CN106381426B - 基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法 - Google Patents

基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，采用步骤包括原料准备、填料熔化、精炼浇注制得中间合金、按特定质量分数加入变质剂稀土铈，每隔5min搅拌一次，至加入变质剂稀土铈的中间合金全部熔化后于760℃~780℃保温20min；对加入变质剂稀土铈的中间合金全部熔化后的熔体重复精炼浇注操作，浇注得到稀土铝硅合金。本发明基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，采用Cu和Bi这样的合金化元素，让其固溶到铝硅合金熔体中，在金属模具铸造凝固过程中，形成硬质点的第二相，分布在合金基体上，起到第二相强化的作用，从而保障了合金材料的耐磨性。

Description

基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法
技术领域
本发明属于减摩耐磨过共晶铝硅合金制备技术领域，涉及一种在稀土铈变质下的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金的制备方法。
背景技术
研究表明，汽车燃料的60%消耗于自重，如果汽车的重量减轻10%，可以使汽车的燃油消耗减少6%~8%，同时使燃油效率提高5.5%左右，并且每消耗1L燃料，可以减少2.5千克CO2排放量。而作为传统铸铁理想替代材料的过共晶铝硅合金，因具有良好的铸造性能、低的热膨胀系数以及较好的耐磨耐蚀性被应用于生产汽车发动机活塞、缸体缸盖等零部件，以实现减轻汽车自重和节约能源的目的。工业生产中活塞用铝硅合金应具有减摩耐磨的特性，以提高机件的使用稳定性和使用寿命。但过共晶铝硅合金组织中存在的粗大块状、不规则五瓣星状初生Si及粗大针片状共晶Si，恶化了合金的摩擦磨损环境，不宜于活塞零件的长时间服役。
目前，主要借助合金化及变质的方法，通过改善活塞用过共晶铝硅合金中初生Si与共晶Si的形态、尺寸以及分布状态来减小零部件之间的摩擦。但是随着过共晶铝硅合金中Si相形态的规则化、尺寸的细化、分布的均匀化，虽利于优化合金的摩擦环境，但细小的Si相分布在合金基体上，降低了合金的耐磨性能，仍然不能满足汽车活塞零件在服役时对合金摩擦磨损性能的要求。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金的制备方法。
本发明是这样实现的，一种基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金，其组分按质量百分含量包括工业结晶硅14%~20%、纯铜2%~5%、纯铋1%~4%、变质剂稀土铈0.2%~1%，剩余量为工业纯铝，总量为100%。
本发明另一目的在于提供一种基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，具体的步骤包括：
填料熔化：将工业纯铝和工业结晶硅置于Si-C棒加热炉中加热至780℃~800℃，再加入合金化材料铜和铋，每隔5min进行搅拌，直至其全部熔化后于740℃~760℃保温10min；
精炼浇注：对步骤填料熔化中的熔体进行降温，当熔体的温度降到700℃~750℃时，将C2Cl6用铝箔包覆压入到合金熔体中搅拌精炼、除杂除气，扒渣后于710℃~720℃浇注成形，制得中间合金；
稀土变质：将适量的中间合金加入到炉中于780℃~800℃熔化，按特定质量分数加入稀土铈，每隔5min搅拌一次，至其全部熔化后于760℃~780℃保温20min；
对步骤稀土变质中的熔体重复步骤精炼浇注的操作，浇注得到稀土铝硅合金。
进一步，所述填料熔化前需进行原料准备，具体为：按成分要求准备好所需的工业纯铝、工业结晶硅、纯铜及纯铋。
进一步，所述步骤填料熔化中合金化元素铜和铋的添加质量百分数分别为2%~5%和1%~4%。
进一步，所述步骤稀土变质中变质剂是具有良好变质能力的稀土铈，且其添加量为熔体总质量的0.2%~1.0%。
本发明基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，对合金材料进行干摩擦试验，其摩擦系数随时间的变化在相同的干摩擦时间里，稀土铈含量的不同对合金的摩擦系数有着明显的影响，其平均摩擦系数随稀土铈含量的增加而减小。同时，合金的磨损质量在特定时间里也随稀土含量的增大而减小，表现出耐磨性的增强。
本发明基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，采用活性元素铈变质过共晶铝硅合金，通过稀土原子在Si相结晶界面前沿的富集，增大过冷度，促进形核并抑制Si相的长大。另外，稀土Ce在Al和Si中的固溶度极其有限，在合金凝固过程中被推移到Si生长的界面前沿，诱导Si晶体形成高密度的孪晶凹槽，使Si晶体转变为各向同性生长，因此有效的变质了过共晶铝硅合金中的Si相，使得初生硅尺寸从未变质前的190微米减小到43微米，也能有效变质共晶硅为短杆状和细小棒状，从而改善了合金的摩擦环境。
