线连接电脉冲发生器，打开炉盖把两根脉冲电极插入坩埚内中央50mm处，通入1000V、8Hz、的电脉冲30s，最后取出脉冲电极，将经过电脉冲处理的富铁铝硅合金进行浇注成型。

为对比经过电脉冲处理的合金性状和性能，先铸造形成一对比试样，该对比试样的富铁铝硅合金的各种合金成分的组成、熔炼以及铸造过程中的各项参数均与本实施例的合金相同，二者的区别仅在于是否采用电脉冲处理。

图2(a)为不经过电脉冲处理的富铁铝硅合金的金相显微组织照片，图2(b)为经过电脉冲处理的富铁铝硅合金的金相显微组织照片。图2(a)中Fe相呈典型的β-Al₅FeSi结构，长杆针状分布在基体之中，容易在此处产生应力集中，导致对α-Al基体产生切割破坏的作用；图2(b)中β-Al₅FeSi相呈短杆状分布，大小长短以及长径比均明显下降，其相均匀分布于机体中。对比图2(a)和图2(b)可知，电脉冲处理有效的改善了有害相的形貌，降低了富铁的危害。

将经过电脉冲处理后的合金试样进行EDS分析，如图3(a)所示电镜中箭头处为检测点，其化学成分如图3(b)所示，经计算发现其成分为Al₅FeSi，证实了在图2(b)的金相分析中的短杆状相为Al₅FeSi。说明电脉冲处理确实可以控制富铁β-Al₅FeSi相的形貌从而削弱其有害作用。

仍以图2(a)和图2(b)所涉及的合金试样进行试验，研究二者的Fe元素面分布，图4(a)为不经过电脉冲处理的富铁铝硅合金的Fe元素面分布图，图4(b)为经过电脉冲处理的合金试样的Fe元素面分布图，可以看出电脉冲处理不仅改善了β-Al₅FeSi相的形貌，还使β-Al₅FeSi相分布更加均匀，进一步减少了应力集中，改善力学性能。

经过测试，相比于前述对比试样，本实施例的经过电脉冲处理的合金的力学性能得到了极大的改善，经电脉冲处理后其抗拉强度提高了24.39%，延伸率升高了13.70%。

实施例二

本实施例中铁含量为0.5%，硅含量为9%。

步骤二中，将富铁硅铝合金熔体被加热至720℃，电脉冲处理的参数为脉冲电压为500V，脉冲频率为3Hz，持续时间为10s。其他未在本实施例写明的设备、步骤和参数均与实施例一保持一致。

为对比经过电脉冲处理的合金性状和性能，先铸造形成一对比试样，该对比试样的富铁铝硅合金的各种合金成分的组成、熔炼以及铸造过程中的各项参数均与本实施例的合金相同，二者的区别仅在于是否采用电脉冲处理。经过测试，相比于前述对比试样，本实施例的经过电脉冲处理的合金的力学性能得到了极大的改善，经电脉冲处理后其抗拉强度提高了15.72%，延伸率升高了8.53%。

实施例三

本实施例中铁含量为1.2%，硅含量为13%。

步骤二中，将富铁硅铝合金熔体被加热至760℃，电脉冲处理的参数为脉冲电压为1200V，脉冲频率为15Hz，持续时间为60s。其他未在本实施例写明的设备、步骤和参数均与实施例一保持一致。

为对比经过电脉冲处理的合金性状和性能，先铸造形成一对比试样，该对比试样的富铁铝硅合金的各种合金成分的组成、熔炼以及铸造过程中的各项参数均与本实施例的合金相同，二者的区别仅在于是否采用电脉冲处理。经过测试，相比于前述对比试样，本实施例的经过电脉冲处理的合金的力学性能得到了极大的改善，经电脉冲处理后其抗拉强度提高了20.13%，延伸率升高了11.2%。

实施例四

本实施例中铁含量为0.8%，硅含量为15%。

步骤二中，将富铁硅铝合金熔体被加热至750℃，电脉冲处理的参数为脉冲电压为1000V，脉冲频率为8Hz，持续时间为30s。其他未在本实施例写明的设备、步骤和参数均与实施例一保持一致。

为对比经过电脉冲处理的合金性状和性能，先铸造形成一对比试样，该对比试样的富铁铝硅合金的各种合金成分的组成、熔炼以及铸造过程中的各项参数均与本实施例的合金相同，二者的区别仅在于是否采用电脉冲处理。经过测试，相比于前述对比试样，本实施例的经过电脉冲处理的合金的力学性能得到了极大的改善，经电脉冲处理后其抗拉强度和延伸率均有所提高，其结果与实施例一无显著差异。

实施例五

本实施例中铁含量为1.2%，硅含量为5%。

为对比经过电脉冲处理的合金性状和性能，先铸造形成一对比试样，该对比试样的富铁铝硅合金的各种合金成分的组成、熔炼以及铸造过程中的各项参数均与本实施例的合金相同，二者的区别仅在于是否采用电脉冲处理。经过测试，相比于前述对比试样，本实施例的经过电脉冲处理的合金的力学性能得到了极大的改善，经电脉冲处理后其抗拉强度和延伸率均有所提高，所结果与实施例一无显著差异。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，其特征在于，所述步骤二中，将富铁硅铝合金熔体加热至750℃。

3.如权利要求2所述的富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，其特征在于，脉冲电压为1000V，脉冲频率为8Hz，持续时间为30s。

4.如权利要求3所述的富铁铝硅合金中铁相的电脉冲控制方法，其特征在于，一对脉冲电极之间的距离为50mm。

5.一种富铁硅铝合金中铁相的电脉冲控制装置，其特征在于，包括：

熔炼炉，其内部设置有坩埚；

电脉冲设备，其包括一对脉冲电极，一对脉冲电极伸入至坩埚内部。

6.如权利要求5所述的富铁硅铝合金中铁相的电脉冲控制装置，其特征在于，一对脉冲电极之间的距离为50mm。