CN110205509A - 一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法 - Google Patents

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吕勋
蒋海燕
余水金
汪天培
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Abstract

本发明属于高硅铝合金技术领域，具体涉及一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法，包括：依次制备高温熔体Ⅰ和低温熔体Ⅱ，再用铝箔包裹的复合变质剂置于高温熔体Ⅰ完全熔化并保温10～30min，高温熔体Ⅰ的温度T1设置为液相线温度以上20℃内，低温熔体Ⅱ的温度T2满足120<T1～T2<180℃，待温度达到设定温度后分别加入C2Cl6精炼剂除气除渣并保温5～10min，再将高温熔体Ⅰ浇入到低温熔体Ⅱ中搅拌，浇注成型。本发明能够显著细化初晶硅的晶粒尺寸并且使其均匀分布，同时能够变质共晶硅，使共晶硅呈短棒状和纤维状，优化合金组织，提高材料综合性能。

Description

一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法
技术领域
本发明属于高硅铝合金技术领域，具体涉及一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法。
背景技术
高硅铝合金作为一种重要的轻质金属结构材料，具有比重小、比强度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、耐磨、耐蚀等一系列优良性能，而且随着合金中硅含量的提高，合金的密度降低，热膨胀系数减小，加工及铸造性能提高，因此高硅铝合金特别适用于制造轻质、耐磨的结构零件，在航空、航天、汽车工业、船舶制造以及电子封装等领域具有广泛的应用前景。
目前国内外对高硅铝合金变质处理的研究主要侧重于物理变质和化学变质两大方面。物理变质是指在合金的凝固过程中，利用喷射沉积技术、超声处理技术或电磁搅拌技术等物理手段对合金凝固组织进行控制来实现初晶硅的变质。物理变质往往是通过提高合金凝固时的冷却速率，抑制硅原子的扩散，提高硅晶体的形核率从而细化初晶硅；抑或是，通过对熔体施加外力或物理场等，使已经长大的晶体破碎成为新的形核核心，从而增加熔体中有效晶核的数量，促进初晶硅的细化。目前工业中较多使用化学变质(含P、RE、Sr等中间合金)来提高高硅铝合金的性能，能将原本粗大并且分布不均的块状或板片状硅相转变为在基体上均匀分布的细小的硅颗粒，使合金在保持基体良好韧性的同时，充分发挥硅相的强化作用。但是化学变质同样存在问题，首先变质元素之间的相互作者会弱化高硅铝合金的变质效果，比如在高温下Sr和P生成Sr3P2，其次变质剂的添加量是有限的，过少，初晶硅的细化效果不明显，过多则细化效果趋于饱和甚至出现过变质的现象。目前P+RE复合变质剂被认为是一种长效的变质剂，其生成的AlP是目前公认的最好的初晶硅的异质形核衬底。RE的加入能够对共晶有很好的变质作用。
液液混合最初用来解决Al-Cu合金中的热裂问题，得到了α-Al的非枝晶组织，其原理是：液液混合中的温度平衡远远领先溶质传输，当高温熔体浇入到低温熔体中，处于液相线附近的高温熔体被迅速冷却，会产生大量的初晶晶核，但是由于再辉效应，会有部分晶核溶解，因此容易造成初生相呈现大小不均匀性。液液混合运用在高硅铝合金中通过添加复合变质剂不仅使得初生硅快速依附于大量AlP形核质点生长，还能够由于混合产生的对流使得成分产生均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法，能够显著细化初晶硅的晶粒尺寸并且使其均匀分布，同时能够变质共晶硅，使共晶硅呈短棒状和纤维状，优化合金组织，提高材料综合性能。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)将高温熔体的基础合金置于高温电阻炉Ⅰ中加热到液相线温度以上60～100℃内，完全熔化后搅拌均匀并保温5～30min，得高温熔体Ⅰ；
(2)将低温熔体的基础合金置于高温电阻炉Ⅱ中加热到液相线温度以上60～100℃内，完全熔化后搅拌均匀并保温5～30min，得低温熔体Ⅱ；
(3)将用铝箔包裹的复合变质剂置于所述高温熔体Ⅰ中，完全熔化后搅拌均匀并保温10～30min，再将所述高温熔体Ⅰ的温度T1设置为液相线温度以上20℃内，所述低温熔体Ⅱ的温度T2满足120<T1～T2<180℃，待温度达到设定温度后分别加入C2Cl6精炼剂除气除渣并保温5～10min，再将所述高温熔体Ⅰ浇入到所述低温熔体Ⅱ中搅拌，然后浇注成型，即得。
优选地，所述高温熔体Ⅰ的质量m1和所述低温熔体Ⅱ的质量m2满足2≤m1：m2≤6。
优选地，步骤(1)中，所述高温熔体的基础合金的组成为Si 35at.％～45at.％，余量为Al。
优选地，步骤(2)中，所述低温熔体的基础合金的组成为Si 12at.％～20at.％，余量为Al。
优选地，步骤(3)中，所述复合变质剂，按高硅铝合金重量百分比计包括：RE0.01at.％～1at.％，P0.01at.％～0.1at.％；其中，所述P来自Al-12Si-5P中间合金，所述RE来自Al-10RE中间合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的制备工艺简单且成本较低，能够产生优于普通铸造复合变质高硅铝合金的效果，能够显著细化初晶硅，添加的复合变质剂也能够变质共晶硅，很好提高高硅铝合金的综合性能。
附图说明
图1为实施例1合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
图2为实施例2合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
图3为对比例1合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
