CN111763837B - 一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，涉及金属铸造技术领域。首先通过高功率的电阻坩埚炉对过共晶铝硅合金进行熔炼，采用热电偶和可控硅温控仪对熔体进行控温，熔清后进行除气去渣精炼处理。随后进行低温熔体处理：先断电开炉盖自然冷却，接近设定温度630‑660℃时通电调整电炉功率系数进行保温一定时间，之后再断电连续冷却同时施加轻微搅拌，至设定温度580‑600℃时采用玻璃管吸液取样方法获取合金组织。本发明对过共晶铝硅合金中出现的初生硅有很好的细化和球化效果，初生硅颗粒尺寸细小、分布均匀；本发明不会在熔体中引入其他杂质，操作成本低，不会对环境造成污染。

Description

一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法
技术领域
本发明属于金属铸造技术，尤其涉及一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法。
背景技术
近年来，国内经济高速发展，而与之伴随的就是环境问题。国家已经出台很多政策来提升我国的环境质量，其中之一就是汽车轻量化。在汽车领域，为了实现以铝代钢，汽车的活塞、气缸等重要零部件现已多被铝合金代替，其中尤以铝硅合金应用最为广泛。在汽车的零部件材料中，铝合金中的过共晶铝硅合金具有比强高、耐磨性好、轻质、耐热性好和热膨胀系数低等优点，逐渐成为科研工作者的研究热点。与亚共晶铝硅合金和共晶铝硅合金相比，过共晶铝硅合金具有更好的流动性，是一种重要的铸造合金和耐磨材料，已经在汽车行业中得到了成功的应用。但未经处理的过共晶铝硅合金组织常出现板片状、五瓣星形状、八面体状的粗大初生硅，严重降低了材料的力学性能，使其应用受到限制，因此细化过共晶铝硅合金中的初生硅相是十分重要的，且硅含量越高，细化初生硅相就显得越重要。
为了改善初生硅相的尺寸、分布和形貌，国内外研究人员采用了许多方法。主要包括变质处理、快速凝固、熔体过热处理和半固态处理等方法。
变质处理主要是向过共晶铝硅合金中加入某种变质剂，改变初生硅在过共晶铝硅合金中的分布、形貌和尺寸。Sterner发现磷(赤磷)可以作为过共晶铝硅合金的变质剂，达到细化初生硅的效果，并因此申请了专利。Liu等开发出一种新型的Al-2.5％P中间合金，发现Al-P中间合金可以细化过共晶Al-Si合金中的初生硅颗粒。Lin等研究了La-Ce对Al-18Si-4Cu-0.5Mg合金组织的影响，发现初生硅颗粒从粗的块状和不规则的多边形明显地细化为薄片状。但这类方法存在一些缺点，如：加入额外的变质剂往往增加不菲的成本；变质物质(P等)往往对生产及社会环境造成严重污染；变质效果也不是十分理想，且会引入相关杂质元素。
快速凝固是指在比一般工艺大得多的冷却速度下，金属液体以极快的凝固速度转变为固态的过程。Shafizadeh等结合快速凝固和半固态成形工艺细化了Al-30Si-5Fe合金的初生硅颗粒。但对实际铸件生产应用在技术上依然有难度，且效果有限度。
熔体过热处理法是将合金熔体过热到高于合金熔点的较高温度，保温一段时间，然后将熔体直接浇注或采用某种方法冷却到一定温度后浇入铸型达到组织细化的方法。Li等研究了熔体过热处理对过共晶Al-20Si合金组织的影响，结果发现提高熔体过热温度可以细化过共晶Al-20Si合金的初生硅。虽然熔体过热处理能够在一定程度上细化初生硅，但其工艺方法的不足之处在于，过热温度的选取存在盲目性，且初生硅的形貌与分布不是十分理想。
金属半固态成形技术(Semi-Solid Metal Forming)，简称SSM，一般分为流变成形和触变成形两大类。由于触变成形的半固态金属坯料其运送和加热比较方便，所以金属半固态成形技术的研究和应用主要集中在触变成形工艺上，目前工业上应用也最为广泛。其主要制坯料方法包括电磁搅拌、机械搅拌和超声振动等，从而制得液态金属含有一定固相分数的固液混合浆料，通常固相分数在30％以上。Haghayeghi等研究了电磁搅拌，超声处理及其组合对A390合金中初生硅细化的影响。结果都使初生硅的形貌和尺寸发生了很大的变化。Kim等在过共晶Al-15.5Si合金的冷却过程中施以机械搅拌，细化了初生硅相。这些方法细化初生硅的效果好，但均需要额外的机械设备辅助完成，增加工艺周期并需大量消耗能源。
综上所述，过共晶铝硅合金组织中的初生硅细化及形态、分布的改善，具有重要的工程应用价值。虽然国内外研究及发明已取得了不少进展与明显效果，但初生硅细化及形态、分布的改善在方法上仍需继续努力，以获得更佳的效果，且最好具有无污染、方便易操作、不影响生产率等优点。
在本发明中，运用了常见的一种过共晶铝硅合金，通过低温熔体处理细化了合金中的初生硅相，并发现合金中初生硅相分布均匀，形态完整，固相分数可观。目前还未见通过该方法细化过共晶铝硅合金初生硅相的相关报道。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中出现的问题，本发明提供了一种新的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法。
技术方案：本发明所述的一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，采用低温熔体处理细化初生硅，包括以下步骤：
(1)将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉，升温至600-620℃；
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温；
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720-730℃，进行除气去渣净化处理；
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720-730℃继续保温，随后冷却，将温度控制在630-660℃的±2℃内保温；
