CN111378887A - 硅铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硅铝合金及其制备方法，硅铝合金按重量百分比硅占55‑90%，余量为铝。该方法包括：将金属铝或者铝液加入到容器中，其中，铝液的温度为700‑800℃；将半金属硅原材料加入到熔融的铝液中，加炉盖、抽真空、通氩气使得磁感应电炉内部处于正压状态，用石墨搅拌头搅拌；通电加热升温，使金属铝或铝液升温至1000℃以上，熔融，并保持温度在1000~1500℃之间；合金化完成后，冷却至1000℃以下，打开炉盖，将硅铝合金倾倒流入相应的模具中，冷却成型。相对于现有技术，采用本发明制备得到的硅铝合金中硅（大部分）与铝充分完全合金化，实现了硅铝合金中的硅和铝的先行充分合金化，并克服了在硅铝合金生产过程中可能产生的亚共晶硅相出现的现象。

Description

硅铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅铝合金及其制备技术领域，尤其涉及一种硅铝合金及其制备方法。
背景技术
在铝合金材料(无论是航空用铝板、罐料用铝板及PS版基用铝板还是各类铝型材或者铝材铸件等)的生产加工过程中，通常需要向熔融的铝熔体(温度一般控制在740-750℃之间)中加入半金属硅元素，使得半金属硅和铝形成均匀弥散的铝硅合金金属间化合物，以显著提高铝材的强度等物理性能指标。但是，由于金属硅的熔点为1246℃，而铝熔体的熔炼过程温度控制一般是740-750℃之间，为了将金属硅快速溶入到铝熔体中并使其和铝形成金属间化合物(铝硅金属间化合物)，目前主要有如下几种方式：
第一种方式是向铝熔体中加入计算量的硅元素添加剂，这种硅元素添加剂俗名为速溶硅，这种硅添加剂是由经过机械加工方式破碎的硅粉或者一定形状的硅颗粒和经过机械加工方式破碎的氟铝酸钾(KAlF4，俗称PAF)经物理方法均匀混合而成(硅含量一般控制在95％或者更低，余量为氟铝酸钾(KALF4))后投入到金属铝液中，由于PAF的助熔作用，使得金属硅能够快速的熔解进入到铝液中并和铝形成金属间化合物(合金)，但由于PAF的主要成分含有氟元素(F)，导致在生产过程中由于氟元素(F)的挥发和清理(精炼)造成环境污染。这种速溶硅在铝材制造的使用过程中还存在两个缺陷：1、不能保证硅和铝完全合金化形成金属间化合物(由于铝材生产过程熔炼温度一般控制在800度以下)，从而导致由于部分硅处于单质状态在加工成铝材后在铝材的表面产生亮晶(硅)的现象；2、由于原材料硅中钙含量较高，而金属钙的熔点又太低，所以在铝板(铝材的品种之一)的轧制过程中可能出现慢凝区域并导致粘辊。
第二种方式是向铝熔体中加入计算量的硅剂(铝硅合金，硅含量控制在10～20％之间，余量为铝)目前流行使用的硅剂常用的规格有铝硅10、铝硅12及铝硅20，硅含量在10％至20％之间，余量为铝，其中，AlSi10中硅含量为10％，余量为铝；AlSi12中硅含量为12％，余量为铝；AlSi15中硅含量为15％，余量为铝；AlSi20中硅含量为20％，余量为铝，作为铝材生产过程中硅元素的添加剂，铝硅10至铝硅20在生产过程中，控制的生产温度是700-1000℃之间，其生产过程是先将铝于700-800℃之间熔化，然后加入计算量的单质硅和助熔剂PAF，然后将温度升至最高1000℃左右，这样产出的铝硅合金存在以下多种使用缺陷：1.单质硅大部分以溶解形式弥散在铝硅合金中，并没有和铝形成或者完全形成金属间化合物。2.可能产生亚共晶硅相出现的现象，这种亚共晶硅相具备遗传性，可以在下游铝材生产过程中存在并均匀弥散在铝材体内，亚共晶硅相的存在会导致铝材生产过程中产生不可预测的粗晶现象，此外，这种AlSi10～20(硅含量为10～20％，余量为铝)的铝材生产用的硅元素添加剂在生产过程中还存在一个钙元素偏高的缺陷，这种缺陷的存在会导致下游生产的铝材因表面氧化而发乌，铝材内部产生不规则的针孔或者因局部表面氧化产生黑点，还有一种情况是在铝板生产轧制过程中会出现粘辊现象。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种硅铝合金及其制备方法，旨在实现硅铝合金中的硅和铝的先行充分合金化，并克服在硅铝合金生产过程中可能产生的亚共晶硅相出现的现象。
为实现上述目的，本发明提出一种硅铝合金，所述硅铝合金由金属硅和铝组成，所述硅铝合金按重量百分比包括硅55-90％，余量为铝和杂质。
