CN103981386B - 亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法,以Sr和B对硅含量为2~13.5wt.%的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理,处理后,使合金熔体中的Sr含量为0.005~0.1%,B含量为0.005~0.1%,Sr与B的质量比值为0.3~5。采用铝硼中间合金作为细化剂,对铝硅合金具有良好的晶粒细化效果;采用铝锶中间合金作为变质剂,可有效变质铝硅合金中的共晶硅。通过控制熔炼及变质和细化处理工艺,所加入的变质剂对共晶硅有良好变质效果的同时,晶粒细化剂对α-Al也有良好的细化效果,使铸锭组织同时得到变质及细化,可以有效避免锶和硼之间的相互毒化作用。

Description

亚共晶和共晶锅枯合金变质及细化的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种亚共晶和共晶侣娃合金铸锭的变质及细化处理的方法,属于侣合 金烙炼与铸造技术领域。
背景技术
[0002] 侣娃合金具有轻质、高强度、高耐磨性、高耐热性、优良的体积稳定性等优点,在机 械、汽车等领域有着广泛的应用。
[0003] 侣娃合金的典型组织包括a -A1、初晶娃、共晶娃W及少量的合金相。其中,初晶娃 和共晶娃是脆性相,两者的形态、大小和分布是影响合金力学性能的主要因素。未经变质的 侣娃合金中初晶娃呈粗大的不规则块状分布,共晶娃呈细长针状。在载荷作用下,合金中的 娃相尖端和棱角部位易引起局部应力集中,从而明显降低了合金的力学性能,尤其是影响 合金的塑性、强度。因此,侣娃合金在铸造时一般对娃相进行变质处理,改善娃相的形态和 大小,W改善合金力学性能。另外,a-Al的组织形态和大小也对合金性能有一定程度的影 响,因此侣娃合金还须对a -Al进行细化处理。
[0004] 工业生产中广泛采用在烙体中加入变质剂的方法对侣娃合金进行变质处理。侣娃 合金常用的变质剂体系有钢(化)、锁(Sr)和憐(P),其中憐变质剂主要用于过共晶侣娃合 金中初晶娃的变质处理,而钢和锁对共晶娃的变质效果较好,常用于亚共晶和共晶侣娃合 金的变质处理。但是钢是化学活泼性元素,在变质处理过程中氧化烧损严重、有易挥发性, 因而钢的收得率不易控制,同时变质有效期较短,一般为30~60min,因此采用钢变质时对 变质效果的控制较难。(见:下文江,黄良余,奮春泉,等.A^Si合金中锁、钢、錬变质作用 机理.兵器材料科学与工程,1986,(8) :35-41.)锁的变质效果仅次于钢,但在烙体中的收 得率高、变质有效期长。因此,越来越多的铸造厂在生产侣娃合金时采用锁变质。(见:鲁 薇华,王汝耀.锁变质侣娃合金的组织、性能及其变质工艺.铸造,1997,62巧):44-49.)但 采用锁变质时,会提高合金烙体吸气倾向,合金易产生针孔、气孔、疏松等缺陷。运一缺点提 高了锁变质时的烙炼和变质工艺控制要求,也限制了锁变质的应用范围。
[0005] 为提高合金力学性能,侣娃合金铸锭生产过程中在对共晶娃进行变质处理的同 时,还需对a-Al进行细化处理,减少铸锭组织中的粗大柱状晶的比例,使a-Al组织转 变为W尺寸较小的等轴晶为主的组织。当侣合金中的娃含量大于1.5wt. %时,传统的 Al-STi-B晶粒细化剂的细化能力显著降低,而W Al-B中间合金作为晶粒细化剂具有较强 的细化能力。但当锁变质剂与含棚细化剂同时使用时,如果锁和棚的添加量控制不当,锁与 棚之间易发生相互毒化作用,同时降低变质和细化效果。(见:廖恒成,孙国雄.铸造 Al-Si 合金中Sr与B间反应产物的研究.金属学报,2003, 39 (2) :155-158.)因此,控制侣娃合金 烙体中的锁和棚的浓度是获得良好变质及细化效果的关键。
