CN109338178A - 一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法 - Google Patents

一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法 Download PDF

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徐豫
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Abstract

本发明公开了一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法，该复合材料中增强相Al2O3与过共晶Al‑Si合金的质量比为0.0012～0.0035:1；制法为首先对SrCO3进行预处理，将过共晶Al‑Si合金熔融后，加入SrCO3搅拌、反应10～20min，制得混合熔体，将混合熔体浇注成锭后，冷却至室温，即可。本发明的复合材料中生成Al2O3增强相，合金硬度由99HV增加到134.9HV(增加了9.2％～36.2％)，过共晶Al‑Si合金中初晶Si尺寸由45μm细化到32μm，共晶Si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，且变质工艺简单，操作方便。

Description

一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法
技术领域
本发明属于合金制造领域，尤其涉及一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法。
背景技术
Al-Si合金具有密度小、强度高、铸造成形性好、资源丰富等优点，广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域。随着Si含量的增加，Al-Si合金中共晶体增加，虽然铸造性能得到改善，但过共晶Al-Si合金组织中会出现粗大的板片状共晶Si，还会出现粗大的多角形块状或板状初晶Si，严重地损害了材料的性能。细化共晶Si和初晶Si，改变其形状和分布，减小其对基体的削弱作用，是提高Al-Si合金性能的关键。
目前细化Al-Si的方法主要有变质处理法、振动变质法、悬浮铸造法、快速凝固法等。工业上主要采用变质处理法，但该法存在变质剂加入量需要严格控制、工艺较复杂以及环境污染等问题。自从1921年Pacz发现Na对铝硅共晶组织有变质作用，能够明显提高铸件的力学性能以后，多年来，Na以变质能力强等特点广泛应用于实际生产中。然而，Na变质存在以下不足：易衰退、吸收率低、易腐蚀工具和设备；Na密度低，容易产生比重偏析；Na的沸点低(880℃)，性质活泼，处理时将引起铝液的沸腾和飞溅。
因此寻找经济、高效、环保的变质方法是获得优质铝合金铸造部件的关键技术之一。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料，该复合材料生成Al2O3增强相，提高了复合材料的硬度，有效细化了初晶Si的晶粒尺寸和改变共晶Si的晶粒形状。
本发明的第二目的是提供该复合材料的变质方法。
技术方案：本发明采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料，该复合材料中增强相Al2O3与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0012～0.0035:1。
优选的，增强相Al2O3与过共晶Al-Si合金的质量比可为0.0023～0.0035:1。
采用SrCO3变质过共晶铝硅复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)对SrCO3进行预处理，将过共晶Al-Si合金熔融后，加入预处理后的SrCO3搅拌、反应10～20min，制得混合熔体，其中SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比为0.005～0.015:1。
(2)将混合熔体浇注成锭后，冷却至室温，即可。
本发明通过采用SrCO3变质过共晶铝硅复合材料，碳酸锶吸附在硅的生长台阶上，阻碍硅以台阶生长机制长成片状，且碳酸锶的原子在硅相表面的吸附改变了硅原子的堆积次序，从而在硅晶体中造成大量孪晶的产生，共晶硅相转而以孪晶凹谷机制生长，进而能够将过共晶Al-Si合金中初晶Si尺寸由45μm细化到32μm，共晶Si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，且碳酸锶和SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相，进一步提高了过共晶铝硅合金的硬度，合金硬度由99HV增加到134.9HV(增加了9.2％～36.2％)，工艺简单，操作方便。
进一步说，步骤(1)中，对SrCO3进行预处理是采用铝箔纸包裹SrCO3粉末。将过共晶Al-Si合金熔融是升温至720～760℃保温反应10～15min。将过共晶Al-Si合金熔融后升温至810～850℃，加入预处理后的SrCO3搅拌3～5min。
优选的，SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比可为0.01～0.015:1。反应时间可为10～20min。
更进一步说，步骤(2)中，浇注成锭时采用已预热至250～300℃的模具。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：通过采用SrCO3对过共晶Al-Si合金进行变质制备的复合材料，不仅能够将过共晶Al-Si合金中初晶Si尺寸由45μm细化到32μm，共晶Si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，且SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相，提高了过共晶铝硅合金的硬度；同时其工艺简单，操作方便；此外，在加入SrCO3粉进行变质反应时，采用铝箔纸包裹SrCO3粉，与基体成分相同，能够实现对初晶Si和共晶Si的变质，又可避免引入其他杂质。
附图说明
图1是现有的A390过共晶Al-Si合金显微组织图；
图2是实例1变质后过共晶Al-Si合金显微组织图；
图3是实例2变质后过共晶Al-Si合金显微组织图；
图4是实例3变质后过共晶Al-Si合金显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明采用的原料均购自市售。过共晶铝硅合金为A390过共晶铝硅合金。
实施例1
该复合材料中SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0012:1。
采用SrCO3进行变质的方法包括如下步骤：
(1)变质剂预处理：选用SrCO3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹SrCO3粉末后，在200℃条件下进行干燥处理后待用；
(2)将A390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至750℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至810℃；
(3)将步骤(1)的SrCO3粉末加入到步骤(2)的A390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在810℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，SrCO3粉末的加入量与A390过共晶铝硅合金的质量比为0.005:1；
(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至250℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。
实施例2
该复合材料中SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0023:1。
采用SrCO3进行变质的方法包括如下步骤：
(1)变质剂预处理：选用SrCO3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹SrCO3粉末后，在250℃条件下进行干燥处理后待用；
