CN108754195B - 一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂，属于合金中富铁相变质技术领域，所述变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，一方面，二元Al₇₈Mn₂₂准晶相比较普通Al‑Mn合金，亚稳态的二元准晶相更容易溶解到熔体中，有利于Mn原子在过共晶高铁铝硅合金中的扩散，从而有利于促进针片状β‑Fe相转变成不利影响较小的α‑Fe相，消除不利β‑Fe相的影响，提高过共晶高铁铝硅合金的抗拉强度和延伸率，另一方面，高熔点的三元准晶相Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈可以细化过共晶高铁铝硅中初晶Si相尺寸。

Description

一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂及其制 备方法

技术领域

本发明属于合金中富铁相变质技术领域，具体涉及一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂及其制备方法。

背景技术

Al-Si合金具有密度低、热膨胀系数低、耐磨性好、浇注性能高、可加工性强等优点，因而被大量使用在机器制造等领域，尤其在汽车发动机活塞领域应用最为广泛。但由于共晶成分Al-Si合金制成的机器已经难以满足现在机器不断发展的高要求(高强度、轻质等性能)。因此强度较高、减重效果较好的含Si量在16～26wt％的过共晶Al-Si合金越来越受到人们的重视。但在未经处理的过共晶Al-Si合金中常常含有针状β相元素Fe，众所周知，β-Fe相会对基体产生分裂效应，易出现应力集中，这会恶化合金的力学性能特别是延伸率。

目前消除富Fe相不利影响主要通过除铁和改善富Fe相的形貌来实现。其中改善富Fe相的形貌具有工艺简单、容易操作、成本较低的优点，因而应用背景广泛。目前，常用的改善富Fe相形貌的方法主要有添加中和或者变质元素法、熔体过热法和提高冷速法这三种方法。其中，通过添加中和或者变质元素法成本最低，且最易实现工业化放大生产，因此成为目前人们研发的热点。中和元素或者变质元素主要包括Mn、Sr、稀土元素、Co和Cr等，其中加入中和元素Mn最为简单有效，其能够促进针片状β-Fe相转变成不利影响较小的块状、骨骼状α-Fe相，而合金组织中的α-Fe相以细小的汉字状或骨骼状形式弥散分布，这种晶相能明显减轻Fe相的有害作用。但是常规的含Mn中间合金的加入通常要超过Fe含量的1倍，同时会产生较为粗大的初生富铁相，影响合金性能。

为此，中国专利文献CN107400806A公开了一种用于再生铝富铁相变质的中间合金及其制备方法，此中间合金的成分为AlMn₁₀Wx(x＝1-5)，其制备方法是将WO₃、由CaFZ、NaCl、KCl、Na₃AlF₆组成的熔剂和铝锰中间合金混合形成混合粉末，并在真空或惰性气体保护下将上述混合粉末进行球磨后预热，而后将预热后的混合粉末用铝箔包住压入到熔化的铝锰中间合金，采用声磁藕合处理5-20min，处理后静置5-15min扒渣出炉浇铸，利用本方案制备铝锰钨中间合金收得率高。但是其制备过程需要严格控制球磨气氛，操作条件苛刻，这不利于工业化放大生产，较难推广。

再如，中国专利文献CN104278166A公开了一种降低铝硅合金中铁相有害影响的方法，该方法具体为将一部分含铁的过共晶Al-Si合金加热至过热状态，保温10min-30min后加入至经预热剩余含铁的过共晶Al-Si合金中，搅拌激冷、精炼、静置后浇注。铝硅合金经上述方法处理后可将部分β-Fe相转变成不利影响较小的块状、骨骼状α-Fe相，因而处理后得到的铝硅合金的拉伸强度和延伸率均有一定程度的提高。但是上述方法无法达到彻底消除针状β-Fe相的目的，性能改善较为有限。

因此，如何对现有的铝硅合金中富铁相变质方法进行改进以克服上述不足，这对于本领域技术人员而言是一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有的铝硅合金中富铁相变质方法存在操作条件苛刻、无法彻底消除针状β-Fe相的缺陷，进而提供一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂及其制备方法，并进一步提供了过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法以及由该方法制备得到的过共晶高铁铝硅合金的用途。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂，所述变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成。

所述变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：(0.16-0.37)。

一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法，所述变质剂的制备方法包括，

(1)将金属Al、Mn与Ti按质量比(72-74％)：(22.5-23％)：(3.5-5％)混合，而后在1.5kw的初始熔炼频率下以每2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温并形成金属液；

(2)用六氯乙烷精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注、冷却，得到的铸件即为所述变质剂；

其中，步骤(2)中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为(0.2-0.4％)：1。

步骤(1)中，所述熔炼在高频感应炉中完成；所述保温时间为8-12min；

步骤(2)中，浇注到预热至250-300℃的模具中，常温冷却。

上述用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂或上述用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法，所述过共晶高铁铝硅合金中硅含量为16-26wt％。