[0006] 由于单质Sr不易保存,一般采用M-Sr中间合金的方式在烙体中加入Sr。在Sr 变质剂中加入其他元素,可W达到提高Sr的溶解和吸收速率、降低烙体吸气等目的。如在 A^Sr中间合金中加入稀±元素 Ce, W降低烙体的吸气倾向(中国专利201210245736. 6)。 但稀±元素 Ce价格较高,提高了生产成本。在M-Sr中间合金中加入Ti和B元素形成 A^Ti-B-Sr中间合金(美国专利5230754,中国专利201010501445. X),使变质和细化通过 一次加入Al-Ti-B-Sr中间合金完成。首先,A^Ti-B-Sr中间合金塑性不好,不易加工成操 作性较好的线材或丝材。其次,一次加入Al-Sr-Ti-B中间合金,不能单独精确控制Sr、Ti、 B在烙体中的含量。特别是针对不同Si含量的Al-Si合金,需根据Si含量合理控制烙体中 的Sr和B的含量,才能达到最优的变质和细化效果。再次,有研究发现,对于M-Si合金, 烙体中同时存在Sr、Ti、B时,易于形成SrBe和TiB 2颗粒,运两种颗粒的密度比侣液密度大 得多,易发生沉积现象,导致变质和细化作用的衰退加快。
[0007] 综上所述,目前工业生产亚共晶和共晶侣娃合金铸锭的晶粒细化处理和变质处理 的方法仍不成熟,难W同时获得细小的a-Al等轴晶组织和细小纤维状共晶组织。因此急 需一种稳定高效且易操作的处理方法,改善工业生产中侣娃合金的铸锭组织。
发明内容
[0008] 本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种亚共晶和共晶侣娃合金变质 及细化的方法。
[0009] 本发明的目的通过W下技术方案来实现:
[0010] 亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,特点是:W Sr和B对娃含量为2~ 13. 5wt. %的亚共晶和共晶侣娃合金进行变质及细化处理,处理后,使合金烙体中的Sr含 量为0. 005~0. 1 %,B含量为0. 005~0. 1 %,Sr与B的质量比值为0. 3~5。
[0011] 进一步地,上述的亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,首先,烙炼亚共晶或 共晶侣娃合金并将合金液的成分控制在标准范围内,保持烙体溫度在650~850°C范围内, 将Sr变质剂加入到烙体中,揽拌烙体使Sr溶解充分并分布均匀;
[0012] 然后,除气精炼,除气精炼后静置10~120min,然后化去浮渣;
[0013] 然后,将烙体导入在线除气装置中,保持烙体溫度在650~850°C范围内;
[0014] 然后,保持烙体溫度在650~850°C范围内,将B细化剂加入到烙体中;
[0015] 最后,保持烙体溫度在650~850°C范围内,将烙体诱注成形为零件或铸巧。
[0016] 更进一步地,上述的亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,所述Sr变质剂的 添加量为烙体中Sr含量0. 005~0. 1 % ;所述B变质剂的添加量为烙体中B含量0. 005~ 0. 1%,Sr与B的质量比值为0.3~5。
[0017] 再进一步地,上述的亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,烙体诱注成形铸 造时的冷却速度为1~1000 °C /so
[0018] 本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
[0019] ①采用侣棚中间合金作为细化剂,对侣娃合金具有良好的晶粒细化效果;采用侣 锁中间合金作为变质剂,可有效变质侣娃合金中的共晶娃。通过控制烙炼及变质和细化 处理工艺,所加入的变质剂对共晶娃有良好变质效果的同时,晶粒细化剂对a -Al也有良 好的细化效果,使铸锭组织同时得到变质及细化,可W有效避免锁和棚之间的相互毒化作 用;