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体进行断电开炉冷却至580-600℃；
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体通过玻璃管吸液取样获取组织状态。
所述低温熔体处理是指在过共晶铝硅合金液固两相区对熔体进行工艺处理。
步骤(1)中，先将过共晶铝硅合金原料在250-300℃预热30分钟后放至电阻坩埚炉。
步骤(2)中，熔清后保温20-40分钟。
步骤(4)中，将步骤(3)中得到的合金熔体在720-730℃继续保温20-40分钟。
步骤(4)中，将温度控制在630-660℃的±2℃内保温5-15分钟。
步骤(5)中，冷却过程中一直施加轻微搅拌，防止熔体内的初生硅相发生团聚现象而影响最终细化效果。
优选的，步骤(6)中，所述玻璃管内径为10mm。
本方法步骤中，所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250-300℃。其中，所有与熔体接触的材料包括漏勺、钟罩、精炼剂以及浇注所用到的模具。
作为优选的，所述方法包括如下步骤：
(1)所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250℃。将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉升温至600℃。
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温30分钟。
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720℃，进行除气去渣净化处理。
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720℃保温30分钟，随后冷却，冷却过程通过调整电炉功率系数，将温度控制在设定温度(630-660℃)的±2℃内。
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体等温10分钟后再断电开炉冷却到设定温度(590-600℃)。冷却过程中一直施加轻微搅拌。
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体通过玻璃管吸液取样获取组织状态。其中玻璃管内径为10mm。
本方法细化后的初生硅尺寸在15-20μm，形貌圆整，分布均匀。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：(1)本发明公开了一种新的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，对过共晶铝硅合金中出现的初生硅有很好的细化和球化效果，细化后的初生硅尺寸在15-20μm，形貌变得圆整，不再棱角分明，并且分布均匀。(2)本发明中在操作过程中不添加变质剂，避免了以往加变质剂方法对环境造成的严重污染，且不会在熔体中引入其他杂质，操作成本低。
附图说明
图1是实施例1中熔体在640℃保温10分钟，随后经5分钟降温至590℃玻璃管取样得到的过共晶铝硅合金组织；
图2是实施例2中熔体在640℃保温10分钟，随后经5分钟降温至600℃玻璃管取样得到的过共晶铝硅合金组织；
图3是实施例3中熔体在720℃直接浇注得到金属模具中得到的过共晶铝硅合金组织；
图4是实施例4中熔体在640℃保温10分钟，随后经10分钟降温至590℃浇注到金属模具中得到的过共晶铝硅合金组织。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案：
以Al-16Si-4.2Cu-0.6Mg-0.8Fe合金为例，通过不同例子来阐明本发明方法细化初生硅的实质内涵及显著效果。
实施例1
(1)所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250℃。将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉升温至600℃，加热过程中要防止冲温。
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温30分钟。
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720℃，进行除气去渣净化处理。
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720℃保温30分钟，随后冷却，冷却过程通过调整电炉功率系数，将温度控制在640℃的±2℃内。
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体保温10分钟后再断电开炉冷却到设定温度590℃。冷却过程中一直施加轻微搅拌。
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体通过玻璃管吸液取样获取组织状态。其凝固显微组织如附图1所示，初生硅直径值在15-20μm，形貌圆整，分布均匀。
实施例2
(1)所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250℃。将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉升温至600℃。
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温30分钟。
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720℃，进行除气去渣净化处理。
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720℃保温30分钟，随后冷却，冷却过程通过调整电炉功率系数，将温度控制在640℃的±2℃内。