图4为对比例2合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
图5为对比例3合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
图6为对比例4合金浇注在铁制模具中的200倍的金相显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对发明内容作进一步说明。
实施例1
称取工业纯铝和纯硅配制高温熔体Al-35Si基础合金和低温熔体Al-20Si基础合金，高温熔体基础合金质量m1和低温熔体基础合金质量m2满足m1:m2＝2:1，若混合后则得到Al-30Si基础合金，称取0.6％×(m1+m2)的Al-12Si-5P中间合金和Al-10RE中间合金，并用铝箔包裹待用，将高温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅰ中加热至940～970℃，得高温熔体Ⅰ，将低温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅱ中加热至750℃，得低温熔体Ⅱ，待高温电阻炉中合金全部熔化后，搅拌并保温15～30min，再向高温熔体Ⅰ中加入用铝箔包裹的复合变质剂，待熔化后搅拌熔体并保温10～30min，然后将温度设置为870～890℃，同时将低温熔体温度设置为710～730℃，待温度下降到设定的温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣并保温5～10min，然后将高温熔体Ⅰ浇入到低温熔体Ⅱ中并搅拌，最后浇注到预热200℃的铁制模具中。
实施例2
称取工业纯铝和纯硅配制高温熔体Al-35Si基础合金和低温熔体Al-12.6Si基础合金，高温熔体基础合金质量m1和低温熔体基础合金质量m2满足m1:m2＝3.48:1，若混合后则得到Al-30Si基础合金，称取0.6％×(m1+m2)的Al-12Si-5P中间合金和Al-10RE中间合金，并用铝箔包裹待用，将高温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅰ中加热至940～970℃，得高温熔体Ⅰ，将低温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅱ中加热至750～780℃，得低温熔体Ⅱ，待高温电阻炉中合金全部熔化后，搅拌并保温15～30min，再向高温熔体Ⅰ中加入用铝箔包裹的复合变质剂，待熔化后搅拌熔体并保温10～30min，然后将温度设置为870～890℃，同时将低温熔体温度设置为710～730℃，待温度下降到设定的温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣并保温5～10min，然后将高温熔体Ⅰ浇入到低温熔体Ⅱ中并搅拌，最后浇注到预热200℃的铁制模具中。
对比例1
称取工业纯铝和纯硅配制Al-30Si基础合金，加入到高温电阻炉中并过热到940～970℃，待合金全部熔化后搅拌并保温15～30min，然后将温度设置为820～850℃，待温度下降到设定温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣，保温5～10min后浇注到预热200℃的铁制模具中。
对比例2
称取工业纯铝和纯硅配制高温熔体Al-35Si基础合金和低温熔体Al-20Si基础合金，高温熔体基础合金质量m1和低温熔体基础合金质量m2满足m1:m2＝2:1，将高温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅰ中加热至940～970℃，得高温熔体Ⅰ，将低温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅱ中加热至750～780℃，得低温熔体Ⅱ，待高温电阻炉中合金全部熔化后，搅拌并保温15～30min，然后将温度设置为870～890℃，同时将低温熔体温度设置为710～730℃，待温度下降到设定的温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣并保温5～10min，然后将高温熔体Ⅰ浇入到低温熔体Ⅱ中并搅拌，最后浇注到预热200℃的铁制模具中。
对比例3
称取工业纯铝和纯硅配制高温熔体Al-35Si基础合金和低温熔体Al-12.6Si基础合金，高温熔体基础合金质量m1和低温熔体基础合金质量m2满足m1:m2＝3.48:1，将高温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅰ中加热至940～970℃，得高温熔体Ⅰ，将低温熔体基础合金加入到高温电阻炉Ⅱ中加热至750～780℃，得低温熔体Ⅱ，待高温电阻炉中合金全部熔化后，搅拌并保温15～30min，然后将温度设置为870～890℃，同时将低温熔体温度设置为710～730℃，待温度下降到设定的温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣并保温5～10min，然后将高温熔体Ⅰ浇入到低温熔体Ⅱ中并搅拌，最后浇注到预热200℃的铁制模具中。
对比例4
称取工业纯铝和纯硅配制Al-30Si基础合金，加入到高温电阻炉中并过热到940～970℃，待合金全部熔化后搅拌并保温15～30min，加入质量占比为0.6％的Al-12Si-5P中间合金和Al～10RE中间合金，待熔化后搅拌并保温10～30min，然后将温度设置为820～850℃，待温度下降到设定温度后加入C2Cl6精炼剂进行除气除渣，保温5～10min后浇注到预热200℃的铁制模具中。
从实施例1～2和对比例1～4的金相显微组织形貌可以发现，液液混合铸造的方式结合复合变质获得比单独液液混合和复合变质更好的效果，所获得初晶硅的尺寸更小，由五瓣星星状和长条状变成块状，形貌也更规整，添加的RE也将共晶硅由长针状变成短棒状和颗粒状，因此液液混溶添加复合变质剂很好地变质高硅铝合金。