[0020] ②锁的变质有效期和棚的细化有效期均较长,对冷却速度敏感性低,对较大规格 铸锭也能获得优良的变质和细化效果,可W满足砂型铸造、金属型铸造、半连续铸造等多种 生产工艺的要求;
[0021] ③采用的变质剂和细化剂中不含贵重元素和有毒元素,具有易于操作、成本低廉、 安全环保等优点。
附图说明
[0022] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
[002引图1 :合金烙体中Sr和B的含量控制示意图;
[0024] 图2 :未变质共晶侣娃合金(含娃11. 0~13. 5wt. % )铸锭显微组织照化共晶娃 呈粗大板条状;
[00巧]图3 :单独采用锁变质的共晶侣娃合金铸锭的显微组织照片,共晶娃呈细小纤维 状,但a -Al为粗大的柱状树枝晶;
[0026] 图4 :单独采用锁变质的共晶侣娃合金铸锭的高倍显微组织照片,经锁变质的侣 娃合金中共晶娃已转变为细小的纤维状;
[0027] 图5 :采用本发明方法处理的共晶侣娃合金铸锭的显微组织照化a -Al为尺寸较 细小的等轴晶,与图3相比已明显细化;
[002引图6 :采用本发明方法处理的共晶侣娃合金铸锭的高倍显微组织照化在a -Al晶 粒细化的同时,共晶组织仍然呈细小的纤维状。
具体实施方式
[0029] 亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,W Sr和B对娃含量为2~13. 5wt. % 的亚共晶和共晶侣娃合金进行变质及细化处理,处理后,使合金烙体中的Sr含量为 0. 005~0. 1 %,B含量为0. 005~0. 1 %,Sr与B的质量比值为0. 3~5。
[0030] 亚共晶和共晶侣娃合金变质及细化的方法,首先,烙炼亚共晶或共晶侣娃合金并 将合金液的成分控制在标准范围内,保持烙体溫度在650~850°C范围内,将Sr变质剂加入 到烙体中,Sr变质剂的添加量为0. 005~0. 1%,揽拌烙体使Sr溶解充分并分布均匀;
[0031] 然后,除气精炼,除气精炼后静置10~120min,然后化去浮渣;
[0032] 然后,将烙体导入在线除气装置中,保持烙体溫度在650~850°C范围内;
[0033] 然后,保持烙体溫度在650~850°C范围内,将B细化剂加入到烙体中;
[0034] 最后,保持烙体溫度在650~850°C范围内,将烙体诱注成形为零件或铸巧,铸造 时的冷却速度为1~1000 °c /so
[0035] Sr变质剂主要起变质共晶娃的作用,B细化剂主要起细化a -Al晶粒的作用。本 发明通过控制精炼、添加变质剂、添加细化剂、揽拌、在线除气等工序的处理次序、溫度和时 间等工艺参数,并控制烙体中的锁和棚的比例,可W有效避免锁和棚之间的相互毒化作用, 有效减少烙体中的气体含量,减少铸件的气孔和疏松等缺陷。经本发明的方法处理的亚共 晶和共晶侣娃合金烙体,在铸造溫度为650~850°C,冷却速度为1~1000°C /s的铸造条件 下,铸锭组织中的共晶娃呈细小的纤维状,同时a-Al晶粒细小,并可W将铸锭针孔、气孔、 疏松等缺陷控制在合理范围W内。
[0036] 下面对本发明设及的亚共晶和共晶侣娃合金成分、变质剂、细化剂及烙炼和铸造 等工艺条件进行说明。
[0037] 合金成分:
[0038] 亚共晶和共晶侣娃合金的娃含量为2~13. 5wt. %。M-Si合金中通常加入其他 合金元素,如化、Mg、Ni等元素,改善M-Si合金性能。典型的M-Si合金成分范围包括:
[0039] 合金 1 :A^Si 合金,Si 含量:2 ~13. 5%。
[0040] 合金 2 :A^Si-Cu 合金,Si 含量:2 ~13. 5%,Cu 含量:0. 1 ~4%。
