CN110273087A - 调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法；该方法将在共晶铝硅合金铸件制备过程中，在熔体中引入亚微米第二相微粒制备颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料，当除渣除气后的颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料温度冷却到液相线温度以上20~30℃时，熔体进行过流冷却处理，通过半固态成形获得微观组织均匀且强韧化的铸件；本发明将第二相强化和过流冷却处理结合在一起，实现颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料铸件整体性能均一性与强韧性的协同优化；该方法操作方便，成本较低，具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种调控过共晶铝硅合金铸件整体性能均一性与强韧性的方法，属于颗粒增强铝基复合材料成形领域。
背景技术
过共晶铝硅合金（12~25% Si）具有较低的热膨胀系数(接近铸铁)，较高的热疲劳性能、高温耐磨性能及耐蚀性能等优点，能够满足高温条件下高强度、高尺寸稳定性及高速摩擦工况的要求，国内外已陆续将该类材料用于发动机中的活塞、缸套及缸体等。
但是，初生硅相形核、长大对形核基底及冷却速率敏感性较高，合金熔体凝固、充型过程中所处的复杂温度场、浓度场及流场极易影响初生硅相的尺寸及均匀性，导致复杂结构铸件各位置性能均一性较低；并且初生硅相内部存在较多缺陷，是微裂纹萌发的源头，造成该系列合金脆性大，韧性低；可见，过共晶铝硅合金难以保证性能均一性及较低的强韧性，极大程度限制了其高品质复杂结构压铸、挤压铸造件的开发。由此，调控微观组织中物相特别是初生硅相分布均匀性以及合金强韧化，成为获得高强韧压铸、挤压铸造件的难点和研究热点，是亟需解决的共性科学问题。
发明内容
针对现有技术中存在的性能不均一、强韧性低等问题，本发明提供一种调控过共晶铝硅合金铸件整体性能均一性与强韧性的方法，将第二相强化和过流冷却处理技术结合起来，可以有效解决过共晶铝硅合金中微观组织分布不均匀、强韧性低等问题，提高铸件的使用性能和服役寿命。
本发明方法是在传统共晶铝硅合金铸件制备过程中，在熔体中引入亚微米第二相微粒制备颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料，当除渣除气后的增强过共晶铝硅合金复合材料温度冷却到液相线温度以上20~30℃时，对熔体进行过流冷却处理，通过半固态成形获得微观组织均匀且强韧化的铸件。
本发明方法将第二相强化和过流冷却处理技术结合起来，初生硅在激冷条件下爆发形核，固液界面的迅速推进有利于初生硅相捕捉液相中的第二相粒子，由于第二相粒子与初生硅热膨胀系数不同引起位错强化，第二相粒子阻碍位错的运动导致材料的屈服强度显著提高，通过引入第二相粒子在颗粒与基体周围产生残余应力场会引起裂纹偏转，增加裂纹的扩展路径，达到材料强、韧化协同提升的作用，提高铸件的使用性能和服役寿命。
上述方法的具体步骤如下：
（1）将铝硅合金原料置于电阻炉中熔化，在熔体温度达到并保持在850-900℃时，将亚微米第二相微粒通过惰性气体引入熔池中与熔体混合，搅拌制得颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料，其中亚微米第二相微粒的添加量为熔体质量的1%-12%；
（2）对颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料进行除渣除气，随后将复合材料温度冷却到液相线温度以上20-30℃时，进行过流冷却处理，处理后的浆料进行半固体成形，即获得微观组织均匀且强韧化的铸件。
所述亚微米第二相微粒为亚微米级的TiB2、ZrB2、Al2O3、SiC等陶瓷增强相。
所述过流冷却处理是采用长度为200-400mm，内部通冷却水的钢质倾斜板进行过流冷却，增强过共晶铝硅合金复合材料沿倾斜角度为30-60°的倾斜板流下，形成半固态浆料。
所述机械搅拌时间为50~60 min，以保证原位反应完全，减少颗粒团聚。
所述倾斜板与待冷却复合材料的接触面用石墨润湿。
本发明的优点和技术效果：
（1）本发明通过将第二相强化和过流冷却处理技术结合，实现了材料强、韧化的协同提升，初生硅在激冷条件下爆发形核，固液界面的迅速推进有利于初生硅相捕捉液相中的第二相粒子，由于第二相粒子与初生硅热膨胀系数不同引起应力集中诱发位错，第二相粒子阻碍位错的运动导致材料的屈服强度显著提高，第二相粒子弥散在液相中会增加液相的粘度，提高对初生硅的粘滞力，有效改善了过共晶铝硅合金中的固液分离现象，通过引入第二相粒子在颗粒与基体周围产生残余应力场会引起裂纹偏转，增加裂纹的扩展路径；
（2）本发明通过第二相微粒的引入，改变熔体的粘度，提高液相对初生硅相的粘滞力，从而降低充型过程中固液两相之间的速度与方向偏差，改变合金中初生硅相的分布；有效的解决过共晶铝硅合金中组织尺寸及分布不均匀，各位置性能差异大等缺点；
（3）本发明通过倾斜板进行过流冷却处理能够调控过流冷却效果，过流冷却的高冷速和剪切作用对过共晶合金熔体中初生硅相形核的促进，起到了组织细化和均匀化的目的，削弱了液态合金铸造充型过程中因模具型腔内温度场不均匀而造成的微观组织偏析。
附图说明
图1是本发明的过流冷却处理倾斜板及使用示意图，图中：1-进水口，2-出水口，3-倾斜板，4-复合材料；
图2是本实施例1制得的铸件与直接挤压成型铸件的金相组织示意图，其中a图为直接挤压成型的Al-20%Si合金铸件，b图为1%ZrB2/Al-20%Si复合材料；
