CN110093524A - 一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法 - Google Patents

一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法。所述变质剂由按高硅铝合金总重量百分比含量计的如下元素组成：磷：0.01～2wt.％，镧：0.01～1wt.％，铈：0.01～1wt.％，锂：0.01～0.2wt.％；其适用于含硅18～25wt.％的高硅铝合金的变质；所述变质剂使用方法包括如下步骤：S1烘料：变质剂预热；S2熔炼：待变质高硅铝合金熔体制备；S3变质处理：向S2熔体中分别依次加入AlP中间合金、AlLa、AlCe中间合金和AlLi中间合金，并分别搅拌、保温和静置；S4浇注：将S3获得的熔体浇注于模具中，得高硅铝合金铸件。本发明改善了铸件组织中硅相形貌，改善了高硅铝合金的力学性能。

Description

一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法。
背景技术
高硅铝合金具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小的特点，同时具有较高的比强度和较好的铸造性能，广泛的应用于航空、航天、汽车建筑等领域。随着合金中硅含量的上升，合金的耐磨性和铸造性能也会进一步提升。但未经变质处理的铸态高硅铝合金中，初生硅和共晶硅相以粗大的块状及片针状分布在铝基体中，在受力过程中非常容易在这些部位引起应力集中，导致合金的强度、塑性显著降低，影响材料的加工性能，且随着硅含量的增加，这些问题尤为明显。
目前，在高硅铝合金的工业生产中，控制和改善合金组织形貌的方法主要包括快速凝固法，变质处理法和半固态成形法等。其中变质剂处理是工业中较为主流的硅相形貌控制方法，现阶段常用的铝硅合金变质剂一般包含P、Ti、Sr和RE等成分。P一般作为初生硅细化剂，熔体中Al与P反应生成AlP化合物，弥散分布在熔体中成为初生硅异质形核核心，从而细化了初晶硅的尺寸，但其对共晶硅的形貌影响不大；Ti通常以铝钛硼中间合金的形式加入熔体，在熔体中出现Al3Ti及TiB2对Si相起到细化作用，但其细化效果弱于P变质；Sr对铝硅合金具有较好的变质作用，而且具有长效性，但P和Sr会在熔体中相互作用，从而削弱P和Sr本身的细化效果；稀土加入减弱了Si-Si、Si-Al原子团之间的结合而加强了Al-Al原子团的结合，导致α-Al首先成核而硅相过冷，共晶结晶时，α-Al作为领先相首先析出并长大，从而限制了共晶硅的生长，对初生硅的影响很小。不同的变质成分对铝硅合金的作用不同，而且不同的添加量以及多种变质成分的复合也会对铝硅合金产生新的变质效果。李庆林等人公开了《一种复合变质过共晶铝硅合金及其制备方法》(公开号：107326228A)，该方法采用稀土和铝钛硼中间合金对过共晶铝硅合金进行复合变质，为了达到相应的变质效果，该方法在添加复合变质剂过程中对熔体进行反复加热。经该方法变质后组织中初生硅尺寸达42μm，对初生硅细化效果有限，且该方法对熔体进行反复加热，对热量消耗有一定的浪费。王建华等人公开了《一种共晶铝硅合金的磷钛双重变质方法》(公开号：107236875A)采用铝钛和铝磷中间合金对共晶铝硅合金进行双重变质，但该方法对合金组织中共晶硅相形态改善效果不明显，经变质后共晶硅仍呈弥散的网状分布。程勇等人公开《一种高硅铝合金变质方法》(公开号：107460352A)，该方法利用铝锶合金、铝磷合金和铝稀土合金对高硅铝合金进行复合变质，且对初生硅、共晶硅均实现了有效的细化，但该方法针对含硅10.5～11.5wt.％的AHS高硅铝合金，对含硅量更高的高硅铝合金效果不明显。
综上所述，现阶段针对含硅18～25wt.％的高硅铝合金变质的研究仍不完善，对初生硅和共晶硅的综合细化效果还不能满足目前的工业生产需求。因此，需要开发一种针对高硅铝合金高效的变质方法，以综合细化高硅铝合金中初生硅与共晶硅相，提升材料性能，推动高硅铝合金的工业应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有高硅铝合金变质方法中存在的不足，提供一种高硅铝合金用变质剂及其使用方法。现有的变质方法对组织中初生硅和共晶硅的综合细化还不够理想，对材料性能提升不够显著。为了解决这一问题，本发明通过P-La-Ce-Li复合变质实现了对高硅铝合金显著的变质效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了高硅铝合金变质剂，一种高硅铝合金用变质剂，其特征在于，所述变质剂由按高硅铝合金总重量百分比含量计的如下元素组成：磷：0.01～2wt.％，镧：0.01～1wt.％，铈：0.01～1wt.％，锂：0.01～0.2wt.％。
本发明通过在高硅铝合金中复合添加P、La、Ce、Li，细化了硅相，使组织均匀化，起到了有效的变质效果，改善了高硅铝合金铸件的力学性能。
优选地，所述变质剂适用于含硅18～25wt.％的高硅铝合金的变质。
优选地，所述磷、镧、铈、锂分别以Al-4.5P、Al-10La、Al-10Ce、Al-4Li中间合金的形式加入。
优选地，所述中间合金的加入量是按照磷、镧、铈、锂元素所占变质前高铝硅合金的质量百分比来确定的。
第二方面，一种如权利要求1所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，所述的使用方法具体包括如下操作：
S1烘料：将变质剂预热；
S2熔炼：将待变质的高硅铝合金升温熔化为液体，成为熔体；
S3变质处理：向S2获得的熔体中加入AlP中间合金，搅拌，保温静置；加入AlLa、AlCe中间合金，搅拌，保温静置；加入AlLi中间合金，搅拌，保温静置；
S4浇注：将步骤S3获得的熔体浇注模具中，得到高硅铝合金铸件。
优选地，S1中将变质剂预热至200～300℃。
优选地，S3中加入AlP中间合金的温度为760～810℃；保温静置时间为5～10min。
优选地，S3中加入AlLa、AlCe中间合金的温度为740～780℃；保温静置时间为5～10min。
优选地，S3中加入AlLi中间合金的温度为730～750℃；保温静置时间为5～10min。
优选地，S4中所述浇注的温度为700～720℃。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.本发明在传统的变质剂P-La-Ce的基础上创新性的加入强力表面活性元素Li，Li的加入对铝硅合金起到了显著的变质效果，有效的抑制了硅相的长大，且使初生硅形貌明显的圆整化，同时并不影响P-La-Ce本身的变质效果。P-La-Ce-Li对高硅铝合金的复合变质使其组织中初生硅和共晶硅形貌尺寸均起到了显著的改善作用。
