CN107326228B - 一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法 - Google Patents

一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合变质的过共晶铝硅合金及其制备方法，按质量百分比计组分：硅17％～23％；稀土0.2％～1.0％；铝钛硼中间合金0.1％～0.8％；余量为铝。将铝、结晶硅混合后，在790℃～820℃温度下加热至全部熔化后保温6～12min，在730℃～750℃温度下保温15～20min，得到熔体；将C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于700℃～710℃浇注成形，制得过共晶铝硅合金；熔化后先后加入稀土和铝钛硼中间合金得到复合变质过共晶铝硅合金。本发明的有益效果是制备方法简单易操作，复合变质效果稳定。

Description

一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法
技术领域
本发明属于过共晶铝硅合金的变质技术领域，涉及一种复合变质的过共晶铝硅合金及其制备方法。
背景技术
亚共晶Al-Si合金和过共晶Al-Si合金都被广泛的应用于汽车发动机、活塞、缸体、缸盖等零部件的生产。相比于亚共晶Al-Si合金，过共晶Al-Si合金因其良好的耐磨、耐蚀性和良好的高温性能被广泛地应用。但不足的是，过共晶Al-Si合金组织中存在粗大不规则的初生Si及针片状的共晶Si，它们割裂了合金基体的连续性，使得合金的力学性能大大降低。因此，变质过共晶铝硅合金中的Si相，获得细小均匀分布的组织，对提高过共晶Al-Si合金的性能和扩大使用范围至关重要。
目前，过共晶铝硅合金的变质方法主要有单一变质和复合变质两种方式。其中，单一变质已得到了许多实验的证实，如P盐可以有效的变质初生Si，而Sr盐及Na盐对共晶Si的变质效果良好。可是，当两种不同变质剂混合使用，进行复合变质时，反而由于变质剂之间的化学反应使过共晶Al-Si合金的变质效果减弱，丧失原有的变质能力，不能起到细化和变质Si相的作用。
Al-5Ti-B作为一种良好的细化剂，已被工业化应用于改善亚共晶Al-Si合金的组织及性能。因此，结合Al-5Ti-1B对共晶Si的良好变质及稀土元素对初生Si的有效细化的作用，将稀土元素和Al-5Ti-1B以不同比例的含量加入到过共晶Al-Si合金中，除Al3Ti及TiB2的细化质点外，还会形成一种稀土化合物，分布在基体中，成为Si相形核的衬底和抑制生长Si相生长的质点，促进形核或阻碍晶体的长大，从而起到有效变质过共晶Al-Si合金的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合变质的过共晶铝硅合金及其制备方法，解决了现有的过共晶铝硅合金的变质方法复杂，效果不稳定，使得合金的力学性能不够理想的问题。
本发明一种复合变质的过共晶铝硅合金包括以下按质量百分比计组分：
硅 17％～23％；
稀土 0.2％～1.0％；
铝钛硼中间合金 0.1％～0.8％；
余量为铝。
进一步，稀土为镱；所述铝钛硼中间合金为Al-5Ti-1B。
进一步，稀土和铝钛硼中间合金的质量比为5:1、5:2、5:3、5:4、5:5。
一种复合变质过共晶铝硅合金的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)将铝、结晶硅混合后，在790℃～820℃温度下加热至全部熔化后保温6～12min，在730℃～750℃温度下保温15～20min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至710℃～720℃时，将C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于700℃～710℃浇注成形，制得过共晶铝硅合金；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在760℃～790℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔10～20min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在750℃～780℃温度下保温2～8min，得到复合变质过共晶铝硅合金。
进一步，步骤(2)中C2Cl6的加入量为熔体质量的0.5％～0.8％。
本发明的有益效果是制备方法简单易操作，复合变质效果稳定。
附图说明
图1为本发明实施例中复合变质过共晶铝硅合金2的初生Si微观形貌图；
图2为本发明实施例中复合变质过共晶铝硅合金3的初生Si微观形貌图；
图3为本发明实施例中复合变质过共晶铝硅合金2的共晶Si微观形貌图；
图4为本发明实施例中复合变质过共晶铝硅合金3的共晶Si微观形貌图；
图5为本发明实施例中复合变质过共晶铝硅合金1～5初生Si平均尺寸及共晶Si圆整度的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在780℃温度下加热至全部熔化后，在730℃温度下保温15min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至710℃时，将0.5wt％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金1；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在760℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔10min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在750℃温度下保温2min，得到复合变质过共晶铝硅合金1。
在步骤(3)中，所述稀土为镱(Yb)，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.1wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土和铝钛硼中间合金的用量根据复合变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质过共晶铝硅合金1，硅元素含量为18％、稀土为0.5％，铝钛硼中间合金为0.1％，余量为铝。
实施例2
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温18min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至720℃时，将0.6wt.％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金2；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔12min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在760℃温度下保温4min，得到复合变质过共晶铝硅合金2。
在步骤(3)中，所述混合稀土为镱(Yb)，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.2wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土和铝钛硼中间合金的用量根据复合变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质过共晶铝硅合金2，硅元素含量为20％、稀土为0.5％，铝钛硼中间合金为0.2％，余量为铝。
