CN107190183A - 一种过共晶铝硅合金变质剂及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种过共晶铝硅合金变质剂及应用。本发明所述变质剂含Be元素。其较佳应用工艺为：将过共晶铝硅合金熔体过热至750～850℃，然后将Be变质剂压入过热合金熔体中，充分搅拌，保温30～60min，再精炼除气，静置保温10～15min后浇注成铸件或铸锭，浇注温度为740～800℃，冷却速度为50～100℃/s。该变质剂使硅含量为15～25％的过共晶铝硅合金中初晶硅平均尺寸细化至30μm以下，且分布均匀，综合力学性能显著提高，有效促进过共晶铝硅合金的应用。

Description

一种过共晶铝硅合金变质剂及应用
技术领域
本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种过共晶铝硅合金变质剂及应用。
背景技术
过共晶铝硅合金因其良好的耐磨性、耐腐蚀性、低膨胀系数及优良的力学性能和铸造性，是制造摩托车、汽车发动机活塞等耐磨耐热部件的理想材料。但是未经过变质处理的过共晶铝硅合金组织中常含有粗大板片状初晶硅，将严重割裂基体，显著降低合金的强度和韧性，尤其是合金的塑性很差，延伸率一般在1％以下，很难满足生产和使用的要求。因此，在熔炼过程中必须采取有效的变质剂和处理工艺，使过共晶铝硅合金中的粗大初晶硅细化到一定程度。
在工业生产中，一般采用P变质处理细化初晶硅，主要以磷盐、赤磷或Cu-P、Al-P中间合金等形式加入，其变质机制为：P元素与Al形成AlP化合物，其晶体结构和晶格常数与硅晶体相近，可起到异质形核的作用，从而达到细化初晶硅的效果。但是，此类变质剂存在许多问题，例如磷盐、赤磷在加入时会产生P2O5有毒气体，危害工人健康，造成环境污染；最重要的是，加入P易造成铝熔体吸气，使铸件或铸锭内部产生气孔、疏松等缺陷。相关研究表明，稀土(RE)元素也能细化初晶硅，但高纯度稀土价格较昂贵，成本较高。Sr、Na、S等元素对铝硅合金中初晶硅均有一定的细化作用，但Sr主要对共晶硅进行细化，对初晶硅的影响十分有限，Na易产生飞溅，S会产生有毒气体SO2，在工业生产中均受到限制。
过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨耐热材料，广泛应用于制造发动机活塞、活塞连杆、旋片式空压机转子滑片等领域，但其组织中常含有粗大的板块状初晶硅，尺寸在100μm以上。正是由于这些粗大初晶硅的存在，将严重割裂基体，明显降低合金的力学性能，使合金的强度和韧性下降。
上述变质剂，在处理共晶铝硅合金时，很难将初晶硅细化到理想程度。到目前为止，采用Be对过共晶铝硅合金进行变质处理尚无报道。
发明内容
为解决过共晶铝硅合金中初晶硅粗大的问题，本发明提供一种用于过共晶铝硅合金的新型变质剂及应用方法。
本发明一种过共晶铝硅合金变质剂；所述变质剂含Be元素。
本发明一种过共晶铝硅合金变质剂；所述含Be变质剂由Cu和Be组成，其中Be的质量百分数为1～5％、优选为1.5～3.5％、进一步优选为2％。
本发明一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；其应用包括将所述变质剂用于处理过共晶铝硅合金。
本发明一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；所述过共晶铝硅合金中Si含量为15～25wt％。
本发明一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；包含下述步骤：
步骤一
将过共晶铝硅合金熔化，并使熔体过热至750～850℃；
步骤二
将变质剂压入步骤一所得过热熔体中，加入量为熔体重量的0.5～4.0％，搅拌，保温30～60min，然后加入精炼剂进行除气精炼，再保温10～15min；
步骤三
将经过步骤二处理的过共晶铝硅合金熔体浇注成零件或铸锭，浇注温度为740～800℃，冷却速度为50～100℃/s。
作为进一步的优选方案，步骤二所述Be变质剂加入量为熔体重量的2.0～3.5％、更进一步优选为2.5～3.0％。
过共晶铝硅合金熔化采用常规工艺熔化。
步骤二中，所用精炼剂为常规精炼剂。
本发明所设计的一种过共晶铝硅合金变质剂，按适当的量使用于过共晶铝硅合金中后，所得产品中初晶硅细化至30μm及以下。甚至可以达到27.3μm及以下。
原理和优势
本发明采用在过共晶铝硅合金中加入适量Be元素的方法对熔体进行变质处理。凝固过程中Be原子在初晶硅生长时吸附在某些生长面上，钝化了这些生长面的生长源，使其很难再接纳硅原子，因此初晶硅难以长大。Be原子还会在硅晶体表面诱发出高密度的孪晶，而由孪晶凹谷取代原来生长面来接纳硅原子，成为硅晶体新的生长源。通过这两方面的共同作用，使得初晶硅的生长受到抑制，从而减小了初晶硅的尺寸，明显细化初晶硅，改善合金的强度和韧性。此外，在熔炼时Be变质剂还可减少气体，提高熔体纯净度。
本发明与现有过共晶铝硅合金变质剂相比具有下列优点和效果：
(1)细化效果明显：本发明变质剂可高效快捷的将过共晶铝硅合金组织中粗大板块状初晶硅细化至30μm以下，且分布均匀。
(2)铸件组织致密：采用本发明的含Be变质剂，克服了P变质剂易使铝熔体吸气的问题，不仅可细化初晶硅，而且可除气，净化熔体，从而获得组织致密的铸锭或铸件。