[0041] 合金 3 :A^Si-Cu-Mg 合金,Si 含量:2 ~13. 5%,Cu 含量:0. 1 ~4%,Mg 含量: 0. 2 ~2%。
[0042] 合金4:4^81-〇1-]\%-化合金,51含量:2~13.5%,化含量:0.1~4%,]\%含量: 0. 2 ~2%,Ni 含量:0. 2 ~2%。
[0043] A^Si合金的共晶点为12. 6%,组织中的Si相的大小、形态和分布是影响合金力 学性能的重要因素。对于M-Si合金,当Si含量大于2%而低于共晶点成分时,随着Si含 量的增大,烙体流动性增强,合金中共晶娃比例增大,合金力学性能特别是强度和耐磨性铸 件提高。当Si含量大于13. 5%时,铸造时合金中优先生成块状的初晶娃,显著降低合金的 力学性能和切削性能。当Si含量在12. 6%附近时,在其他合金元素和变质元素 Sr的作用 下,可抑制初晶娃的生成。因此,采用本发明的变质和细化方法处理Al-Si合金时,其Si含 量需控制在2~13. 5%。
[0044] Sr变质:Sr变质剂对Al-Si合金中的共晶娃的变质效果主要与Sr含量、变质溫度 和保溫时间有关。当Sr含量低于0. 005%时,合金中的共晶娃仍然呈短针棒状,由于Sr含 量太低从而达不到变质效果;当Sr含量高于0. 1 %时,产生过变质组织,同时Sr含量过高 将增强烙体吸气。在烙体中加入Sr变质剂时,Sr变质剂溶解到烙体中需5~30min。烙体 溫度越高、揽拌越充分,Sr的溶解越快,但溫度太高不仅耗费能源,并且导致烙体吸气严重。 因此,采用Sr变质时需控制烙体中Sr含量在0.005~0. 1%,并保持烙体溫度在650~ 850°C范围内,并在加入Sr变质剂后5~120min进行诱注。
[0045] B 细化:
[0046] 合金烙体中添加 B作为细化剂,主要通过AlBz颗粒起细化作用。当B含量低于 0. 005%时,烙体中生成的AlBz浓度太低,a -Al形核位置少,对a -Al的细化作用不明显。 当B含量高于0. 1 %时,过多的B不但不会增强细化作用,与Sr反应生成大量的Sr-B化合 物或Al-Sr-B =元化合物,消耗大量的Sr,使得Sr变质不充分。因此,采用B细化时需控制 烙体中B含量在0. 005~0. 1 %。
[0047] Sr/B :0. 3 ~5
[0048] 当Al-Si合金烙体中同时存在Sr和B元素时,Sr与B易于反应生成化合物相SrBe, 该相的生成消耗大量的Sr和B,即产生相互毒化作用,同时降低Sr的变质效果和B的细化 效果。控制烙体中Sr/B质量比是抑制Sr与B相互毒化作用的关键。当烙体中Sr/B质量 比低于0. 3时,B含量过高而Sr含量不足,对共晶娃的变质不够充分,产生欠变质组织;当 烙体中Sr/B质量比高于5时,Sr浓度过高,a -Al枝晶开始粗化,并出现细棒状娃相,导致 合金力学性能下降。因此,当联合使用Sr和B对Al-Si合金进行变质和细化处理时,根据 合金成分特别是娃含量控制烙体中的Sr和B的含量W及Sr/B质量比,如图1,并严格控制 烙体溫度等工艺参数,才能有效避免Sr与B的相互毒化作用,使合金获得良好的变质和细 化效果。
[0049] 铸造溫度:合金液相线溫度W上80~200°C
[0050] 为了保持变质剂对共晶娃的变质效果和烙体良好的流动性,亚共晶和共晶侣娃合 金的铸造溫度应保证高于液相线溫度80~200°C。烙体溫度在高于液相线溫度W上80°C 时,Si在合金中的溶解较为充分,变质剂和细化剂在烙体中的溶解和扩散速度较快,变质和 细化作用能得到有效发挥。此外,在亚共晶和共晶侣娃合金的烙炼中,烙体溫度一般不超过 850°C,否则将加剧氧化烧损和吸气倾向。如Si含量为8wt. %的亚共晶M-Si合金液相线 溫度约为610°C,其铸造溫度应保证在690°C W上。
[0051] 冷却速度:1 ~1000°C /s