2.在P-La-Ce变质后高硅铝合金熔体中Li的加入能够明显延长变质剂对合金的变质作用时间，使得该变质剂获得更加宽广的应用空间。
3.本发明中，活性元素Li加入高硅铝合金熔体后能够有效的净化熔体，促进合金中强化相的析出，能够明显的提升材料强度。
4.本发明中，高硅铝合金中Li的加入能够降低合金密度，提升材料比强度，进一步推广了高硅铝合金在工业上的应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明变质处理处理方法得到的Al-20Si合金(实施例1)的金相组织照片；
图2为未变质处理Al-20Si合金的金相组织照片；
图3为经P变质处理得到的Al-20Si合金(对比例1)的金相组织照片；
图4为经La-Ce变质处理得到的Al-20Si合金(对比例2)的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例所提供的一种用于Al-20Si合金的变质方法，其变质剂组分质量百分含量为：0.01～2wt.％P，0.01～1wt.％La，0.01～1wt.％Ce，0.01～0.2wt.％Li。
本发明采用P(磷)为第一组分，P的加入能够在熔体中增加形核核心，从而有效细化高硅铝合金组织中粗大的初生硅相，提升合金力学性能；采用La(镧)、Ce(铈)为第二组分，La、Ce的加入能够减弱合金组织中硅相的偏聚，使组织中硅相均匀分布，显著减小共晶硅尺度，改善合金力学性能；采用Li(锂)为第三组分，Li的加入可以净化合金熔体，抑制硅相的长大、改善硅相形貌，延长变质时效，且能降低合金密度、促进强化相析出，提升合金比强度。
以下实施例还提供了一种用于Al-20Si合金变质剂的添加方法，所述添加方法包括以下步骤：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在160℃～240℃烘箱中预热烘干2～3h；
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体；
③变质处理：760～810℃时加入AlP中间合金并保温静置5～10min；740～780℃时加入AlLa、AlCe中间合金并保温静置5～10min；730～750℃时加入Al-Li中间合金并保温静置5～10min；
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃～250℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
实施例1
本实施例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：0.01wt.％P，0.01wt.％La，0.01wt.％Ce，0.01wt.％Li；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在180℃烘箱中预热烘干2h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：760℃时加入AlP中间合金并保温静置5min；740℃时加入AlLa、AlCe中间合金并保温静置5min；730℃时加入Al-Li中金合金并保温静置5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为25μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为225.3MPa，延伸率为1.34％。
图1所示为本发明变质处理处理方法得到的Al-20Si合金的金相组织照片。
实施例2
本实施例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：0.2wt.％P，0.4wt.％La，0.6wt.％Ce，0.12wt.％Li；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在200℃烘箱中预热烘干2.5h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：780℃时加入AlP中间合金保温8min、760℃时加入Al-La、Al-Ce中间合金保温8min、740℃时加入Al-Li中间合金保温8min，之后对熔体进行机械搅拌2.5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为23μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为218.6MPa，延伸率为1.2％。
实施例3
本实施例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：1wt.％P，0.5wt.％La，0.5wt.％Ce，0.15wt.％Li；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在180℃烘箱中预热烘干2.5h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：770℃时加入AlP中间合金保温8min、760℃时加入Al-La、Al-Ce中间合金保温8min、740℃时加入Al-Li中间合金保温8min，之后对熔体进行机械搅拌2.5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为21μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为232.4MPa，延伸率为1.3％。
实施例4
本实施例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：1.5wt.％P，0.8wt.％La，0.8wt.％Ce，0.15wt.％Li；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在230℃烘箱中预热烘干3h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：分别于800℃加入AlP中间合金保温10min、770℃加入Al-La、Al-Ce中间合金保温10min、750℃加入Al-Li中间合金保温10min，之后对熔体进行机械搅拌5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于250℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为23μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为223.4MPa，延伸率为1.53％。
实施例5
