CN109055789A - 一种共晶铝硅合金的自变质处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及属于有色金属制备领域，尤其涉及一种共晶铝硅合金的自变质处理方法。本发明以经过球化退火处理的共晶铝硅合金作为变质剂，对共晶铝硅合金本身进行自变质处理。本发明采用0.1～1.0wt％球化退火共晶铝硅合金，在630～750℃温度范围内对共晶铝硅合金进行变质处理后，明显改善共晶铝硅合金的显微组织，使共晶铝硅合金的力学性能得到显著提高。

Description

一种共晶铝硅合金的自变质处理方法
技术领域
本发明涉及属于有色金属材料制备加工领域，尤其涉及一种共晶铝硅合金的自变质处理方法。
背景技术
共晶铝硅合金有较好的易于铸造和焊接，重量轻，抗腐蚀能力强等优点被广泛应用于汽车或活塞制备行业。未变质的共晶铝硅合金中，共晶硅以粗大的板条状或针片状的形式存在，对铝基体造成严重的破坏，并且会使受应力集中于组织的尖角或棱角部分，进而容易使合金在沿着晶粒的边界处或板条状硅相处开裂，降低合金的塑性及切削性能。科技工作者和工业上常采用变质处理来改善共晶硅的形态和尺寸，以满足对共晶铝硅合金性能的要求。
在生产中通常将钠盐、锶、磷、稀土元素等作为变质剂加入到铝硅合金中，从而达到细化共晶硅的目的。钠因其变质效果明显而在一段时间内被广泛使用，但变质效果容易衰退，且会降低液态铝硅合金流动性，阻碍了其进一步的应用。铝硅合金加入锶后，锶成膜状吸附在Si晶粒和α晶核表面上，使得加锶后将使α晶核得到优先结晶和长大，限制了硅晶体的长大，细化了共晶硅，但锶变质后铸件不易除氢，容易形成针孔，且磷、硼、锑等会毒化锶的变质效果，有较大的局限性。磷的添加形成了与硅晶格常数相似的AlP化合物，使得初晶硅的异质形核得到增强，从而发挥变质作用细化初晶硅组织。稀土元素RE能在铝硅合金凝固界面上形成成分过冷，使得硅相呈分枝状生长，从而细化了共晶硅。
在前期的研究工作中，发明人对共晶铝硅合金中的共晶硅进行了有效的球化热处理，申请了相关专利。
目前，铝硅合金的变质处理都是采用一些变质剂来细化铝硅合金中的α-Al相或者Si相，从而改善合金的力学性能。本发明则采用经过球化处理的铝硅合金作为自变质剂，与传统的变质处理相比，可使变质温度明显降低、节约能源，且变质剂来源广泛、成本低廉。因此，本发明是一种独特而有效的共晶铝硅合金变质处理方法，具有较大的创新性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：找到一种成本低廉、变质温度较低、操作简便的共晶铝硅合金变质处理方法，本发明提供了一种共晶铝硅合金的自变质处理方法。
本发明所述的“一种共晶铝硅合金的自变质处理方法”，具体操作步骤包括：
(1)采用Al锭和Al-50wt.％Si为原料，采用熔铸方法制备Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金；
(2)将步骤(1)的Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金放入在577℃的退火炉中球化退火2～4小时后，将试样取出进行空冷，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si合金，为自变质剂；
球化退火2～4h小时，可使95％左右的共晶硅由针片状变为细小球粒状形式均匀存在，从而可以作用变质剂。
(3)将步骤(1)的Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在630～750℃以下进行重熔，使用共晶铝硅合金0.1wt.％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣，为拟变质共晶铝硅合金；
(4)采用步骤(2)自变质剂对步骤(3)拟变质共晶铝硅合金进行自变质处理；
(5)将自变质后的共晶铝硅合金熔体浇注到100℃的金属型模具中，制得自变质共晶铝硅合金。
作为优选，步骤3中对共晶铝硅合金的重熔温度为680℃。
球化退火Al-12.6wt.％Si合金自变质剂的加入量为拟变质共晶铝硅合金的0.1～1wt.％，自变质处理温度为630～750℃,变质处理时间为3～5分钟。作为优选，球化退火Al-12.6wt.％Si合金自变质剂的最佳加入量为拟变质共晶铝硅合金的0.4～0.6wt.％，自变质温度为680℃。
本发明取得的有益技术效果在于：当向共晶铝硅合金熔体中加入经过球化的固态共晶铝硅合金时，未溶的α-Al相质点可作为合金凝固时α-Al相的形核核心，未溶的硅相质点可作为合金凝固时硅相的形核核心，属于自身变质处理，可以达到比较好的变质效果。本发明采用自变质处理可有效降低共晶铝硅合金的变质温度，减少铝合金的氧化烧损，节约能源。通过自变质处理向共晶铝硅合金熔体中引入大量细小的α-Al相和硅相质点，起到细化共晶铝硅合金凝固组织中α-Al相和共晶硅的作用，最终提高共晶铝硅合金的力学性能。此外，由于变质剂制备成本低，还可以节约变质处理成本，提高经济效益。
与现有技术相比，本申请将采用经过球化处理的共晶铝硅合金作为变质剂，可以使变质温度降低到630-750℃，其加入量仅为0.1～1.0wt.％，且最佳加入量仅为0.4～0.6wt.％。因此，自变质处理是一种较为经济的改善共晶铝硅合金显微组织和提高其力学性能的新方法，这种变质处理方法与与现有的锶盐变质处理方法相比具有明显的优势：
1、自变质处理可有效降低共晶铝硅合金的变质温度，减少铝合金的氧化烧损，节约能源。
2、向在共晶铝硅合金熔体中加入0.4～0.6wt.％经过球化处理的成本低廉的共晶铝硅合金，就可以改善合金显微组织、提高合金力学性能，得到明显的变质效果，因此具有显著的经济效益。
附图说明
图1是共晶铝硅合金球化退火后的显微组织；
图2是对比实施例制备的未变质共晶铝硅合金的显微组织；
图3是实施例1制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图4是实施例2制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图5是实施例3制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图6是实施例4制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图7是实施例5制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图8是实施例6制备的共晶铝硅合金的显微组织；
图9是实施例7制备的共晶铝硅合金的显微组织；
