CN106011545A - 一种铝-锑中间合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝‑锑中间合金及其制备方法和应用，其组分及质量百分比为铝89.0‑97.0%，锑3.0‑11.0%，所述锑是以亚微米尺度的锑化铝相的状态弥散分布于所述中间合金中。本发明的铝‑锑中间合金可应用在铝硅合金铸造生产中。本发明的铝‑锑中间合金中亚微米尺度的锑化铝相的弥散度高、偏析程度低，扩散速度快，对共晶硅与初生硅的细化变质效果良好，可以解决铝‑硅系合金的硅粗大、熔体处理过程吸气倾向高等技术问题。

Description

一种铝-锑中间合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属合金材料技术领域，具体涉及一种用于铸造硅铝合金共晶硅细化的铝-锑中间合金及其制备方法和应用。

背景技术

铝硅合金是使用量最大的铸造铝合金，具有流动性好、质轻、耐磨、成本低等优势，是理想的发动机活塞材料，也常用作汽车轮毂材料。其中硅是合金的强化相，提高合金的机械性能。然而，常规凝固条件下，铝硅合金中的初生硅为粗大的颗粒，共晶硅为粗大的板片状，其尖端和棱角等部位容易产生应力集中，从而降低力学性能。为克服上述缺陷，通常采用细化变质处理以减小硅的尺寸、优化合金机械性能。细化变质处理是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使其在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。细化变质处理的方法主要是采用锶变质处理共晶硅，采用磷细化初生硅。然而，锶变质容易产生针状气孔而形成废品，容易与铝熔体中的磷、硼等元素相互作用，导致合金性能衰退。

金属锑具有较低的吸气倾向与较强的细化变质效果，也被用于铝硅合金细化变质，并具有改善铝硅合金性能，提高塑性的作用。例如专利[申请号：201310084947.0]提出了一种锑变质铝合金中金属锑的加入方法，是利用带有小孔的钟罩将小块纯金属锑浸入铝硅合金熔体中，避免了锑的二次熔炼，并提高了熔体的纯净度。该方法缩短了生产流程。但是，块状锑的体积较大，扩散速度慢，变质处理时间较长，难以避免锑的偏析。又如专利[申请号：201410777815.0]提出了一种用于ZL116 铝合金砂型铸造锑变质处理方法，即采用铝-锑合金作为变质剂，解决ZL116合金采用钠盐变质处理后针孔严重的问题，得到的球状共晶硅的铸件变质组织，该专利没有对关键的变质剂进行陈述和权利要求。此外，提高锑含量，将显著提高中间合金的熔点，使得常规凝固的铝-锑中间合金的初生锑化铝的晶粒粗大，熔体处理流程长，难以避免金属锑偏析，从而影响硅的细化。

发明内容

本发明为了解决锑和含锑中间合金易偏析、熔化速度慢的技术问题，提供了一种铝-锑中间合金及其制备方法，所述铝-锑中间合金的组分及质量百分比为铝89.0-97.0%，锑3.0-11.0%，所述锑是以亚微米尺度的锑化铝相的状态弥散分布于所述中间合金中。

为了保证中间合金具有晶粒尺度小、有效形核粒子弥散度高的优势，所述铝-锑中间合金中亚微米尺度的锑化铝相的长度不大于50μm，截面直径为0.2-30μm。

本发明还提供了铝-锑中间合金的制备方法，步骤为：（1）按质量百分比准备铝、锑原料；（2）将铝熔化，然后加入锑，完全熔化后搅拌均匀，并保温5-30min；（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注成型，得到铝-锑中间合金。

为了控制初生铝与AlSb相的晶粒尺寸，所述步骤2）中将铝熔化至850℃-1050℃。

为了进一步控制初生铝与AlSb相的晶粒尺寸，所述步骤3）中浇注成型采用铜模快冷或连铸连轧工艺。

本发明还提供了铝-锑中间合金的应用，是应用在铝硅合金铸造生产中；步骤为：（1）将铝硅合金熔化，向其中加入铝-锑中间合金； （2）在液相线温度之上保温5-60min，使合金熔体均匀；（3）除气除渣后进行浇注成型，得到共晶硅细化的铸件。

进一步的，所述铝-锑中间合金的加入量是铝硅合金质量的1.50-5.00%。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种铝-锑中间合金，在增大中间合金中锑含量以降低成本的同时，利用快速凝固避免锑的偏析，降低锑化铝尺寸，亚微米尺度的锑化铝相的弥散度高、偏析程度低，扩散速度快，对共晶硅与初生硅的细化变质效果良好，可以解决铝-硅系合金的硅粗大、吸气倾向高等技术问题。