Claims (5)

1.一种液液混合铸造结合复合变质制备高硅铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将高温熔体的基础合金置于高温电阻炉Ⅰ中加热到液相线温度以上60～100℃内，完全熔化后搅拌均匀并保温5～30min，得高温熔体Ⅰ；
(2)将低温熔体的基础合金置于高温电阻炉Ⅱ中加热到液相线温度以上60～100℃内，完全熔化后搅拌均匀并保温5～30min，得低温熔体Ⅱ；
(3)将用铝箔包裹的复合变质剂置于所述高温熔体Ⅰ中，完全熔化后搅拌均匀并保温10～30min，再将所述高温熔体Ⅰ的温度T1设置为液相线温度以上20℃内，所述低温熔体Ⅱ的温度T2满足120<T1～T2<180℃，待温度达到设定温度后分别加入C2Cl6精炼剂除气除渣并保温5～10min，再将所述高温熔体Ⅰ浇入到所述低温熔体Ⅱ中搅拌，然后浇注成型，即得。
2.如权利要求1所述制备高硅铝合金的方法，其特征在于，所述高温熔体Ⅰ的质量m1和所述低温熔体Ⅱ的质量m2满足2≤m1：m2≤6。
3.如权利要求1所述制备高硅铝合金的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温熔体的基础合金的组成为Si35at.％～45at.％，余量为Al。
4.如权利要求1所述制备高硅铝合金的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述低温熔体的基础合金的组成为Si12at.％～20at.％，余量为Al。
5.如权利要求1所述制备高硅铝合金的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述复合变质剂，按高硅铝合金重量百分比计包括：RE0.01at.％～1at.％，P0.01at.％～0.1at.％；其中，所述P来自Al-12Si-5P中间合金，所述RE来自Al-10RE中间合金。
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