CN109136676A - 一种铝硅锆合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝硅锆合金。本发明所述铝硅锆合金中的Zr能有效变质Si原子，当Zr原子嵌入Si晶体的晶格点阵时，因其较大的原子体积使得Si晶体发生了晶格畸变，从而改变了Si的生长方式，由各向异性转变为同向生长，从而改变合金中Si相的组织形貌，同时通过控制合金中Zr的含量，得到细化变质的晶相组织；组织细化后，由于晶界数目相应增多，阻碍了位错在Si相边界的塞积，减小局部的应力集中，进而提高所述铝硅锆合金的力学强度。本发明还提供了所述铝硅锆合金的制备方法，所述制备方法简单易操作，重复性好。

Description

一种铝硅锆合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种铝硅锆合金及其制备方法。
背景技术
近年来，随着航空航天和汽车工业高速发展，各种新型高功率的强增压内燃机不断涌现，在内燃机中，活塞、缸套、轴瓦等配件需在高温高压环境下长期工作。在此应用背景下，耐磨性好、热膨胀系数低、可铸造强、比强度好的过共晶Al-Si合金得到了广泛研究。Al-20Si合金为典型的过共晶合金，其铸态组织由粗大块状初生硅相和细长纤维状共晶硅相组成，未经处理的铸态Al-20Si合金脆性大、力学性能较差。为提高Al-20Si合金性能，有多种改善其合金中组织形态的研究被报道，如高压铸造、快速凝固技术、熔体过热处理等；这些加工方法改变其组织形貌，起到一定的强韧化效果，但加工过程复杂，成本较高，工艺参数也难以控制，且一旦操作不当，甚至会降低合金的力学性能。
微合金化法是通过添加适量的微量元素调控组织形态，因其工艺简单、有效和可控，得到了广泛研究。但陈霖等在“Zr对过共晶铝硅合金中初生硅组织的影响”一文中(陈霖,赵玉涛,贾志宏,陈登斌.Zr对过共晶铝硅合金中初生硅组织的影响[J].功能材料,2012,43(17):2360-2362+2368.)在Al-20Si合金中添加Zr后，初生硅颗粒尺寸变大，生成AlSi4Zr5毒化形核核心，并使其晶粒长大，反而使Al-20Si合金力学性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学性能好的铝硅锆合金及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铝硅锆合金，按重量百分比计，包括Zr 0.15％～0.9％，Si17.2％～20％，Al 79.5％～82％以及不可避免的杂质。
本发明还提供了所述铝硅锆合金的制备方法，包括以下步骤：
将Al-20Si合金熔炼，得到铝合金熔液；
将Al-10Zr中间合金加入至所述铝合金熔液中，依次进行合金化反应、精炼除气和浇铸，得到铝硅锆合金。
优选的，所述熔炼的温度为735～745℃；所述熔炼的保温时间为10～15min。
优选的，所述Al-20Si合金和Al-10Zr中间合金的质量比为(10～66)：1。
优选的，所述合金化反应的温度为735～745℃；所述合金化反应的时间为8～12min。
优选的，所述精炼除气的温度为715～725℃；所述精炼除气的时间为10～15min。
优选的，所述精炼除气的精炼剂为C2Cl6，所述C2Cl6与Al-20Si合金的质量比为1：(45～50)。
优选的，所述浇铸的温度为715～725℃。
本发明提供了一种铝硅锆合金，按重量百分比计，包括Zr 0.15％～0.9％，Si17.2％～20％，Al 79.5％～82％以及不可避免的杂质。本发明中，所述铝硅锆合金中的Zr能有效变质Si原子，当Zr原子嵌入Si晶体的晶格点阵时，因其较大的原子体积使得Si晶体发生了晶格畸变，改变了Si的生长方式，由各向异性转变为同向生长，从而改变合金中Si相的组织形貌，同时通过控制合金中Zr的含量，得到细化变质的晶相组织；同时，组织细化后，由于晶界数目相应增多，阻碍了位错在Si相边界的塞积，减小局部的应力集中，进而提高所述铝硅锆合金的力学强度。在铝硅合金中添加0.15-0.9％含量的Zr，其拉伸性能以及延伸率都有所提升，其中Zr含量为0.3％时，性能提升最为显著，抗拉性能提高至132.1MPa,延伸率为1.2％。
本发明还提供了所述铝硅锆合金的制备方法，所述制备方法简单易操作，重复性好。
附图说明
图1为Al-20Si合金的50倍金相图；
图2为实施例2制备得到的铝硅锆合金的50倍金相图；
图3为Al-20Si合金的500倍金相图；
图4为实施例2制备得到的铝硅锆合金的500倍金相图；
图5为Al-20Si合金断口的SEM图；
图6为实施例2制备得到的铝硅锆合金的SEM图；
图7为Al-20Si合金、实施例2和实施例4制备得到的铝硅锆合金的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝硅锆合金，按重量百分比计，包括Zr 0.15％～0.9％，Si17.2％～20％，Al 79.5％～82％以及不可避免的杂质。
按质量百分含量计，本发明所述铝硅锆合金包括0.15％～0.9％的Zr，优选为0.2％～0.8％，更优选为0.3％～0.5％。