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1是将共晶铝硅合金球化退火后的显微组织照片，可以看出，经过577℃的3小时退火，共晶硅由针片状变成了非常均匀的颗粒状，作为自变质剂。
对比实施例
采用电炉在坩埚中于850℃下熔炼10kg共晶铝硅合金，浇铸成小锭备用。将150g共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。将熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图2是未变质共晶铝硅合金的显微组织照片，可以看出，共晶铝硅合金显微组织中存在着大量的针片状共晶硅和极少量块状初晶硅，初生α-Al相比较粗大，定量分析表明初生α-Al相的面积分数约占19.4％。拉伸试验结果表明，未变质共晶铝硅合金的抗拉强度为199.5N/mm2，延伸率为6.4％。
实施例1
首先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用共晶铝硅合金0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣(作为拟变质共晶铝硅合金)。采用0.15g球化退火Al-12.6wt.％Si合金)对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.1wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图3是在680℃下采用0.1wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为22.8％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量增加，初生α-Al相和共晶硅均有所细化，组织中仍含有少量初晶硅。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为200.8N/mm2，延伸率为8.1％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度变化不大，但是合金的延伸率提高了26.6％。
实施例2
首先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用共晶铝硅合金0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用0.3g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.2wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图4是在680℃下采用0.2wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为27.9％。与实例1的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量增加，初生α-Al和共晶硅进一步得到细化，组织中仍含有少量初晶硅。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为211.3N/mm2，延伸率为8.5％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度提高5.9％，但是合金的延伸率提高了32.8％。
实施例3
首先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用0.6g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.4wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图5是在680℃下采用0.4wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为30.9％。与实例2的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量有所增加，此外初生α-Al和共晶硅都得到了显著细化，初晶硅完全消失。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为229.9N/mm2，延伸率为8.9％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度提高幅度较大，达到了11.7％，但是合金的延伸率只提高了39.1％。
实施例4
首先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用共晶铝硅合金0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用0.9g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.6wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图6是在680℃下采用0.6wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为23.3％。与实例3的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量减少，初生α-Al和共晶硅均有所粗化，组织中无初晶硅出现。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为212.8N/mm2，延伸率为10.2％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度提高仅为6.7％，但是合金的延伸率提高了59.4％，延伸率提高幅度较大。
实施例5
首先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在680℃下进行重熔，使用0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用1.2g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.8wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图7是在680℃下采用0.2wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为22.4％。与实例4的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量稍有降低，初生α-Al有所粗化，共晶硅相变化不大，组织中无初晶硅。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为210.7N/mm2，延伸率为6.5％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度虽然提高了5.6％，但是合金的延伸率仅仅只提高了1.6％。