[0052] 亚共晶和共晶Al-Si合金中共晶娃的变质W及a -Al的细化不仅和变质剂及工艺 有关,冷却速度也是重要的影响因素。合金冷却速度低于TC /s时,由于冷却慢凝固时间 长,对共晶娃的变质需更高含量的Sr变质剂,同时a -Al易出现长大和粗化,难W得到期望 的细化组织。当冷却速度大于IOOCTC /s时,采用常规成形工艺及模具难W实现。
[0053] 实施例1 :亚共晶侣娃合金的变质及细化处理。亚共晶侣娃合金,娃含量6. 5~ 7. 5wt. %,详细化学成分如表1中的合金A。
[0054] 烙炼设备采用15kg电阻炉,先往烙炼炉中投入电解侣和侣娃中间合金,待炉料完 全烙化后W中间合金或纯金属的形式加入其他合金元素,控制各合金元素成分。保持烙体 溫度为650~850°C,加入Al-Sr中间合金,使烙体中的锁质量为烙体总质量的0. 005~ 0. 1% ;加入M-Sr中间合金后揽拌均匀;在烙体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处 理,通气时保持烙体溫度为650~850°C,通气时间为10~40min ;除气处理后静置10~ 30min,化去浮渣;加入Al-B中间合金,使烙体中的棚质量为烙体总质量的0. 005~0. 1% ; 保持烙体溫度为650~850°C,将烙体诱入石墨模具中铸造成铸锭。
[00巧]各批次实验的Sr含量和B含量W及实验结果如表2中编号为1~6的实验。
[0056] 实施例2 :亚共晶侣娃合金的变质及细化处理。亚共晶侣娃合金,娃含量9~ IOwt. %,详细化学成分如表1中的合金C。
[0057] 烙炼设备采用15kg电阻炉,先往烙炼炉中按比例投入电解侣和侣娃中间合金,待 炉料完全烙化后控制各合金元素成分。保持烙体溫度为650~850°C,加入Al-Sr中间合 金,使烙体中的锁质量为烙体总质量的0. 005~0. 1 % ;加入Al-Sr中间合金后揽拌均匀; 在烙体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理,通气时保持烙体溫度为650~850°C,通气 时间为10~40min ;除气处理后静置10~30min,化去浮渣;加入Al-B中间合金,使烙体中 的棚质量为烙体总质量的0. 005~0. 1% ;保持烙体溫度为650~850°C,将烙体诱入铸铁 板具中铸造成铸锭。
[0058] 各批次实验的Sr含量和B含量W及实验结果如表2中编号为7~12的实验。
[0059] 表1亚共晶和共晶侣娃合金化学成分
[0060]
Figure CN103981386BD00081
[0061] 表2不同Sr、B含量对铸造组织的影响
[0062]
Figure CN103981386BD00091
[0063] 注:共晶娃变质级别参考美国铸造协会发布的侣合金中共晶娃变质级别的定量金 相标准
[0064] 实施例3 :共晶侣娃合金铸锭的变质及细化处理。共晶侣娃合金的含量11. 0~ 13. 5wt. %,详细化学成分如表1中的合金D。下面化合金D的〇300mm铸锭半连铸生产过 程中的变质及细化处理为例,说明本发明的具体实施方法。
[0065] 烙炼设备采用500kg电阻炉,先往烙炼炉中投入电解侣与多晶娃或侣娃中间合 金,待炉料完全烙化后W中间合金或纯金属的形式加入其他合金元素,控制各合金元素成 分。保持烙体溫度为650~850°C,加入Al-Sr中间合金,使烙体中的锁质量为烙体总质量 的0. 005~0. 1 %;加入Al-Sr中间合金后揽拌均匀;在烙体中通入高纯惰性气体进行精炼 除气处理,通气时保持烙体溫度为650~850°C,通气时间为10~40min ;除气处理后静置 10~30min,化去浮渣;将烙体导入石墨转子在线除气装置中,对烙体进行在线除气处理, 处理溫度为650~850°C;加入Al-B中间合金,使烙体中的棚质量为烙体总质量的0. 005~ 0. 1% ;保持烙体溫度为650~850°C,将烙体诱入(6300半连铸结晶器中进行半连续铸造, 连铸速度50~150mm/min,冷却水流量1~4mVh。