图3为铸件力学性能测试结果示意图；
图4是是本实施例2制得的铸件与直接挤压成型铸件的金相组织示意图，其中a图为直接挤压成型的A390合金铸件，b图为6% TiB2/A390复合材料；
图5铸件力学性能测试结果示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本实施例制备的ZrB2增强过共晶铝硅合金复合材料组成为1%原位自生ZrB2微粒（500nm~3μm），基体为Al~20%Si，液相线温度706℃，具体步骤如下；
1、按摩尔比1:2的比例，将纯度为99.9%的K2ZrF6和纯度99.9%为KBF4 充分混合，然后在200℃下进行脱水处理；
2、按质量比4:1的比例，将纯度99.7%的工业纯 Al和纯度98%的冶金硅置于电阻炉中熔化，在熔体温度达到并保持在850℃时，将步骤1的氟盐通过惰性气体从熔池底部吹粉送入熔池中，氟盐的添加量为熔体质量的2%，在500r/min下剧烈机械搅拌50min制备颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料；
3、在复合材料中加入C2Cl6进行除渣除气，待复合材料温度冷却到736℃时对合金进行过流冷却处理，将复合材料4流过倾斜角度45°、长度为300mm、内部通冷却水的倾斜板3（图1，图中倾斜板上设置有进水口1、出水口2），形成半固态浆料；
4、将经过过流冷却的半固态浆料进行挤压铸造得到铸件。
对所得铸件进行金相组织观察和力学性能测试，并与直接挤压成型的Al-20%Si合金铸件进行对比，结果如图2、3所示，从图2可以看出经过过冷流处理的1% ZrB2/Al-20%Si复合材料中初生硅分布比Al-20%Si合金中均匀，从图3可以看出复合材料的抗拉强度和延伸率分别提高了48.2%和21.7%，具有较高的强韧性。
实施例2：本实施例制得的TiB2增强过共晶铝硅合金复合材料的组成为6%原位自生TiB2微粒（80nm~1μm），基体为Al-17%Si-4Cu-0.4Mg合金（A390合金），液相线温度700℃；
1、按摩尔比1:2的比例，将纯度为99.9%的K2TiF6和纯度99.9%为KBF4 充分混合，然后在200℃下进行脱水处理；
2、将A390合金放在电阻炉中熔化，在熔体温度达到并保持在850℃时，将步骤1的氟盐通过惰性气体从熔池底部吹粉送入熔池中，氟盐的添加量为熔体质量的11%，在500r/min下剧烈机械搅拌50min制备颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料；
3、在复合材料中加入C2Cl6进行除渣除气，待复合材料温度冷却到730℃时对合金进行过流冷却处理，将复合材料流过倾斜角度30°、长度为300mm、内部通冷却水的倾斜板（图1），形成半固态浆料；
4、将经过过流冷却的半固态浆料进行挤压铸造得到铸件。
对所得铸件进行金相组织观察和力学性能测试，并与挤压成型的A390合金合金铸件进行对比，结果如图4所示，由图4可知，经过过冷流处理的含6%TiB2的A390合金复合材料中初生硅分布很均匀，由图5可知复合材料的抗拉强度和延伸率相比于A390合金合金分别提高了16.7%和62.3%，具有更高的强韧性。
Claims (6)
1.一种调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于：在共晶铝硅合金铸件制备过程中，在熔体中引入亚微米第二相微粒制备颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料，当除渣除气后的颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料温度冷却到液相线温度以上20~30℃时，熔体进行过流冷却处理，通过半固态成形获得微观组织均匀且强韧化的铸件。
2.根据权利要求1所述的调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将铝硅合金原料置于电阻炉中熔化，在熔体温度达到并保持在850-900℃时，将亚微米第二相微粒通过惰性气体引入熔池中与熔体混合，搅拌制得颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料，其中亚微米第二相微粒的添加量为熔体质量的1%-12%；
（2）对颗粒增强过共晶铝硅合金复合材料进行除渣除气，随后将复合材料温度冷却到液相线温度以上20~30℃时，进行过流冷却处理，处理后的浆料半固态成形，即获得微观组织均匀且强韧化的铸件。
3.根据权利要求2所述的调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于：亚微米第二相微粒为亚微米级的TiB2、ZrB2、Al2O3或SiC。
4.根据权利要求2所述的调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于：过流冷却处理是采用长度为200-400mm，内部通冷却水的钢质倾斜板进行过流冷却，增强过共晶铝硅合金复合材料沿倾斜角度为30-60°的倾斜板流下，形成半固态浆料。
5.根据权利要求2所述的调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于：搅拌时间为50-60 min。
6.根据权利要求2所述的调控过共晶铝硅合金铸件整体性能的方法，其特征在于：倾斜板与待冷却复合材料的接触面用石墨润湿。
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