实施例3
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在810℃温度下加热至全部熔化后，在750℃温度下保温20min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至720℃时，将0.8wt.％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金3；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在790℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔14min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在770℃温度下保温5min，得到复合变质过共晶铝硅合金3。
在步骤(3)中，所述稀土为镱(Yb)，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.3wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土和铝钛硼中间合金的用量根据复合变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质过共晶铝硅合金3，硅元素含量为22wt％、稀土为0.5％，铝钛硼中间合金为0.3％，余量为铝。
实施例4
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在750℃温度下保温16min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至710℃时，将0.6wt.％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金4；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔16min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在760℃温度下保温7min，得到复合变质过共晶铝硅合金4。
在步骤(3)中，所述稀土为镱(Yb)，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.4wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土和铝钛硼中间合金的用量根据复合变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质过共晶铝硅合金4，硅元素含量为20wt％、稀土为0.5％，铝钛硼中间合金为0.4％，余量为铝。
实施例5
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在820℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温15min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至720℃时，将0.8wt.％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金5；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在790℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔18min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在780℃温度下保温8min，得到复合变质过共晶铝硅合金5。
在步骤(3)中，所述稀土为镱(Yb)，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.5wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土和铝钛硼中间合金的用量根据复合变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质过共晶铝硅合金4，硅元素含量为18wt％、稀土为0.5％，钛硼中间合金为0.5％，余量为铝。
实施例效果：
如图1至图4所示，复合变质过共晶铝硅合金2与复合变质过共晶铝硅合金3的初生Si及共晶Si微观形貌比较试验。本发明采用素有“工业维生素”之称的稀土元素Yb和良好的铝合金晶粒细化剂Al-5Ti-1B复合变质过共晶铝硅合金。由于稀土元素具有极强的电负性，当Al-5Ti-1B中间合金加入到合金熔体中时，除了原有Al3Ti、TiB2细小颗粒的变质作用外，还会形成稀土化合物，成为Si相新的形核衬底，能有有效的变质初生Si和共晶Si。另外，稀土元素在Al基体中的溶解度很小，在凝固过程中易被推到固液界面前沿，产生较大的成分过冷，进一步促进Si相的形核；同时，加入Al-5Ti-1B中间合金后，形成的稀土化合物在Si/Al界面出析出，阻碍了Si原子的扩散，起到了抑制Si相生长的作用。因此，本发明一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法，可以获得组织均匀致密，且颗粒圆整的初生Si相(如图2所示)，以及尖端明显钝化、尺寸显著减小的短杆状共晶Si相(如图4所示)。与传统的铸造过共晶铝硅合金Si相相比，初生Si平均尺寸减小了69.8％，共晶Si圆整度提高了81.6％，具体变化曲线如图5所示。
因此，本发明一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法，可以制备得到Si相组织细小，且均匀分布的过共晶Al-Si合金，增加了合金组织的致密性，减少了尖端应力集中的趋势，对提高过共晶Al-Si合金的力学性能发挥了良好的作用，因而进一步扩大了过共晶Al-Si合金的应用潜能。
本发明还具有以下优点：
(1)本发明复合变质过共晶铝硅合金Si相组织更加均匀细小，与传统铸造过共晶铝硅合金相比，初生Si平均尺寸及共晶Si圆整度分别减小和提高了69.8％、81.6％；
(2)本发明制备方法简单易操作，复合变质效果稳定。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种复合变质过共晶铝硅合金，其特征在于：
(1)将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在780℃温度下加热至全部熔化后，在730℃温度下保温15min，得到熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至710℃时，将0.5wt％C2Cl6用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金；
(3)将步骤(2)中的过共晶铝硅合金在760℃温度下熔化，先后加入稀土和铝钛硼中间合金，每隔10min搅拌一次，至稀土和铝钛硼中间合金全部熔化后，在750℃温度下保温2min，得到复合变质过共晶铝硅合金；所述稀土为镱Yb，稀土含量为0.5wt.％，铝钛硼中间合金含量为0.1wt.％；
复合变质过共晶铝硅合金，硅元素含量为18％、稀土为0.5％，铝钛硼中间合金为0.1％，余量为铝。
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