一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法，所述方法包括：

(1)将所述过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至930℃-960℃，搅拌，而后加入所述权利要求1或2所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂或权利要求3或4所述制备方法制备得到的变质剂，保温，得到混合金属液；

(2)向所述混合金属液中加入六氯乙烷进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。

步骤(1)中，所述保温时间为12-18min；

步骤(2)中，所述六氯乙烷与所述混合金属液的质量比为(0.2-0.4％)：1。

上述过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法所制备得到的变质后的过共晶高铁铝硅合金在制备汽车发动机活塞中的用途。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、本发明所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，一方面，二元准晶相Al₇₈Mn₂₂，相比较普通Al-Mn合金，亚稳态的二元准晶相更容易溶解到熔体中，有利于Mn原子在过共晶高铁铝硅合金中的扩散，这不仅可以减少锰元素的加入量，而且有利于Mn原子在过共晶高铁铝硅合金中的扩散，从而有利于促进针片状β-Fe相转变成不利影响较小的块状、骨骼状α-Fe相，消除不利β-Fe相的影响，提高过共晶高铁铝硅合金的抗拉强度和延伸率，另一方面，高熔点的三元准晶相Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈可以细化过共晶高铁铝硅合金中初晶Si相尺寸。更重要的是，由本发明的变质剂处理后的过共晶高铁铝硅合金实现了β-Fe相向α-Fe相的彻底转变，保证了处理后得到的过共晶高铁铝硅合金的力学性能。

2.本发明提供的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法包括，首先将金属Al、Mn与Ti混合，而后在1.5kw的初始熔炼频率下以每2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温并形成金属液；随后用六氯乙烷精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注、冷却，得到的铸件即为所述变质剂。本发明的制备方法避免了真空操作等苛刻气氛操作条件，所用的操作条件简单温和，可用于工业化放大生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1制得的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的XRD图；

图2是本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金的SEM图；

图3是本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金的未变质富铁相形貌组织示意图；

图4是本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金的未变质富铁相XRD图；

图5是本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金的变质后的富铁相形貌组织示意图；

图6是本发明实施例1制得的变质后的过共晶高铁铝硅合金的富铁相的XRD图。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法包括如下步骤：

(1)启动高频感应炉，初始频率设定在1.5kw，夹入石墨坩埚预热3min，然后将金属Al、Mn与Ti按质量比73％：22.8％：4.2％进行混合并迅速加入坩埚中。然后每隔2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温10min，此时坩埚中的金属完全融化并形成金属液；

(2)用六氯乙烷粉末精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注到预热至250℃的铜模具中，常温冷却，得到的铸件即为所述变质剂，开模倒出铸件。其中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为0.3％：1。

本实施例制得的变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，且变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：0.24。其中，变质剂的XRD如图1所示。

本实施例还提供了一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法包括如下步骤：

(1)本发明提供的过共晶高铁铝硅合金具体为81wt％Al-17wt％Si-2wt％Fe基体合金，该合金的由来如下：其是用83wt％Al-17wt％Si合金与90wt％Al-10wt％Fe合金配置得到，具体的配置方法如下：将由水玻璃与氧化锌质量比为3:1组成的涂料均匀喷刷模具并将模具预热至350℃待用，夹入83wt％Al-17wt％Si合金然后升温至720℃至其熔化，然后充分搅拌并加入90wt％Al-10wt％Fe合金，继续加热至810℃，使得金属完全融化，即得所述过共晶高铁铝硅合金81wt％Al-17wt％Si-2wt％Fe。

其中，所制得的过共晶高铁铝硅合金81wt％Al-17wt％Si-2wt％Fe的SEM如图2所示，该过共晶高铁铝硅合金81wt％Al-17wt％Si-2wt％Fe的未变质富铁相形貌组织示意图如图3所示，图4为变质前的过共晶高铁铝硅合金的富铁相的XRD图。

将上述过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至950℃，搅拌，而后加入本实施例制得的变质剂，保温15min，得到混合金属液；

(2)向上述混合金属液中加入六氯乙烷粉末进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。其中，上述六氯乙烷与上述混合金属液的质量比为0.3％：1。图5为变质后的过共晶高铁铝硅合金的富铁相形貌组织示意图，图6为变质后的过共晶高铁铝硅合金的富铁相的XRD图。

可选择地，将本实施例中的混合金属液中加入六氯乙烷粉末进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注至汽车发动机活塞铜模具中、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金汽车发动机活塞。

实施例2

本实施例提供的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法包括如下步骤：

(1)启动高频感应炉，初始频率设定在1.5kw，夹入石墨坩埚预热3min，然后将金属Al、Mn与Ti按质量比72％：23％：3.5％进行混合并迅速加入坩埚中。然后每隔2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温12min，此时坩埚中的金属完全融化并形成金属液；