本发明基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，采用Cu和Bi这样的合金化元素，让其固溶到铝硅合金熔体中，在金属模具铸造凝固过程中，形成硬质点的第二相，分布在合金基体上，起到第二相强化的作用，从而保障了合金材料的耐磨性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例提供的基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金，其组分按质量百分含量包括工业结晶硅14%~20%、纯铜2%~5%、纯铋1%~4%、变质剂稀土铈0.2%~1%，剩余量为工业纯铝，总量为100%。
如图1所示，本发明实施例提供的基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法，具体的步骤包括：
S101：原料准备：按成分要求准备好所需的工业纯铝、工业结晶硅、纯铜及纯铋；
S102：填料熔化：将工业纯铝和工业结晶硅置于Si-C棒加热炉中加热至780℃~800℃，再加入合金化材料铜和铋，每隔5min进行搅拌，直至其全部熔化后于740℃~760℃保温10min；
S103：精炼浇注：对S102的熔体进行降温，当熔体的温度降到700℃~750℃时，将C2Cl6用铝箔包覆压入到合金熔体中搅拌精炼、除杂除气，扒渣后于710℃~720℃浇注成形，制得中间合金；
S104：稀土变质：将适量的中间合金加入到炉中于780℃~800℃熔化，按特定质量分数加入稀土铈，每隔5min搅拌一次，至其全部熔化后于760℃~780℃保温20min；
S105：对S104的熔体重复S103的操作，浇注得到稀土铝硅合金。
所述S102中合金化元素铜和铋的添加质量百分数分别为2%~5%和1%~4%；
所述S104中变质剂是具有良好变质能力的稀土铈，且其添加量为熔体总质量的0.2%~1.0%。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
实施例1
（1）将铝锭和工业结晶硅加入到炉膛温度为780℃~800℃的Si-C棒坩埚炉中，待其全部熔化后，加入纯铜、纯铋，每隔5min进行搅拌，并在740℃~760℃保温10min；（2）当熔体温度降至700℃~750℃时，将铝箔包覆的C2Cl6压入熔体中搅拌精炼、除杂扒渣；（3）待熔体温度降低到710℃~720℃时，将熔体浇入到金属模具中凝固成型，制备得到Al-17Si-3Cu-2Bi中间合金；（4）将由步骤（3）制得的中间合金在780℃~800℃于坩锅炉中熔化，后向合金熔体中添加质量分数为0.2%的稀土铈，每隔5min搅拌一次，并在760℃~780℃保温变质20min；（5）重复步骤（2）和步骤（3）的操作工艺，制备得到基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金。
实施例2
重复实施例1中步骤（1）（2）（3）浇注得到Al-17Si-3Cu-2Bi的中间合金，之后将中间合金在780℃~800℃于坩锅炉中熔化，加入质量分数为0.6%的稀土铈变质，采取与实施例1中步骤（4）相同的变质温度和保温时间，待熔体温度降至710℃~720℃时浇注成形，制备得到基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金。
实施例3
重复实施例1中步骤（1）（2）（3）浇注得到Al-17Si-3Cu-2Bi的中间合金，之后将其在780℃~800℃于Si-C棒加热炉中熔化，向合金熔体中添加质量分数为1%的稀土铈，熔体的变质温度和保温时间与实施例1中步骤（4）相同，随后当熔体温度降道710℃~720℃时浇入到金属模具中凝固成形，制备得到基于稀土铈变质的新型减摩耐磨过共晶铝硅合金。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金，其特征在于，所述基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金的组分按质量百分含量包括工业结晶硅14％～20％、纯铜2％～5％、纯铋1％～4％、变质剂稀土铈0.2％～1％，剩余量为工业纯铝，总量为100％；
该基于稀土铈变质的减摩耐磨过共晶铝硅合金制备方法包括以下步骤：
填料熔化：将工业纯铝和工业结晶硅置于Si-C棒加热炉中加热至780℃～800℃，再加入合金化材料纯铜和纯铋，每隔5min进行搅拌混合，直至混合料全部熔化后于740℃～760℃保温10min；
精炼浇注：对步骤填料熔化中的熔体进行降温，当熔体的温度降到700℃～750℃时，将C2Cl6用铝箔包覆压入到合金熔体中搅拌精炼、除杂除气；扒渣后于710℃～720℃浇注成形，制得中间合金；
稀土变质：将适量的中间合金加入到炉中于780℃～800℃熔化，按特定质量分数加入变质剂稀土铈，每隔5min搅拌一次，至加入变质剂稀土铈的中间合金全部熔化后于760℃～780℃保温20min；
对步骤稀土变质中的熔体重复步骤精炼浇注的操作，浇注得到稀土铝硅合金；
所述填料熔化前需进行原料准备，具体为：按成分要求准备好所需的工业纯铝、工业结晶硅、纯铜和纯铋；
步骤填料熔化中纯铜和纯铋的添加质量百分数分别为2％～5％和1％～4％；
步骤稀土变质中变质剂稀土铈添加量为加入变质剂稀土铈的中间合金熔体总质量的0.2％～1.0％。
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