附图说明

图1 实施例1中利用Al-9Sb中间合金细化Al-15Si合金的共晶硅的形貌图；

图2 实施例2中Al-3Sb中间合金组织的形貌图；

图3 实施例2中利用Al-3Sb中间合金细化Al-9Si合金的共晶硅的形貌图；

图4 实施例3中Al-5Sb中间合金组织的形貌图；

图5实施例3中利用Al-5Sb中间合金细化Al-9Si合金的共晶硅的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。本发明所提到的比例、“份”，如果没有特别的标记，均以重量为准。

本实施例提供了一种铝-锑中间合金，其组分及质量百分比为铝89.0-97.0%，锑3.0-11.0%，所述锑是以亚微米尺度的锑化铝相（AlSb）的状态弥散分布于所述中间合金中，所述亚微米尺度的锑化铝相的长度不大于50μm，截面直径为0.2-30μm。

本实施例的铝-锑中间合金晶粒细小，亚微米尺度的锑化铝相的弥散度高、偏析程度低，扩散速度快，能够均匀分布于在铝硅铸造合金熔体中形成大量的AlSb团簇作为硅的形核基底，促进硅的形核与细化，适合用于细化变质铝-硅系合金，以解决铝-硅系合金的硅粗大、吸气倾向高等技术问题。

所述铝-锑中间合金的制备方法是利用提高冷却速度的工艺，快速凝固，降低AlSb团簇与初生铝的晶粒尺寸，能够克服由于比重问题而产生的锑和含锑中间合金易偏析、大块锑熔化速度慢的技术缺陷，具体步骤为：

（1）按质量百分比准备原料：工业纯铝89.0-97.0%，工业纯锑3.0-11.0%；

（2）在熔炼炉中将工业纯铝熔化至850℃-1050℃，然后加入工业纯锑，待完全熔化后搅拌均匀，并保温5-30min；

（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注至铜模成锭或连铸连轧成线材，制得铝-锑中间合金锭或线材。制备得到的中间合金中的锑元素以片状、颗粒状、不规则形状的亚微米尺度的锑化铝（AlSb）相的状态存在于合金铝基体中，锑化铝相的长度不大于50μm，截面直径为0.2-30μm。

本实施例通过控制纯铝和纯锑的熔化温度，以及采用铜模快冷或连铸连轧的工艺用来提高冷却速度，有效控制了初生铝与AlSb相的晶粒尺寸，从而克服锑和含锑中间合金易偏析、大块锑熔化速度慢的技术缺陷。

将本实施例中铝-锑中间合金用于铝硅合金铸造生产中，具体步骤为：

（1）利用中频炉或坩埚炉将铝硅合金熔化，向其中加入铝锑中间合金；所述铝锑中间合金的加入量是基础铝硅合金质量的1.50-5.00%；

（2）在液相线温度之上保温5-60min，使合金熔体均匀；

（3）除气除渣后进行砂型或者金属型的浇注，得到共晶硅细化的铸件。

与常规的铝-锑中间合金相比，本实施例的中间合金的锑化铝相晶粒细小；当中间合金加入铝硅合金熔体中后，中间合金中预先存在的锑化铝相的熔化速度快，快速扩散并在铝硅合金熔体中原位生成细小的有效的形核位，为硅的形核提供异质形核核心，从而达到良好的细化变质效果。由于本实施例的中间合金具有晶粒尺度小、有效形核粒子弥散度高、变质效果稳定长效、吸气倾向低等优点，可降低共晶硅的板片厚度与长度，是一种高效环保型中间合金。

实施例 1

按如下步骤制备铝-锑中间合金：

（1）按质量百分比：工业纯铝91.0%，工业纯锑9.0%，准备原料；

（2）在熔炼炉中将工业纯铝熔化至1050℃，然后加入工业纯锑，待完全熔化后搅拌均匀，并保温30min；

（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注至铜模成锭或连铸连轧成线材，制备铝-锑中间合金锭或线材。