在本发明中，所述锆的含量可以得到细化变质的晶相组织，进而提高铝硅锆合金的力学性能。
按质量百分含量计，本发明所述铝硅锆合金包括17.2％～20％的Si，优选为18.5％～19.5％，更优选为18.8％～19.2％。
按质量百分含量计，本发明所述铝硅锆合金包括79.5％～82％的Al，优选为80.5％～81.5％，更优选为80.8％～81.2％。
在本发明中，所述铝硅锆合金还包括不可避免的杂质；本发明对所述杂质没有任何特殊的限定，为本领域技术人员所熟知的铝硅锆合金中的常见杂质。
本发明还提供了所述铝硅锆合金的制备方法，包括以下步骤：
将Al-20Si合金熔炼，得到铝合金熔液；
将Al-10Zr中间合金加入至所述铝合金熔液中，依次进行合金化反应、精炼除气和浇铸，得到铝硅锆合金。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料的来源均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明将Al-20Si合金熔炼，得到铝合金熔液。在本发明中，所述熔炼的温度优选为735～745℃，更优选为738～742℃；所述熔炼的保温时间优选为10～15min，更优选为12～13min。
得到铝合金熔液后，本发明将Al-10Zr中间合金加入至所述铝合金熔液中，依次进行合金化反应、精炼除气和浇铸，得到铝硅锆合金。在本发明中，所述Al-10Zr中间合金在加入至所述铝合金熔液中之前，优选先将Al-10Zr中间合金进行预热，在本发明中，所述预热的温度优选为190～210℃，更优选为195～205℃。在本发明中，所述预热是为了干燥Al-10Zr中间合金，避免后续制备铝硅锆合金过程中水分产生的影响。
在本发明中，所述Al-20Si合金和Al-10Zr中间合金的质量比优选为(10～66)：1，更优选为(20～50)：1，最优选为(30～40)：1。
在本发明中，当所述Al-10Zr中间合金加入至所述铝合金熔液之后，优选进行搅拌；在本发明中，所述搅拌的时间优选为1.5～2.5min，更优选为1.8～2.2min；本发明对所述搅拌的其他条件没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌条件进行即可。在本发明中，所述搅拌可以保证后续的合金化反应更加充分。
在本发明中，所述合金化反应的温度优选为735～745℃，更优选为738～742℃；所述合金化反应的时间优选为8～12min，更优选为9～11min；在本发明中，所述合金化反应优选以上述搅拌完成后记为反应起始时间。
在本发明中，所述精炼除气的过程优选包括：将所述合金化反应后得到的合金熔液降温，然后加入精炼剂C2Cl6进行精炼除气。在本发明中，所述降温的终止温度优选为715～725℃，更优选为718～722℃；加入精炼剂前本发明优选进行静置；在本发明中，所述静置的时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min。在本发明中，所述降温的终止温度即为精炼除气的温度。
在本发明中，所述精炼除气的时间优选为10～15min，更优选为12～13min。在本发明中，所述精炼除气优选在静置的条件下进行。
在本发明中，所述C2Cl6与Al-20Si合金的质量比优选为1：(45～50)，更优选为1：(46～48)。
在本发明中，进行浇铸前优选对精炼除气后的熔体进行扒渣；本发明对所述扒渣没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的扒渣过程进行扒渣即可。
在本发明中，所述浇铸的温度优选为715～725℃，更优选为718～722℃。
在本发明中，所述浇铸优选为将浇铸前的熔体浇铸至模具中；在本发明中，所述模具的温度优选为190～210℃，更优选为195～205℃。
下面结合实施例对本发明提供的一种铝硅锆合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将492.5gAl-20Si合金在740℃条件下保温10min进行熔炼，得到铝合金熔液；
将7.5gAl-10Zr中间合金预热至200℃后，加入至所述铝合金熔液中，搅拌2min后，进行合金化反应10min，将所述合金化反应后得到的熔液降温至720℃，静置3min，加入10gC2Cl6，静置15min进行精炼除气，扒渣，将熔体浇铸至200℃预热的模具中，得到含0.15wt％Zr的铝硅锆合金。
将所述铝硅锆合金的抗拉强度和拉伸率进行测定，所述铝硅锆合金的抗拉强度为119.8MPa，延伸率为0.9％。
实施例2
将485gAl-20Si合金在740℃条件下保温10min进行熔炼，得到铝合金熔液；
将15gAl-10Zr中间合金预热至200℃后，加入至所述铝合金熔液中，搅拌2min后，进行合金化反应10min，将所述合金化反应后得到的熔液降温至720℃，静置3min，加入10gC2Cl6，静置15min进行精炼除气，扒渣，将熔体浇铸至200℃预热的模具中，得到含0.3wt％Zr的铝硅锆合金。
