CN110904353A - 亚共晶铝硅合金的变质细化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其包括以下步骤：S₁、熔炼A356铝合金，将合金液的成分控制在标准范围内，其中Ti含量少于10ppm；S₂、进行变质处理，使合金熔体中的Sr含量为100～250ppm，B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中被处理的A356铝合金熔体含极少量Ti(少于10ppm)，一方面可避免Ti与Si元素反应形成的Ti‑Si二元合金相毒害熔体、降低细化效果。另一方面，由于不用额外添加含Ti细化剂，所以一定程度上可降低成本。

Description

亚共晶铝硅合金的变质细化方法

技术领域

本发明涉及铝合金熔炼与铸造技术领域，特别涉及一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法。

背景技术

在现有技术中，A356铝合金作为一种亚共晶铝硅合金，具有轻质、铸造性能好(例如流动性好、无热裂倾向、线膨胀系数小)、机械性能好(例如拉伸、冲击和疲劳强度高)及耐蚀性好等的综合优良特性，是中高档汽车轮毂和转向节的主要使用材料。

A356铝合金的典型铸态组织包括α-Al、共晶硅、含Fe相及Mg₂Si相等。其中，共晶硅是脆性相，在未变质前通常呈细长针状。其在外部载荷作用下易在其端部引起应力集中，严重影响合金的强度和塑性。参照AFS(美国铸造协会)根据硅相的形态和尺寸分为六级：1级(变质前，大片状+针状颗粒)、2级(片状，片状组织+针状颗粒)、3级(局部变质，片状组织开始被打断+针状颗粒)、4级(非片状,片状组织基本消失，基本没有针状颗粒)、5级(变质处理后，纤维颗粒，针状颗粒消失)和6级(最佳变质结果，组织极其细小的纤维共晶硅)，涉及到定量计算具体可用长度(length)、长短轴比(aspect ratio)、直径(diameter)和圆滑度(roundness)等综合评定。

另外，晶粒细化在铸造铝硅合金中虽然不如二次枝晶间距SDAS，对力学性能起着直接决定性的作用。但其可以改善抗热裂性、减少孔隙率、改善表面质量，间接对铸造性和塑性稳定性帮助至关重要。晶粒度可通过化学腐蚀进行宏观质量评定，AFS根据单位面积的晶粒数量大小分为6级：1级(极其细小，225μm)、2级(细小，400μm)、3级(中等，600μm)、4级(大，800μm)、5级(粗糙，1000μm)和6级(极其粗糙，2200μm)。另外，可采用彩色金相技术更容易分辨晶界从而计算准确。

通常，工业上使用Al-Sr二元合金(Al-10Sr、Al-15Sr等)形式添加100～300ppm的Sr进行变质处理。工业上通常使用Al-Ti-B三元合金(Al-5Ti-1B、Al-3Ti-3B等)形式添加10～30ppm进行细化。然而，Si含量在大于3％情况下会与Ti反应生成Ti-Si二元相，从而降低Al₃Ti和TiB₂的数量和效率，最终降低晶粒细化效果。在变形铝合金中，Ti含量5～100ppm即可实现晶粒充分细化，而铸造铝合金中则需要10倍的添加量。

因此，传统Al-5Ti-1B合金所提供的晶粒细化比相同条件下变形铝合金中的晶粒要粗。另外，当Sr和B同时使用时，若添加比例控制不当，Sr与B反应形成SrB6，同时降低变质和细化效果。

因此，本领域技术人员需要重新审视Si、Ti、Sr、B等相互作用，并且寻求发掘更加有效和便捷的变质细化方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中当Sr和B同时使用时，若添加比例控制不当，Sr与B反应形成SrB₆，同时降低变质和细化效果等缺陷，提供一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特点在于，所述亚共晶铝硅合金的变质细化方法包括以下步骤：

S₁、熔炼A356铝合金，将合金液的成分控制在标准范围内，其中Ti含量少于10ppm；

S₂、进行变质处理，使合金熔体中的Sr含量为100～250ppm，B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂包括：

S₂₁、保持熔体范围在680～780℃范围内，将Al-Sr二元合金加入到熔体中，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀；

