CN104384482B - 一种细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法。通过在过共晶铝硅合金中原位生成硫化锌作为初晶硅的形核基底，达到细化过共晶铝硅合金中初晶硅相之目的。在熔铸过共晶铝硅合金时，加入锌或含锌的物质和硫或含硫的物质，它们在过共晶铝硅合金熔体中发生反应原位生成ZnS，锌或含锌的物质和硫或含硫的物质在铝硅合金呈固态、半固态或液态时加入，所需的ZnS相质量百分比含量为0.05％-1％。经变质后，合金中90％以上的初晶硅尺寸小于30微米，形貌以颗粒为主、且分散均匀；合金浇铸件具有耐高温、耐磨性高，尺寸稳定性好、切削加工性能好等优点。

Description

一种细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高过共晶铝硅合金性能的合金组织细化的技术，特别涉及一种新型细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法，属于铸造用细化剂技术领域。
背景技术：
过共晶铝硅合金含硅量一般高达16％-26％。与共晶铝硅合金相比，合金中存在的硅一部分以初晶硅形式存在于基体中；初晶硅可大大提高合金的耐磨性和耐热性能；而且随着硅含量的增加，合金的线膨胀系数变小。加之该类合金具有密度轻、良好的铸造流动性、抗热裂性等优点，使得过共晶铝硅合金成为理想的高速发动机用活塞材料。
然而不加控制或控制不佳的过共晶铝硅合金铸造组织中的初晶硅常常呈粗大的板片状、多角状、五瓣星状等形貌，严重割裂基体组织，不仅降低了合金的机械性能，还严重恶化了合金的铸造性能。因此，需要对该类合金采取一定的措施以细化初晶硅和共晶硅组织。其中“变质处理”是一种最常用、最有效的方法，由于具有可控、可靠的工艺优势受到人们的青睐。
“变质”就是向金属液体中加入或生成变质剂(又称为孕育剂或形核剂)，形成大量分散的非自发形核核心，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。经过适当的变质处理后，合金的常温及高温机械性能均可大幅度提高。因此，研究适合的变质剂及其变质工艺，对细化过共晶铝硅合金中初晶硅和共晶硅组织、改善组织分布、不断提高铸造过共晶铝硅合金的综合机械性能和切削加工性能、拓宽过共晶铝硅合金的实际应用范围、完善过共晶铝硅合金的变质理论都具有极其重要的意义。
目前，采用磷变质细化初晶硅在国内外已得到公认，认为磷能变质初晶硅是因为铝液与磷反应生成AlP化合物，这种化合物的熔点高于1000℃，与初晶硅的晶格类型相同，晶格常数比较相近(AlP为，Si为)，符合初晶硅异质形核的条件，可以达到细化初晶硅之目的。然而P变质处理存在诸多问题，例如磷的吸收率受工艺条件的限制，变质效果不稳定，均匀性较差，废品率高等。
硫化锌在1020℃以下以β变体形式存在，与硅的晶格类型相同；晶格常数为，与初晶硅的晶格常数基本相同，非常符合初晶硅异质形核核心的要求，是一种新型的初晶硅变质剂。目前，国内外关于硫化锌细化初晶硅的报道还很少，值得大力研究和推广。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法。在过共晶铝硅合金熔铸时，通过原位生成硫化锌的方法提供大量初晶硅的形核核心，达到细化过共晶铝硅合金中初晶硅相之目的。
为了实现上述发明目的，一种细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法，利用在过共晶铝硅合金原位生成的ZnS细化过共晶铝硅合金中初晶硅相，硫化锌具有和硅相同的晶体结构，在过共晶铝硅合金中，细化初晶硅所需的ZnS相质量百分比含量为0.05％-1％。
本发明方法采取如下技术方案：