[0066] 各批次实验的Sr含量和B含量W及实验结果如表2中编号为13~18的实验。实 验13未加变质剂和细化剂,获得的铸锭组织的共晶娃为粗大板条状,如图2所示。实验16 的共晶侣娃合金铸锭的组织如图5和图6所示。与单独采用锁变质的铸锭组织(实验14 获得,如图3、图4)相比,当联合使用侣锁中间合金和侣棚中间合金时,铸锭组织中的Q-Al 柱状晶数量和尺寸均减小,a -Al主要为尺寸较细小的等轴晶,如图5、图6所示,共晶娃呈 细小纤维状,表明在a -Al获得细化的同时,共晶娃也获得了良好的变质。
[0067] 本发明采用侣棚中间合金作为细化剂,对侣娃合金具有良好的晶粒细化效果;采 用侣锁中间合金作为变质剂,可有效变质侣娃合金中的共晶娃。通过控制烙炼及变质和细 化处理工艺,所加入的变质剂对共晶娃有良好变质效果的同时,晶粒细化剂对a -Al也有 良好的细化效果,使铸锭组织同时得到变质及细化,可W有效避免锁和棚之间的相互毒化 作用;锁的变质有效期和棚的细化有效期均较长,对冷却速度敏感性低,对较大规格铸锭也 能获得优良的变质和细化效果,可W满足砂型铸造、金属型铸造、半连续铸造等多种生产工 艺的要求;采用的变质剂和细化剂中不含贵重元素和有毒元素,具有易于操作、成本低廉、 安全环保等优点。
[0068] 需要理解到的是:W上所述仅是本发明的优选实施方式,对于本技术领域的普通 技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可W作出若干改进和润饰,运些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1. 亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法,其特征在于:以Sr和B对硅含量为2~ 13. 5wt. %的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理,处理后,使合金熔体中的Sr含量 为0· 005~(λ1%,B含量为(λ005~(λ1%,Sr与B的质量比值为(λ3~5。
2. 根据权利要求1所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法,其特征在于: 首先,熔炼亚共晶或共晶铝硅合金并将合金液的成分控制在标准范围内,保持熔体温度在 650~850°C范围内,将Sr变质剂加入到熔体中,搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀; 然后,除气精炼,除气精炼后静置10~120min,然后扒去浮渣; 然后,将熔体导入在线除气装置中,保持熔体温度在650~850°C范围内; 然后,保持熔体温度在650~850°C范围内,将B细化剂加入到熔体中; 最后,保持熔体温度在650~850°C范围内,将熔体浇注成形为零件或铸坯。
3. 根据权利要求2所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法,其特征在于:所 述Sr变质剂的添加量为使熔体中Sr含量为0. 005~0. 1% ;所述B细化剂的添加量为使熔 体中B含量为0. 005~0. 1%。
4. 根据权利要求2所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法,其特征在于:熔 体浇注成形铸造时的冷却速度为1~1000°C/s。
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