图1为Al-20Si合金的50倍金相图，图2为所述含0.3wt％Zr的铝硅锆合金的50倍金相图；由图可以看出，0.3wt％Zr的铝硅锆合金中初生硅的形状更加规整，多边形居多，分布均匀，且初生硅形貌减小；
图3为Al-20Si合金的500倍金相图，图4为所述含0.3wt％Zr的铝硅锆合金的500倍金相图；由图可以看出，0.3wt％Zr的铝硅锆合金的共晶组织呈粗短的蠕虫状，或粒状或细小的短杆状，端部圆滑，均匀紧密，弥散分布在Al基体上，其形态显著不同，长度值由Al-20Si合金的20.6μm降低至8.7μm；
图5为Al-20Si合金断口的SEM图，图6为所述含0.3wt％Zr的铝硅锆合金的SEM图；由图可知，所述含0.3wt％Zr的铝硅锆合金的断口的理台阶面较Al-20Si合金明显减少，同时断口有少量的呈韧窝出现，伴有一定的塑性撕裂，表现出了撕裂状的特征，合金的塑性得到一定的改善。
将所述铝硅锆合金的抗拉强度和拉伸率进行测定，所述铝硅锆合金的抗拉强度为132.1MPa较Al-20Si合金的89.40MPa提高了47.74％，延伸率为1.2％较Al-20Si合金的0.67％提高了79.1％。
实施例3
将477.5gAl-20Si合金在740℃条件下保温10min进行熔炼，得到铝合金熔液；
将22.5gAl-10Zr中间合金预热至200℃后，加入至所述铝合金熔液中，搅拌2min后，进行合金化反应10min，将所述合金化反应后得到的熔液降温至720℃，静置3min，加入10g C2Cl6，静置15min进行精炼除气，扒渣，将熔体浇铸至200℃预热的模具中，得到含0.45wt％Zr的铝硅锆合金。
将所述铝硅锆合金的抗拉强度和拉伸率进行测定，所述铝硅锆合金的抗拉强度为121.6MPa，延伸率为0.93％。
实施例4
将470gAl-20Si合金在740℃条件下保温10min进行熔炼，得到铝合金熔液；
将30gAl-10Zr中间合金预热至200℃后，加入至所述铝合金熔液中，搅拌2min后，进行合金化反应10min，将所述合金化反应后得到的熔液降温至720℃，静置3min，加入10gC2Cl6，静置15min进行精炼除气，扒渣，将熔体浇铸至200℃预热的模具中，得到含0.6wt％Zr的铝硅锆合金。
图7为Al-20Si合金、实施例2制备得到的含0.3wt％Zr的铝硅锆合金制备得到的和实施例4制备得到的含0.6wt％Zr的铝硅锆合金的XRD图，由图可知，含0.3wt％Zr的铝硅锆合金为Al4Si5Zr3，含0.6wt％Zr的铝硅锆合金为AlSi2Zr。
将所述铝硅锆合金的抗拉强度和拉伸率进行测定，所述铝硅锆合金的抗拉强度为114.2MPa，延伸率为0.75％。
实施例5
将455gAl-20Si合金在740℃条件下保温10min进行熔炼，得到铝合金熔液；
将45gAl-10Zr中间合金预热至200℃后，加入至所述铝合金熔液中，搅拌2min后，进行合金化反应10min，将所述合金化反应后得到的熔液降温至720℃，静置3min，加入10gC2Cl6，静置15min进行精炼除气，扒渣，将熔体浇铸至200℃预热的模具中，得到含0.9wt％Zr的铝硅锆合金。
将所述铝硅锆合金的抗拉强度和拉伸率进行测定，所述铝硅锆合金的抗拉强度为120.4MPa，延伸率为0.91％。
由以上实施例可知，本发明所述的铝硅锆合金的力学性能显著得到了提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种铝硅锆合金，按重量百分比计，包括Zr 0.15％～0.9％，Si 17.2％～20％，Al79.5％～82％以及不可避免的杂质。
2.权利要求1所述铝硅锆合金的制备方法，包括以下步骤：
将Al-20Si合金熔炼，得到铝合金熔液；
将Al-10Zr中间合金加入至所述铝合金熔液中，依次进行合金化反应、精炼除气和浇铸，得到铝硅锆合金。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为735～745℃；所述熔炼的保温时间为10～15min。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Al-20Si合金和Al-10Zr中间合金的质量比为(10～66)：1。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述合金化反应的温度为735～745℃；所述合金化反应的时间为8～12min。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述精炼除气的温度为715～725℃；所述精炼除气的时间为10～15min。
7.如权利要求2或6所述的制备方法，其特征在于，所述精炼除气的精炼剂为C2Cl6，所述C2Cl6与Al-20Si合金的质量比为1：(45～50)。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸的温度为715～725℃。
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