本实施例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：2wt.％P，1wt.％La，1wt.％Ce，0.2wt.％Li；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La、Al-Ce和Al-Li中间合金，将这些原料在240℃烘箱中预热烘干3h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：分别于810℃加入AlP中间合金保温10min、780℃加入Al-La、Al-Ce中间合金保温10min、750℃加入Al-Li中间合金保温10min，之后对熔体进行机械搅拌5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于250℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为24μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为215.5MPa，延伸率为1.22％。
对比例1
本对比例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：0.5wt.％P；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：取Al-P中间合金在200℃烘箱中预热烘干2.5h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：于780℃加入AlP中间合金保温8min，之后对熔体进行机械搅拌2.5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的变质处理Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为35μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为173.5MPa，延伸率为0.6％。
图2所示为未变质处理Al-20Si合金的金相组织照片。
图3所示为经P变质处理得到的Al-20Si合金的金相组织照片。
对比例2
本对比例涉及一种用于Al-20Si合金的变质剂及其添加方法，其变质剂组分质量百分含量为：0.4wt.％La，0.6wt.％Ce；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：取Al-La和Al-Ce中间合金在180℃烘箱中预热烘干2h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：于770℃加入Al-La、Al-Ce中间合金保温9min，之后对熔体进行机械搅拌3min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的变质处理Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为43μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为156.2MPa，延伸率为0.5％。
图4所示为经La-Ce变质处理得到的Al-20Si合金(对比例2)的金相组织照片。
对比例3
本对比例涉及一种用于Al-20Si合金的变质方法，所述的变质方法包括变质剂组分和变质剂添加方法。其变质剂组分质量百分含量为：1wt.％P，0.5wt.％La，0.5wt.％Ce，；所述变质剂添加方法包括以下具体操作：
①烘料：分别取Al-P、Al-La和Al-Ce中间合金，将这些原料在180℃烘箱中预热烘干2.5h。
②熔炼：将待变质的Al-20Si合金升温完全熔化为液体。
③变质处理：770℃时加入AlP中间合金保温8min、760℃时加入Al-La、Al-Ce中间合金保温8min，之后对熔体进行机械搅拌2.5min。
④浇铸：静置保温后，将前述熔体浇注于180℃的金属模具中，即得到经过变质处理的Al-20Si合金铸件。
该高硅铝合金组织中初生硅平均尺寸为28μm。
该高硅铝合金的室温力学性能为：
抗拉强度为203.6MPa，延伸率为0.8％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种高硅铝合金用变质剂，其特征在于，所述变质剂由按高硅铝合金总重量百分比含量计的如下元素组成：磷：0.01～2wt.％，镧：0.01～1wt.％，铈：0.01～1wt.％，锂：0.01～0.2wt.％。
2.如权利要求1所述的高硅铝合金用变质剂，其特征在于，适用于含硅18～25wt.％的高硅铝合金的变质。
3.如权利要求1所述的高硅铝合金用变质剂，其特征在于，磷、镧、铈、锂分别以Al-4.5P、Al-10La、Al-10Ce、Al-4Li中间合金的形式加入。
4.如权利要求3所述的高硅铝合金用变质剂，其特征在于，所述中间合金的加入量是按照磷、镧、铈、锂元素所占变质前高铝硅合金的质量百分比来确定的。
5.一种如权利要求1所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，所述的使用方法具体包括如下操作：
S1烘料：将变质剂预热；
S2熔炼：将待变质的高硅铝合金升温熔化为液体，成为熔体；
S3变质处理：向S2获得的熔体中加入AlP中间合金，搅拌，保温静置；加入AlLa、AlCe中间合金，搅拌，保温静置；加入AlLi中间合金，搅拌，保温静置；
S4浇注：将步骤S3获得的熔体浇注模具中，得到高硅铝合金铸件。
6.如权利要求5所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，S1中将变质剂预热至200～300℃。
7.如权利要求5所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，S3中加入AlP中间合金的温度为760～810℃；保温静置时间为5～10min。
8.如权利要求5所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，S3中加入AlLa、AlCe中间合金的温度为740～780℃；保温静置时间为5～10min。
9.如权利要求5所述的高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，S3中加入AlLi中间合金的温度为730～750℃；保温静置时间为5～10min。
10.如权利要求5所述高硅铝合金用变质剂的使用方法，其特征在于，S4中所述浇注的温度为700～720℃。
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