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体保温10分钟后再断电开炉冷却到设定温度600℃。冷却过程中一直施加轻微搅拌。
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体通过玻璃管吸液取样获取组织状态。其凝固显微组织如附图2所示，初生硅直径值在15-20μm。
实施例3
(1)所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250℃。将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉升温至600℃。
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温30分钟。
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720℃，进行除气去渣净化处理。
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体稳定在720℃。
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体直接浇注在金属模中冷却获取组织状态。其凝固显微组织如附图3所示，初生硅直径值在50μm左右。
实施例4
(1)所有与熔体接触的材料、模具均需预热30分钟以上，预热温度为250℃。将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉升温至600℃。
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温30分钟。
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720℃，进行除气去渣净化处理。
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720℃保温30分钟，随后冷却，冷却过程通过调整电炉功率系数，将温度控制在640℃的±2℃内。
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体等温10分钟后再断电开炉冷却到设定温度590℃。冷却过程中一直施加轻微搅拌。
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体直接浇注在金属模中冷却获取组织状态。其凝固显微组织如附图4所示，初生硅直径值在30-40μm。
实施例1-4的对比分析：
本发明提供的一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，可比以往的一般工艺方法获得更佳的细化初生硅相的效果。实施例1和实施例2在低温熔体处理后直接进行玻璃管取样冷却，实施例3采用的一般工艺在720℃进行浇注，可以发现图1和图2与图3相比，初生硅相的尺寸明显更小，在15-20μm，且初生硅相变得钝化、圆整，整体分布均匀。实施例4采用的方法是在低温熔体处理后进行金属型浇注，可以发现，与图3相比，初生硅相是有细化效果的，尺寸为30-40μm，但细化效果没有图1和图2好，且初生硅颗粒并不圆整，分布也没有图1和图2均匀，所以综合来看，本发明提供的一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法可以达到很好的细化效果，硅颗粒尺寸细小、分布均匀，操作成本低，且不会在生产过程中引入杂质，也不会对环境造成污染。

Claims (8)

1.一种细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，采用低温熔体处理细化初生硅，包括以下步骤：
(1)将过共晶铝硅合金原料放至电阻坩埚炉，升温至600-620℃；
(2)将步骤(1)中得到的原料升温至750-770℃熔炼，熔清后保温；
(3)将步骤(2)中得到的合金熔体炉冷至720-730℃，进行除气去渣净化处理；
(4)将步骤(3)中得到的合金熔体在720-730℃继续保温，随后冷却，将温度控制在630-660℃的±2℃内保温；
(5)将步骤(4)中得到的合金熔体进行断电开炉冷却至580-600℃；
(6)将步骤(5)中得到的合金熔体通过玻璃管吸液取样获取组织状态；
步骤(1)中，所述过共晶铝硅合金原料为Al-16Si-4.2Cu-0.6Mg-0.8Fe合金；
步骤(5)中，冷却过程中一直施加轻微搅拌。
2.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(1)中，先将过共晶铝硅合金原料在250-300℃预热30分钟后放至电阻坩埚炉。
3.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(2)中，熔清后保温20-40分钟。
4.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(4)中，将步骤(3)中得到的合金熔体在720-730℃继续保温20-40分钟。
5.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(4)中，将温度控制在630-660℃的±2℃内保温5-15分钟。
6.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(5)中，冷却过程中一直施加轻微搅拌。
7.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述玻璃管内径为10mm。
8.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初生硅相的方法，其特征在于，细化后的初生硅尺寸在15-20μm，形貌圆整，分布均匀。
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