该硅铝合金是由金属硅和金属铝在高温状态下形成的金属间化合物。
该硅铝合金可以是不定形状的块状的、片状的、粉状的，无论是块状的、片状的、粉状的产品，其规格都可以制定相应的标准加以限制。
为实现上述目的，本发明还提出一种硅铝合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，将金属铝或者铝液加入到容器中，其中，所述铝液的温度为700-800℃；
步骤S2，将金属硅原材料(硅片、硅块或者硅粉或者硅片与硅块和硅粉的混合物)加入到熔融的铝液中，加炉盖、抽真空、通氩气，使得磁感应电炉内部处于正压状态，用石墨搅拌头搅拌；
步骤S3，通电加热升温，使金属铝或铝液升温至1000℃以上，熔融，并保持温度在1000～1500℃之间，用石墨搅拌头搅拌时间为30分钟至2小时之后，停电，降温至800～900℃之间恒温30分钟后再升温至1000～1500℃之间，用石墨搅拌头搅拌时间为30分钟至1小时。
步骤S4，合金化完成后，降温至1000℃，浇铸成锭状、片状或破碎成一定要求的粉状材料。用这种二次升温工艺形成的硅铝合金中未合金化单质硅的比例呈明显下降态势，并且这种硅铝合金在铝材加工过程中的熔融铝液中硅的吸收速度呈快速增长态势。
本发明进一步的技术方案是，所述容器为置于真空磁感应电炉中的坩锅，或者置于真空电阻炉的坩锅，或者加入有保护熔剂的非真空加热容器。
本发明进一步的技术方案是，所述感应电炉的频率为800～1200Hz。
本发明进一步的技术方案是，所述金属硅原材料为硅粉、硅片或者块状不定形硅、或者硅粉、硅片或者块状不定形硅的混合物。
本发明进一步的技术方案是，所述步骤S3中，用石墨搅拌头搅拌时间为30分钟至2小时，并停电，降温至800～900℃之间恒温30分钟后再升温至1000～1500℃之间，用石墨搅拌头搅拌时间为30分钟至1小时。
本发明进一步的技术方案是，所述硅铝合金的生产方法包括但不限于用真空磁感应电炉的方式生产，亦可以用真空电阻炉内衬不同材料的坩埚，亦可以用非真空的方式选择合适的保护熔剂以隔绝空气的其它加热方式生产。
本发明进一步的技术方案是，所述步骤S4之后还包括：
将所述硅铝合金浇筑成各种类型的块状、片状、或者按规定要求不同直径的粉状，作为硅元素添加剂添加到铝合金材料熔炼制备过程中，以提升所制造铝材的强度及其它物理性能指标。
本发明硅铝合金及其制备方法的有益效果是：
相对于现有产品，采用本发明制备得到的硅铝合金中硅的大部分与铝充分完全合金化，并克服了在铝硅合金(硅含量10～20％)生产过程中可能产生的亚共晶硅相出现的现象，并且这种硅铝合金中杂质钙的含量很低或者几乎为零。免除了由于钙存在进入铝熔体后对成品铝材加工完成后所造成的各类缺陷。
附图说明
图1是一次升温时AlSi55的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图2是二次升温时AlSi55的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图3是一次升温时AlSi60的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图4是二次升温时AlSi60的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图5是一次升温时AlSi65的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图6是二次升温时AlSi65的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图7是一次升温时AlSi70的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图8是二次升温时AlSi70的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图9是一次升温时AlSi75的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图10是二次升温时AlSi75的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图11是铝硅10的金相图；
图12是铝硅55的金相图；
图13是铝硅60的金相图；
图14是铝硅65的金相图；