(2)将A390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至760℃，使其熔融，保温静置15min，再升温至820℃；
(3)将步骤(1)的SrCO3粉末加入到步骤(2)的A390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在820℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，SrCO3粉末的加入量与A390过共晶铝硅合金的质量比为0.01:1；
(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至300℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。
实施例3
该复合材料中SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0035:1。
采用SrCO3进行变质的方法包括如下步骤：
(1)变质剂预处理：选用SrCO3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹SrCO3粉末后，在300℃条件下进行干燥处理后待用；
(2)将A390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至760℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至840℃；
(3)将步骤(1)的SrCO3粉末加入到步骤(2)的A390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在840℃条件下保温反应20min后，制得混合熔体；其中，SrCO3粉末的加入量与A390过共晶铝硅合金的质量比为0.015:1；
(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至300℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。
性能检测
将上述实施例1至实施例3采用的现有的A390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如图1所示。同时将实施例1至实施例3制备的变质A390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如图2至图4所示，其表征结果如表1所示。
表1实施例1至实施例3制备的铝硅复合材料的性能表
结合表1和图2至图4可知，本发明通过采用SrCO3对过共晶Al-Si合金进行变质，能够有效细化晶粒尺寸，且改变共晶Si的形状，硬度明显提高。其中，实施例2的变质效果最佳，其晶粒尺寸为37μm，共晶Si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，硬度为134.9HV。相对而言，实施例1和实施例3的变质效果较实施例2略差，但均优于现有的过共晶Al-Si合金。由此可知，本发明的变质方法能够对现有的过共晶Al-Si合金进行变质，从而提高其综合性能。
对比例1
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比，分别为0.003:1和0.02:1；对应地SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相与过共晶Al-Si合金的质量比，分别为0.0006:1和0.0047:1，获得的试验结果如下表2所示。
表2对比例1的制备的铝硅复合材料的性能表
通过表2可知，当SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比为0.003:1时，此时添加的变质剂含量较少，变质剂的含量不足以产生完全的变质效果，但仍有部分的共晶Si为板片状或块状；而当SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比为0.02:1时，组织中出现了含Sr的化合物，共晶Si随之粗化，产生过变质现象。由此可知添加与过共晶Al-Si合金的质量比为0.005～0.015:1的SrCO3，其能够有效细化初晶Si的晶粒尺寸和改变共晶Si的晶粒形状，提高合金材料的硬度，进而提高复合材料的力学性能。
实施例4
该复合材料中SrCO3与Al反应生成Al2O3增强相与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0018:1。
采用SrCO3进行变质的方法包括如下步骤：
(1)变质剂预处理：选用SrCO3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹SrCO3粉末后，在200℃条件下进行干燥处理后待用；
(2)将A390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至720℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至850℃；
(3)将步骤(1)的SrCO3粉末加入到步骤(2)的A390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌5min至均匀，在850℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，SrCO3粉末的加入量与A390过共晶铝硅合金的质量比为0.008:1；
(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至250℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。
将该实施例4制备的变质A390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如表3所示。
表3实施例4制备的铝硅复合材料的性能表
通过表3可知，本发明的变质方法能够有效细化初晶Si的晶粒尺寸、改变共晶Si的晶粒形状和提高合金材料的硬度，进而提高复合材料的力学性能。

Claims (9)

1.一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料，其特征在于：该复合材料中增强相Al2O3与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0012～0.0035:1。
2.根据权利要求1所述的采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料，其特征在于：所述增强相Al2O3与过共晶Al-Si合金的质量比为0.0023～0.0035:1。
3.权利要求1所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对SrCO3进行预处理，将过共晶Al-Si合金熔融后，加入预处理后的SrCO3搅拌、反应10～20min，制得混合熔体，其中SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比为0.005～0.015:1。
(2)将混合熔体浇注成锭后，冷却至室温，即可。
4.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(1)中，所述对SrCO3进行预处理是采用铝箔纸包裹SrCO3粉末。
5.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(1)中，所述将过共晶Al-Si合金熔融是升温至720～760℃保温反应10～15min。
6.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(1)中，所述将过共晶Al-Si合金熔融后升温至810～850℃，加入预处理后的SrCO3。
7.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(1)中，所述搅拌3～5min。
8.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(1)中，所述SrCO3的加入量与过共晶Al-Si合金的质量比为0.01～0.015:1。
9.根据权利要求3所述的过共晶铝硅复合材料的变质方法，其特征在于：步骤(2)中，所述浇注成锭时采用已预热至250～300℃的模具。
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