在熔铸过共晶铝硅合金时，加入锌(Zn)或含锌(如锌铝(Zn-Al)合金)的物质和硫(S)或含硫(如硫化钠(Na2S))的物质，它们在过共晶铝硅合金熔体中发生反应原位生成ZnS，锌或含锌的物质和硫或含硫的物质可以在铝硅合金呈固态、半固态或液态时加入。
将铝硅合金放入熔炼炉中升温熔化并过热到1300℃以下，锌或锌铝合金等含锌物质可在铝硅合金呈固态、半固态或液态时加入；保温至熔体成分、温度均匀后，降温并保温至900℃以下合适温度，加入硫或含硫物质；锌和硫或硫化物等含硫物质发生反应，生成硫化锌；再经保温、除气、精炼、静置、扒渣等工序后，按照低温浇注的原则将变质处理后的铝硅合金浇注到模具中。
本发明细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法的优点：过共晶铝硅合金达到细化效果时需要的硫化锌非常少，操作简单安全，不会引入杂质元素，同时钠等产物的生成还能够起到细化共晶硅的作用。
本发明采用原位生成硫化锌的方法，利用硫化锌作为形核基底细化过共晶铝硅合金中初晶硅相，硫化锌颗粒在铝合金熔体中稳定性高，不与合金中的其他元素发生反应，从而显著改变合金的性能。经变质后，合金中90％以上的初晶硅尺寸小于30微米，形貌以颗粒为主、且分散均匀；合金浇铸件具有耐高温、耐磨性高，尺寸稳定性好、切削加工性能好等优点。
附图说明：
图1为未变质处理的过共晶铝硅合金的金相组织图。
图2为硫化锌变质处理的过共晶铝硅合金的金相组织图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明方法做进一步阐述。
实施例1、
1、配料
称取200gAl-24Si放到马弗炉中预热至200℃；称取1g硫和18g锌粉放到干燥箱中干燥待用；
2、熔化、保温
将过共晶铝硅合金在坩埚电阻炉中熔化，过热至800℃，将18g锌粉加入铝硅熔体中并搅拌后780℃保温；
3、变质处理
加入硫粉并压入熔体底部，搅拌，在780℃下保温20min；
4、精炼、浇铸
通氩气精炼，经静置、扒渣后将合金液浇铸到预热至200℃的金属模具中；
5、显微组织观察
截取一定尺寸的试样，经磨抛后进行显微组织观察，在金相分析系统中测出初晶硅的尺寸。
未变质处理的过共晶铝硅合金的金相组织图如图1所示，硫化锌变质处理的过共晶铝硅合金的金相组织图如图2所示。可见经硫化锌变质处理后，合金中90％以上的初晶硅尺寸小于30微米，形貌以颗粒为主、且分散较均匀。
实施例2、
1、配料
称取200gAl-24Si合金和50g锌铝合金放到马弗炉中预热至200℃；称取2gNa2S放到干燥箱中干燥待用；
2、熔化、保温
将过共晶铝硅合金和锌铝合金在坩埚电阻炉中熔化，过热至800℃搅拌后在780℃保温；
3、变质处理
将Na2S加入到合金熔体中并压入熔体底部，搅拌，在780℃下保温20min；
4、精炼、浇铸
通氩气精炼，经静置、扒渣后将合金液浇铸到预热至200℃的金属模具中；
5、显微组织观察
截取一定尺寸的试样，经磨抛后进行显微组织观察，在金相分析系统中测出初晶硅的尺寸。经硫化锌变质处理后，合金中90％以上的初晶硅尺寸小于30微米，形貌以颗粒为主、且分散较均匀。

Claims (1)

1.一种细化过共晶铝硅合金中初晶硅的方法，其特征在于利用在过共晶铝硅合金原位生成的ZnS细化过共晶铝硅合金中初晶硅相，细化初晶硅所需的ZnS相质量百分比含量为0.05％-1％；在熔铸过共晶铝硅合金时，将铝硅合金放入熔炼炉中升温熔化并过热到1300℃以下，锌或含锌物质在铝硅合金呈液态时加入；保温至熔体成分、温度均匀后，降温并保温至900℃以下温度，加入硫或含硫物质；锌和硫或含硫物质发生反应，原位生成硫化锌；再经保温、除气、精炼、静置、扒渣工序后，按照低温浇注的原则将变质处理后的铝硅合金浇注到模具中。
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