图15是铝硅70的金相图；
图16是铝硅75的金相图；
图17是本发明硅铝合金的制备方法较佳实施例的流程示意图；
图18是磁感应电炉的结构示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现硅铝合金中的硅和铝充分合金化，提升硅铝合金添加剂在硅铝合金型材加工过程中硅的吸收率和吸收速度，并降低环境污染，本发明提出一种硅铝合金(俗称硅铝合金)，所述硅铝合金由铝、硅组成，所述硅铝合金按重量百分比包括硅55-90％，余量为铝和杂质。
其中，所述硅所占重量百分比例如可以为55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％，对应的硅铝合金可以表示为AlSi55、AlSi60、AlSi65、AlSi70、AlSi75、AlSi80、AlSi85、AlSi90。
可以理解的是，本发明所提出的硅铝合金主要用于铝合金材料生产过程中的元素硅的添加剂使用。需要特别指出的是，这种硅铝合金产品其杂质应该有所限制，比如铁或锰含量不应该大于0.5％，钙的含量应低于0.02％，并且氧化铝和氧化锰的合量不应该大于0.5％等。
该硅铝合金是由金属硅和金属铝在高温状态下形成的金属间化合物。
该硅铝合金可以是不定形状的块状的、片状的、粉状的，无论是块状的、片状的、粉状的产品，其规格都可以制定相应的标准加以限制。
本实施例中，金属硅和金属铝在高温熔融时生成金属间化合物Al9Si和Si单质，其中，硅铝物相图请参照图1至16，其中，图11至图16中，铝液为750℃，加入各种类型的硅铝合金添加剂(有纯单质硅、AlSi10、AlSi55、AlSi60、AlSi65、AlSi70、AlSi75)，精确控制Si含量为1％，20分钟充分搅拌完全吸收后铝材的金相组织结构图。结合图1至图10中一次升温、二次升温对比比衍射图可知，二次升温工艺与一次升温工艺比较，所产出的硅铝合金中单质硅的峰值显著降低。
图1是一次升温时AlSi55的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图2是二次升温时AlSi55的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图3是一次升温时AlSi60的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图4是二次升温时AlSi60的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图5是一次升温时AlSi65的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图6是二次升温时AlSi65的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图7是一次升温时AlSi70的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图8是二次升温时AlSi70的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图9是一次升温时AlSi75的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图10是二次升温时AlSi75的衍射图，其中，主物相是Si、Al9Si；
图11是铝硅10的金相图；
图12是铝硅55的金相图；
图13是铝硅60的金相图；
图14是铝硅65的金相图；
图15是铝硅70的金相图；
图16是铝硅75的金相图。
本发明提出的硅铝合金与目前流行的硅元素添加剂相比较，实现了硅铝合金中的硅和铝的先行充分合金化，并克服了在目前流行的铝硅(硅含量10～20％)合金生产过程中可能产生的亚共晶硅相出现及在铝材加工中的遗传现象。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上所述的硅铝合金的制备方法。
请参照图17，图17是本发明硅铝合金的制备方法较佳实施例的流程示意图。
如图17所示，本实施例中，该硅铝合金的制备方法包括以下步骤：
步骤S1，将金属铝或者铝液加入到容器中，其中，所述铝液的温度为700-800℃。