按照上述配比和工艺得到的铝-锑中间合金，其化学成分的质量百分比为：锑8.8-9.1%，其余为铝，记为Al-9Sb中间合金。

按照如下步骤将上述Al-9Sb中间合金应用于Al-15Si合金的细化：

（1）利用中频炉或坩埚炉将Al-15Si合金熔化，所述铝锑中间合金的加入量是基础铝硅合金质量的3.30%；

（2）合金熔炼均匀后，在735℃保温15min；

（3）除气除渣后，进行砂型或者金属型浇注，得到共晶硅细化的凝固组织。如图1所示为本实施例中利用Al-9Sb中间合金细化Al-15Si合金的形貌图，可以看出共晶硅板片厚度为2-3μm。

实施例 2

按如下步骤制备铝-锑中间合金：

（1）按质量百分比：工业纯铝97.0%，工业纯锑3.0%，准备原料：

（2）在熔炼炉中将工业纯铝熔化至850℃，然后加入工业纯锑，待完全熔化后搅拌均匀，并保温5min；

（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注至铜模成锭或连铸连轧成线材，制备铝-锑中间合金锭或线材。

按照上述配比和工艺得到一种铝-锑中间合金，其化学成分的质量百分比为：锑2.9-3.1%，其余为铝，记为Al-3Sb中间合金，如图2所示，可以看出锑化铝相的直径小于15μm。

将上述Al-3Sb中间合金应用于Al-9Si合金的细化：

（1）利用中频炉或坩埚炉将Al-9Si合金熔化，并向基础合金中添加5%的Al-3Sb中间合金的Sb元素；

（2）合金熔炼均匀后，在630℃保温15min；

（3）除气除渣后，进行砂型或者金属型浇注，得到共晶硅细化的凝固组织。如图3所示为本实施例中利用Al-3Sb中间合金细化Al-9Si合金的共晶硅的形貌图，可以看出大部分的共晶硅厚度为3μm左右。

实施例 3

按如下步骤制备铝-锑中间合金：

（1）按质量百分比：工业纯铝95.0%，工业纯锑5.0%，准备原料：

（2）在熔炼炉中将工业纯铝熔化至850℃，然后加入工业纯锑，待完全熔化后搅拌均匀，并保温10min；

（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注至铜模成锭或连铸连轧成线材，制备铝-锑中间合金锭或线材。

按照上述配比和工艺得到一种铝-锑中间合金，其化学成分的质量百分比为：锑4.9-5.1%，其余为铝，记为Al-5Sb中间合金，如图4所示，可以看出初生锑化铝相的直径小于30μm。

将上述Al-5Sb中间合金应用于Al-9Si合金的细化：

（1）利用中频炉或坩埚炉将Al-9Si合金熔化，并向基础合金中添加4.00% Sb元素；

（2）合金熔炼均匀后，在650℃保温15min；

（3）除气除渣后，进行砂型或者金属型浇注，得到的共晶硅细化的凝固组织。如图5所示为本实施例中利用Al-5Sb中间合金细化Al-9Si合金的共晶硅的形貌图，可以看出共晶硅的长度小于30μm。

以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种铝-锑中间合金，其特征在于，其组分及质量百分比为铝89.0-97.0%，锑3.0-11.0%，所述锑是以亚微米尺度的锑化铝相的状态弥散分布于所述中间合金中。

2. 如权利要求1所述的铝-锑中间合金，其特征在于，所述铝-锑中间合金中亚微米尺度的锑化铝相的长度不大于50μm，截面直径为0.2-30μm。

3. 如权利要求1所述的铝-锑中间合金的制备方法，其特征在于，步骤为：

（1）按质量百分比准备铝、锑原料；

（2）将铝熔化，然后加入锑，完全熔化后搅拌均匀，并保温5-30min；

（3）将熔化均匀的铝-锑合金浇注成型，得到铝-锑中间合金。

4. 如权利要求3所述的铝-锑中间合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中将铝熔化至850℃-1050℃。

5.如权利要求3所述的铝-锑中间合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中浇注成型采用铜模快冷或连铸连轧工艺。

6. 如权利要求1或2所述的铝-锑中间合金的应用，其特征在于，应用在铝硅合金铸造生产中。

7. 如权利要求6所述的铝-锑中间合金的应用，其特征在于，步骤为：

（1）将铝硅合金熔化，向其中加入铝-锑中间合金；

（2）在液相线温度之上保温5-60min，使合金熔体均匀；

（3）除气除渣后进行浇注成型，得到共晶硅细化的铸件。

8. 如权利要求7所述的铝-锑中间合金的应用，其特征在于，所述铝-锑中间合金的加入量是铝硅合金质量的1.50-5.00%。