(3)变质工艺简单：过共晶铝硅合金中一般都含有质量分数达2～6％的Cu元素。本发明在过共晶铝硅合金熔体中加入Cu-Be中间合金进行变质处理，同时将Cu、Be加入了铝熔体，工艺操作方便，成分均匀稳定。克服了添加稀土容易烧损的问题，有效提高了Be的利用率。
(4)综合力学性能好：本发明通过添加适量的Be变质剂，使初晶硅得到有效细化，综合力学性能明显提高，尤其伸长率可提高到3％以上。
附图说明
结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1是经2.5wt.％Cu-2Be变质处理后过共晶铝硅合金铸态组织照片；
图2是经3.0wt.％Cu-2Be变质处理后过共晶铝硅合金铸态组织照片；
图3是经1.0wt.％Cu-2Be变质处理后过共晶铝硅合金铸态组织照片；
图4是未经变质处理的过共晶铝硅合金铸态组织照片。
具体实施方式
以下通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明。需要说明的是，以下实施例和对比例仅用于解释本发明，而不应视为对本发明的权利要求的范围的限制。
实施例与对比例
本发明先将配取好的过共晶铝硅合金原料在电阻炉中依次熔化，然后将熔体过热至750～850℃，再将Cu-2Be中间合金变质剂(含Be为2wt％)压入过热过共晶铝硅合金熔体中，充分搅拌，保温30～60min；然后加入常规精炼剂进行除气精炼，再保温10～15min；最后将过共晶铝硅合金熔体浇注成铸件或铸锭，浇注温度为740～800℃，冷却速度为50～100℃/s。对铸态合金取样，使用舜宇MX6RT金相显微镜对各实施例和对比例进行金相组织观察；室温拉伸试验采用美国Instron 3369力学试验机，拉伸速率为2mm/min；硬度测量使用HBE-3000型布氏硬度计。
各实施例和对比例的合金成分及变质剂见表1，初晶硅平均尺寸及力学性能见表2。
表1各实施例和对比例的合金成分及变质剂(wt.％)
表2各实施例和对比例的初晶硅尺寸及力学性能
由表2的数据和附图可知，采用本发明含Be变质剂对一种过共晶铝硅合金进行变质处理的实施例1、2与未进行变质处理的对比例2相比，初晶硅平均尺寸由80μm以上细化至30μm以下，初晶硅由粗大板块状变为细小块状；同时，经变质处理后合金内的气孔、疏松缺陷明显减少。由表2可知，实施例1、2与对比例2相比，经本发明的变质处理后，合金铸态下的抗拉强度和延伸率均明显提高，力学性能得到改善。对比例1的试验结果表明，当含Be变质剂添加量为熔体质量的1.0％，低于本发明规定的范围，虽然对初晶硅有一定细化效果，但不明显，初晶硅平均大小尚有57.9μm；当然，过量变质剂的加入可能会带来更显著的细化效果，但成本太高，不利于生产。
总之，本发明采用适量含Be变质剂对过共晶铝硅合金进行变质处理后，初晶硅得到显著细化，综合力学性能明显提高，为过共晶铝硅合金的应用提供了更广阔的前景。
需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明，本发明的保护范围以权利要求书为准，在上述技术方案的基础上所作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种过共晶铝硅合金变质剂；其特征在于：所述变质剂含Be元素。
2.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金变质剂；其特征在于：所述变质剂由Cu和Be组成，其中Be的质量百分数为1～5％。
3.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金变质剂；其特征在于：所述变质剂中Be的质量百分数为1.5-3.5％。
4.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金变质剂；其特征在于：所述变质剂中Be的质量百分数为2％。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述过共晶铝硅合金变质剂的应用；其特征在于：其应用包括将所述变质剂用于处理过共晶铝硅合金。
6.根据权利要求5所述的一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；其特征在于：所述过共晶铝硅合金中Si含量为15～25wt％。
7.根据权利要求5所述的一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；其特征在于：包含下述步骤：
步骤一
将过共晶铝硅合金熔化，并使熔体过热至750～850℃；
步骤二
将变质剂压入步骤一所得过热熔体中，加入量为熔体重量的0.5～4.0％，搅拌，保温30～60min，然后加入精炼剂进行除气精炼，再保温10～15min；
步骤三
将经过步骤二处理的过共晶铝硅合金熔体浇注成零件或铸锭，浇注温度为740～800℃，冷却速度为50～100℃/s。
8.根据权利要求5所述的一种过共晶铝硅合金变质剂的应用；其特征在于：步骤二所述Be变质剂加入量为熔体重量的2.0～3.5％。
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