S₂₂、通Ar气进行精炼除气，精炼后静置10～20min；

S₂₃、扒去浮渣。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂还包括：

S₂₄、保持熔体在680～780℃范围内，将Al-B二元合金加入熔体中，搅拌熔体使B溶解充分并分布均匀。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂还包括：

S₂₅、保持熔体在680～780℃范围内，将熔体浇注成型为零件或铸坯。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂中的所述Sr含量以Al-Sr二元合金形式加入，所述B含量以Al-B二元合金形式加入。

根据本发明的一个实施例，所述变质细化方法采用所述Al-Sr二元合金作为变质剂，采用所述Al-B二元合金作为细化剂。

根据本发明的一个实施例，所述A356铝合金中的Si含量为6.5～7.5％。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₁包括：往熔炼设备中按重量投入A356铝合金，待其完全熔化后控制各合金元素成分；

保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具中成铸锭。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂₂中Ar气的通气时间为20～40min。

根据本发明的一个实施例，所述Al-Sr二元合金为Al-10Sr中间合金，所述Al-B二元合金为Al-5Ti-1B合金或Al-3B合金。

本发明的积极进步效果在于：

本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法具有如下诸多优点：

一、被处理的A356铝合金熔体中含极少量Ti(少于10ppm)，一方面可避免Ti与Si元素反应形成的Ti-Si二元合金相毒害熔体、降低细化效果。另一方面，由于不用额外添加含Ti细化剂，所以一定程度上可降低成本。

二、采用Al-B二元合金替代传统的Al-Ti-B三元合金实质上是以AlB2替代Al₃Ti+TiB₂作为细化晶核，可获得更佳的晶粒细化效果，从而获得更好的力学性能。此外，由于AlB₂密度比TiB₂小，所以其在铝液中下沉速度要小，所以维持铝液细化效果时间更长。

三、采用Al-Sr二元合金作为变质剂，与Al-B细化剂相配合并按比例使用，不会出现毒害铝液导致变质度下降，从而最终可获得变质、细化俱佳的效果，可满足砂型铸造、金属型铸造和半连续铸造等多种生产工艺的要求。

四、采用的变质细化方法，只是对传统方法的革新，并不会增加成本和额外工艺措施。采用的变质剂和细化剂也是常用的，不含贵重元素和有害元素，易于购买、易于操作。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中合金熔体中Ti、Sr和B元素含量的控制示意图。

图2为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中未变质的A256铝合金铸锭显微组织的示意图。

图3为常规方法未控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的显微组织的示意图。

图4为常规方法未控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的宏观组织的示意图。

图5为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的显微组织的示意图。

图6为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的宏观组织的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中合金熔体中Ti、Sr和B元素含量的控制示意图。

如图1所示，本发明公开了一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其包括以下步骤：

步骤S₁、熔炼A356铝合金，将合金液的成分控制在标准范围内，其中Ti含量少于10ppm。

优选地，所述步骤S₁包括：往熔炼设备中按重量投入A356铝合金，待其完全熔化后控制各合金元素成分；保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具中成铸锭。

步骤S₂、进行变质处理，使合金熔体中的Sr含量为100～250ppm，B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。通常优选地采用Al-Sr二元合金和Al-B二元合金对其进行变质处理。

优选地，所述步骤S₂还包括：

步骤S₂₁、保持熔体范围在680～780℃范围内，将Al-Sr二元合金加入到熔体中，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀。

步骤S₂₂、通Ar气进行精炼除气，精炼后静置10～20min。其中Ar气的通气时间优选为20～40min。

步骤S₂₃、扒去浮渣。

进一步优选地，所述步骤S₂还包括：

步骤S₂₄、保持熔体在680～780℃范围内，将Al-B二元合金加入熔体中，搅拌熔体使B溶解充分并分布均匀。

此处，所述变质细化方法采用所述Al-Sr二元合金作为变质剂，采用所述Al-B二元合金作为细化剂。所述Al-Sr二元合金优选为Al-10Sr中间合金，所述Al-B二元合金优选为Al-5Ti-1B合金或Al-3B合金。