其中，该容器可以采用如图18所示的置于磁感应电炉内的坩埚3。该磁感应电炉包括有炉盖1、磁感应电炉外壳2、抽真空口5、测压力口6、通氩气口7、测温度口8，其中所述磁感应电炉外壳2为铁材料，置于所述磁感应电炉内的坩锅3的外周设置有铜磁感应线圈4(空心，内部通冷却水)，该坩锅3可以是碳化硅坩埚、石墨坩埚、粘土坩埚或者其它耐火材料，比如：石英砂、氧化镁、氧化铝等捣炉料锤打而形成的感应电炉用的盛取金属炉液的坩埚。
其中，该磁感应电炉的频率可以选用800～1200Hz。
在其他实施方式中，该容器也可以用真空电阻炉内衬不同材料的坩埚，亦可以用非真空的选择合适保护熔剂以隔绝空气的其它加热方式。
步骤S2，将半金属硅原材料加入到熔融的铝液中，加炉盖、抽真空、通氩气，使感应电炉内部处于正压状态，用石墨搅拌头搅拌。
步骤S3，通电加热升温，使金属铝或铝液升温至1000℃以上，熔融，并保持温度在1000～1500℃之间，例如1000℃、或者1250℃、1350℃或者1500℃，过程中金属铝和硅形成金属间的化合物，得到硅铝合金，合金化过程所需时间为30分钟至2小时之间。
其中，所述金属硅原材料可以为硅粉、硅片或者硅块、或者硅粉和硅片及硅块的混合物。
本实施例中，用石墨搅拌头搅拌的搅拌时间可以根据实际需求进行设定为30分钟至2小时，例如0.5小时、或者1.25小时、或者2小时。
可以理解的是，整个合金化过程时间需求一般性的控制在30分钟至2小时的范围，可以保证尽可能的使金属硅和铝形成金属间的化合物，从而得到合格的完全合金化的硅铝合金，避免少量的金属氧化物(氧化硅或氧化铝)产生。
步骤S4，合金化完成后，冷却至1000℃以下，打开炉盖，将硅铝合金倾倒流入相应的模具中，冷却成型。
此外，作为一种实施方式，所述步骤S4之后还可以包括：
将所述硅铝合金浇筑成不定形的块状、或者片状、或者以机械破碎方式加工成粉状，作为硅元素添加剂以计算量方式精确添加到铝合金材料的冶炼制备过程中。该硅铝合金可以是不定形状的块状的、片状的、粉状的，无论是块状的、片状的、粉状的产品，其规格都可以制定相应的标准加以限制。
该铝合金材例如为铝合金板、铝合金管、带、或者铝镁合金、铸造铝轮毂等等。
本发明硅铝合金及其制备方法的有益效果是：相对于现有技术，采用本发明制备得到的硅铝合金中硅与铝充分完全合金化，实现了硅铝合金中的硅和铝的先行充分合金化，并克服了在铝硅(硅含量10～20％)合金生产过程中可能产生的亚共晶硅相出现以及金属钙残留的现象。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种硅铝合金，其特征在于，所述硅铝合金由金属铝和硅组成，所述硅铝合金按重量百分比包括硅占比55-90％，余量为铝和杂质。
2.如权利要求1所述的硅铝合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，将金属铝或者铝液加入到容器中，其中，所述铝液的温度为700-800℃；
步骤S2，将半金属硅原材料加入到熔融的铝液中，加炉盖、抽真空、通氩气，使得磁感应电炉内部处于正压状态，用石墨搅拌头搅拌；
步骤S3，通电加热升温，使金属铝或铝液升温至1000℃以上，熔融，并保持温度在1000～1500℃之间，过程中金属铝和硅大部分形成金属间的化合物，合金化过程所需时间为30分钟至2小时之间；
步骤S4，合金化完成后，冷却至1000℃以下，打开炉盖，将硅铝合金倾倒流入相应的模具中，冷却成型。
3.根据权利要求2所述的硅铝合金的制备方法，其特征在于，所述容器为置于磁感应电炉中的坩锅，或者置于真空电阻炉中的坩锅，或者加入有保护熔剂的非真空可加热容器。
4.根据权利要求3所述的硅铝合金的制备方法，其特征在于，所述感应电炉的频率为800～1200Hz。
5.根据权利要求2所述的硅铝合金的制备方法，其特征在于，所述半金属硅原材料为硅粉、硅片或者不定形块状硅或者硅粉和硅片、不定形块状硅的混合物。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，用石墨搅拌头搅拌时间为30分钟至2小时。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：
将所述硅铝合金浇筑成各种类型的块状、片状、或者按规定要求破碎成不同直径的粉状，作为硅元素添加剂添加到铝合金材料熔炼制备过程中，以增加所制造铝材的物理性能。
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