(2)用六氯乙烷粉末精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注到预热至300℃的铜模具中，常温冷却，得到的铸件即为所述变质剂，开模倒出铸件。其中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为0.4％：1。

本实施例制得的变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，且变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：0.37。

本实施例还提供了一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法包括如下步骤：

(1)将本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至930℃，搅拌，而后加入本实施例制得的变质剂，保温18min，得到混合金属液；

(2)向上述混合金属液中加入六氯乙烷粉末进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。其中，上述六氯乙烷与上述混合金属液的质量比为0.2％：1。

实施例3

本实施例提供的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法包括如下步骤：

(1)启动高频感应炉，初始频率设定在1.5kw，夹入石墨坩埚预热3min，然后将金属Al、Mn与Ti按质量比74％：22.5％：5％进行混合并迅速加入坩埚中。然后每隔2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温8min，此时坩埚中的金属完全融化并形成金属液；

(2)用六氯乙烷粉末精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注到预热至280℃的铜模具中，常温冷却，得到的铸件即为所述变质剂，开模倒出铸件。其中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为0.2％：1。

本实施例制得的变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，且变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：0.16。

本实施例还提供了一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法包括如下步骤：

(1)将本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至960℃，搅拌，而后加入本实施例制得的变质剂，保温12min，得到混合金属液；

(2)向上述混合金属液中加入六氯乙烷粉末进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。其中，上述六氯乙烷与上述混合金属液的质量比为0.4％：1。

实施例4

本实施例提供的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法包括如下步骤：

(1)启动高频感应炉，初始频率设定在1.5kw，夹入石墨坩埚预热3min，然后将金属Al、Mn与Ti按质量比74％：23％：5％进行混合并迅速加入坩埚中。然后每隔2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温11min，此时坩埚中的金属完全融化并形成金属液；

(2)用六氯乙烷粉末精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注到预热至285℃的铜模具中，常温冷却，得到的铸件即为所述变质剂，开模倒出铸件。其中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为0.25％：1。

本实施例制得的变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成，且变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：0.31。

本实施例还提供了一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法包括如下步骤：

(1)将本发明实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至940℃，搅拌，而后加入本实施例制得的变质剂，保温14min，得到混合金属液；

(2)向上述混合金属液中加入六氯乙烷粉末进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。其中，上述六氯乙烷与上述混合金属液的质量比为0.35％：1。

实验例1

实施例1制得的过共晶高铁铝硅合金经本发明变质剂变质前后的抗拉强度及延伸率对比

实施例1	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)
			变质前	105	1.7
变之后	130	3.73

可见，经本发明制得的变质剂处理后的过共晶高铁铝硅合金中的β-Fe相已经完全转变为不利影响较小的块状、骨骼状α-Fe相，因而处理后得到的过共晶高铁铝硅合金的抗拉强度和延伸率均有很大程度的提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂，其特征在于，所述变质剂由二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈组成；

所述变质剂中二元准晶Al₇₈Mn₂₂和三元准晶Al₇₂Mn₁₀Ti₁₈的质量比为1：(0.16-0.37)。

2.一种用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法，其特征在于，所述变质剂的制备方法包括，

(1)将金属Al、Mn与Ti按质量比(72-74％)：(22.5-23％)：(3.5-5％)混合，而后在1.5kw的初始熔炼频率下以每2min将频率增加1kw直至频率为5.5kw的升温速率进行熔炼，保温并形成金属液；

(2)用六氯乙烷精炼所述金属液，而后保温、搅拌、去渣、浇注、冷却，得到的铸件即为所述变质剂；

其中，步骤(2)中，所述六氯乙烷与所述金属Al、Mn、Ti的总质量的质量比为(0.2-0.4％)：1。

3.根据权利要求2所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熔炼在高频感应炉中完成；所述保温时间为8-12min。

4.根据权利要求2或3所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，浇注到预热至250-300℃的模具中，常温冷却。

5.根据权利要求1所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂或根据权利要求2-4中任一项所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂的制备方法制备的变质剂，其特征在于，所述过共晶高铁铝硅合金中硅含量为16-26wt％。

6.一种过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法，所述方法包括：

(1)将所述过共晶高铁铝硅合金融化，并过热至930℃-960℃，搅拌，而后加入所述权利要求1或2所述的用于过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的变质剂或权利要求3或4所述制备方法制备得到的变质剂，保温，得到混合金属液；

(2)向所述混合金属液中加入六氯乙烷进行精炼，而后搅拌、去渣、浇注、冷却，即得到变质后的过共晶高铁铝硅合金。

7.根据权利要求6所述的过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述保温时间为12-18min。

8.根据权利要求6或7所述的过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述六氯乙烷与所述混合金属液的质量比为(0.2-0.4％)：1。

9.根据权利要求6-8任一项所述的过共晶高铁铝硅合金中富铁相变质的方法所制备得到的变质后的过共晶高铁铝硅合金在制备汽车发动机活塞中的用途。

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