进一步优选地，所述步骤S₂还包括：

步骤S₂₅、保持熔体在680～780℃范围内，将熔体浇注成型为零件或铸坯。

其中，所述步骤S₂中的所述Sr含量优选为以Al-Sr二元合金形式加入，，加入量为100～250ppm。所述B含量优选为以Al-B二元合金形式加入，B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。

此处，所述A356铝合金中的Si含量优选为6.5～7.5％。

本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中Al-Sr二元合金主要起变质作用，Al-B二元合金主要起细化晶粒作用。本发明通过控制初始铝液含Ti量、添加变质剂、添加细化剂、控制精炼、搅拌、在线除气等工序的处理次序、温度和时间等工艺参数，并控制熔体中Sr、B的比例，可以有效避免Si和Ti之间、Sr和B之间的相互毒化作用，有效减少熔体中的氢含量，减少铸件的气孔和缩松等缺陷，同时铸件表面质量佳。经本发明的方法处理亚共晶铝硅合金熔体，在铸造温度680～780℃范围内，获得的铸锭组织的共晶硅呈细小的纤维状，α-Al晶粒细小，并将铸锭针孔、气孔、缩松等缺陷控制在合理范围内。

根据上述针对本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法的描述，现例举几个具体的实施例进行进一步地解释说明：

如图1所示，对亚共晶铝硅合金的变质细化处理，选用工业A356铝合金I和合金II。其中，Si含量为6.5～7.5％，详细化学成分表见表1，合金A未特别控制Ti含量，合金B对Ti含量进行了严格控制。

表1两种工业A356铝合金的主要化学成分

工业A356铝合金I的变质细化处理过程为：采用5Kg电阻炉作为熔炼设备，先往坩埚中按重量投入A356铝合金A，待其完全熔化后控制各合金元素成分。保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具(其冷却速度优选为5℃/s)中成铸锭。

图2为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中未变质的A256铝合金铸锭显微组织的示意图。其内部显微组织如图2所示，未变质的A356铝合金铸锭显微组织照片，共晶硅呈细长针状。然后，加入Al-10Sr中间合金，使熔体中的Sr含量为100～250ppm，搅拌均匀。在熔体中通入高纯(大于99.99％)Ar气体进行精炼除气，通气时保持熔体温度为680～780℃，通气时间优选为20～40min。除气后静置10min后扒去浮渣。加入0.1％的Al-5Ti-1B合金，保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具(冷却速度5℃/s)中成铸锭。

工业A356铝合金II的变质细化处理过程为：采用5Kg电阻炉作为熔炼设备，先往坩埚中按重量投入A356铝合金B，待其完全熔化后控制各合金元素成分。保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具(冷却速度优选为5℃/s)中成铸锭。

图2为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中未变质的A256铝合金铸锭显微组织的示意图。其内部显微组织如图2所示，其内部显微组织也如与图2几乎完全相同，共晶硅呈细长针状。

然后，加入Al-10Sr中间合金，使熔体中的Sr含量为100～250ppm，搅拌均匀。在熔体中通入高纯(大于99.99％)Ar气体进行精炼除气，通气时保持熔体温度为680～780℃，通气时间20～40min；除气后静置10min，扒去浮渣；加入Al-3B合金，使熔体中的B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具(冷却速度5℃/s)中成铸锭。

上述过程获得的各批次实验的Ti、Sr和B含量以及实验结果如表2中编号为1～6的实验。此处，共晶硅变质级别及晶粒度级别参考美国铸造协会AFS发布的亚共晶铝硅合金显微组织控制标准。

图3为常规方法未控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的显微组织的示意图。图4为常规方法未控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的宏观组织的示意图。

如图3和图4所示，利用工业A356铝合金I进行表2中实验编号2的工艺验证，所获得显微组织和宏观组织分别见图3和图4。在采用常规方法未控制初始Ti含量情况下，Ti含量为1192ppm，在与152ppm的Sr和7ppm的B相互作用下，其变质度达到4级，片状组织基本消失，基本没有针状颗粒。同时，其平均晶粒尺寸约为688μm，晶粒度评级为3.5级。