实施例6
先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在630℃下进行重熔，使用0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用0.6g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.4wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图8是在630℃下采用0.4wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为23.6％。与实例3的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量有所降低，此外初生α-Al和共晶硅都得到了一定的细化，存在极少量的初晶硅。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为205.2N/mm2，延伸率为6.9％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度提高幅度较小，仅有2.9％，合金的延伸率提高了7.8％。
实施例7
先取150g共晶铝硅合金将其放入管式退火炉中在577℃下进行球化退火处理3h，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si备用，球化处理后合金的显微组织如图1所示。取150gAl-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在730℃下进行重熔，使用0.1wt％的C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣。采用0.6g球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理(加入量为0.4wt.％)，充分搅拌并保温4min。将经过自变质的共晶铝硅合金熔体浇注到预热100℃的模具中，制得直径为10mm长度为100mm的共晶铝硅合金。
图9是在730℃下采用0.4wt.％球化退火Al-12.6wt.％Si合金对共晶铝硅合金进行自变质后的显微组织照片，定量分析表明，变质处理后合金组织中的初生α-Al相面积分数为25.1％。与实例3的变质共晶铝硅合金相比，变质处理后初生α-Al相数量有所增加，此外初生α-Al和共晶硅都得到了一定的细化，存在极少量的初晶硅。拉伸试验结果表明，变质处理后合金的抗拉强度为208.5N/mm2，延伸率为5.5％。与未变质的共晶铝硅合金相比，变质合金的抗拉强度提高幅度较小，为4.5％，合金的延伸率降低了16.4％。
总的来说，在变质温度为680℃下，当加入0.4～0.6wt.％球化处理的共晶铝硅合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理后，与未变质共晶铝硅合金相比，合金的显微组织和力学性能上都得到了显著改善。当自变质剂加入量为0.4wt.％时，共晶铝硅合金的抗拉强度提高最为明显；当自变质剂加入量为0.6wt.％时，共晶铝硅合金的延伸率提高最大，然而在630℃及730℃下加入0.4wt％的自变质剂后，合金的显微组织和力学性能较未变质共晶铝硅合金相比变化较小，反映出温度对于自变质效果的影响较大。本发明在变质温度为680℃下，当加入0.4～0.6wt.％球化处理的共晶铝硅合金对共晶铝硅合金熔体进行自变质处理效果最好。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，所述处理方法的具体操作步骤包括：
(1)采用Al锭和Al-50wt.％Si为原料，采用熔铸方法制备Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金；
(2)将步骤(1)制得的Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金放入在退火炉中球化退火2-4小时后，将试样取出进行空冷，得到共晶硅为粒状的Al-12.6wt.％Si合金；
(3)将步骤(1)制得的Al-12.6wt.％Si共晶铝硅合金在630-750℃以下进行重熔，使用C2Cl6从熔体中除去气体和熔渣；
(4)采用步骤(2)球化退火的Al-12.6wt.％Si合金加入步骤(3)的共晶铝硅合金熔体中进行自变质处理；
(5)将自变质处理后的共晶铝硅合金熔体浇注到100℃的金属型模具中，制得自变质共晶铝硅合金。
2.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(2)所述的退火温度为577℃。
3.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(3)所述的C2Cl6加入量为共晶铝硅合金熔体的0.1wt.％。
4.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(3)所述共晶铝硅合金的重熔温度为680℃。
5.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(4)所述的自变质处理温度为630～750℃，自变质处理时间为3～5分钟。
6.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(4)所述自变质处理温度为680℃。
7.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(4)所述的球化退火Al-12.6wt.％Si合金的加入量为共晶铝硅合金熔体的0.1～1.0wt.％。
8.如权利要求1所述的共晶铝硅合金的自变质处理方法，其特征在于，步骤(4)所述的球化退火Al-12.6wt.％Si合金的加入量为共晶铝硅合金熔体的0.4～0.6wt.％。
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