图5为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的显微组织的示意图。图6为本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法中控制Ti含量的A356铝合金，经Al-Sr和Al-Ti-B合金处理的宏观组织的示意图。

如图5和图6所示，利用工业A356铝合金II进行表2中实验编号6的工艺验证，所获得显微组织和宏观组织分别见图5和图6。在采用本专利的方法控制初始Ti含量情况下，Ti含量仅为7ppm，在与200ppm的Sr和152ppm的B相互作用下，其变质度同样可达到4级，并未出现Sr-反应B毒化变质的现象。同时，其平均晶粒尺寸约为288μm，晶粒度评级为1.4级，细化效果显著。

因此，采用本发明所用的变质细化方法，控制初始A356铝锭中的Ti含量以及细化剂中的Ti含量，可避免Ti-Si反应毒化熔体，在获得相同变质程度的同时，显著细化晶粒尺寸。

表2不同Ti、Sr和B含量对铸造组织的影响

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细证明，结果均满足要求且力学性能远超同状态下的A356铝合金。当然，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

综上所述，本发明亚共晶铝硅合金的变质细化方法具有如下诸多优点：

一、被处理的A356铝合金熔体中含极少量Ti(少于10ppm)，一方面可避免Ti与Si元素反应形成的Ti-Si二元合金相毒害熔体、降低细化效果。另一方面，由于不用额外添加含Ti细化剂，所以一定程度上可降低成本。

二、采用Al-B二元合金替代传统的Al-Ti-B三元合金实质上是以AlB₂替代Al₃Ti+TiB₂作为细化晶核，可获得更佳的晶粒细化效果，从而获得更好的力学性能。此外，由于AlB₂密度比TiB₂小，所以其在铝液中下沉速度要小，所以维持铝液细化效果时间更长。

三、采用Al-Sr二元合金作为变质剂，与Al-B细化剂相配合并按比例使用，不会出现毒害铝液导致变质度下降，从而最终可获得变质、细化俱佳的效果，可满足砂型铸造、金属型铸造和半连续铸造等多种生产工艺的要求。

四、采用的变质细化方法，只是对传统方法的革新，并不会增加成本和额外工艺措施。采用的变质剂和细化剂也是常用的，不含贵重元素和有害元素，易于购买、易于操作。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述亚共晶铝硅合金的变质细化方法包括以下步骤：

S₁、熔炼A356铝合金，将合金液的成分控制在标准范围内，其中Ti含量少于10ppm；

S₂、进行变质处理，使合金熔体中的Sr含量为100～250ppm，B含量为100～200ppm，Sr和B的质量比值为1～2。

2.如权利要求1所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₂包括：

S₂₁、保持熔体范围在680～780℃范围内，将Al-Sr二元合金加入到熔体中，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀；

S₂₂、通Ar气进行精炼除气，精炼后静置10～20min；

S₂₃、扒去浮渣。

3.如权利要求2所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₂还包括：

S₂₄、保持熔体在680～780℃范围内，将Al-B二元合金加入熔体中，搅拌熔体使B溶解充分并分布均匀。

4.如权利要求3所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₂还包括：

S₂₅、保持熔体在680～780℃范围内，将熔体浇注成型为零件或铸坯。

5.如权利要求1所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₂中的所述Sr含量以Al-Sr二元合金形式加入，所述B含量以Al-B二元合金形式加入。

6.如权利要求5所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述变质细化方法采用所述Al-Sr二元合金作为变质剂，采用所述Al-B二元合金作为细化剂。

7.如权利要求1所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述A356铝合金中的Si含量为6.5～7.5％。

8.如权利要求1所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₁包括：往熔炼设备中按重量投入A356铝合金，待其完全熔化后控制各合金元素成分；

保持熔体温度为680～780℃，将熔体浇入提前预热的钢制模具中成铸锭。

9.如权利要求2所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述步骤S₂₂中Ar气的通气时间为20～40min。

10.如权利要求4所述的亚共晶铝硅合金的变质细化方法，其特征在于，所述Al-Sr二元合金为Al-10Sr中间合金，所述Al-B二元合金为Al-5Ti-1B合金或Al-3B合金。

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