CN112159918B - 一种铝硅合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.5%‑0.63%；Si：≤25%；Mn：0.05%‑0.08%；Cu：0.12%‑0.17%；Fe：0.04%‑0.06%；Ti：0.07%‑0.09%；Zn：0.08%‑0.12%；Mo：0.13%‑0.18%；Ta：0.05%‑0.09%；Pr：0.03%‑0.05%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；所述铝硅合金是经过熔炼、精炼、变质处理、铸造等步骤制成的。本发明通过对工艺参数进行优化，获得的铝硅合金比现有技术制得的铝硅合金的抗拉强度高26.4%以上，且制备成本低，可进行大规模产业化生产。

Description

一种铝硅合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种铝硅合金及其制备方法。
背景技术
过共晶铝硅合金具有密度低、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐腐蚀、尺寸稳定性好等特点，在现有技术中的发动机制造等诸多领域的用途广泛，是一种极有发展前途的铝合金材料。由于相比于铸铁材料来说，铝合金的密度较低，其近年来在用于代替钢铁减重的用途上越来越多。近年来在包括德国、日本、美国以及韩国的汽车发动机的应用得到快速发展，被广泛应用于汽车工业、航空航天、电子封装等产业中。但是，这些关键特殊领域对于过共晶铝硅合金的材料要求越来越高，现有技术中的过共晶铝硅合金的强度、耐磨、耐热和耐腐蚀性能不能满足快速增长的材料需求。
目前限制过共晶铝硅合金(Si含量为17%-32%)产业化的主要关键技术是合金中初晶硅和共晶硅的尺寸与形态控制。众所周知，当过共晶铝硅合金中的初晶硅平均尺寸保持在40μm以下，共晶硅平均尺寸12μm以下，且共晶硅形态为近球形时，过共晶铝硅合金才能具备优异的力学、耐磨以及良好的尺寸稳定性等优异的综合性能。现有在使用变质剂如铝磷中间合金技术时，产业化过程中遇到很大的阻力，难以实现技术转移和复制。
对于过共晶铝硅合金材料而言，其包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、热导率、疲劳强度、腐蚀性能质量损失和耐磨性在内的诸多特性在内的综合性能的提升是很困难的。
中国专利申请文献“一种高硅铝合金及其铸造方法”（申请号：202010183041.4）公开了一种高硅铝合金及其铸造方法，所述高硅铝合金包括以下按质量百分比计的组分：17.2%-33.6%硅、2.1-3.5%铜、0.3-0.45%镁、0.1-0.2%锰、0.08-0.12%铁、0.15-0.35%锌、0.1-0.2%钛，余量为铝和不可避免的杂质元素。该发明采用超声辅助手段有效的改善了高硅铝合金的品质，获得了理想的组织状态，并且合金具备优异的机械性能，但存在着抗拉强度较差等问题，无法满足实际使用时的需求。
发明内容
本发明提供一种铝硅合金及其制备方法，以解决现有技术制得的铝硅合金存在着抗拉强度较差等问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.5%-0.63%；Si：≤25%；Mn：0.05%-0.08%；Cu：0.12%-0.17%；Fe：0.04%-0.06%；Ti：0.07%-0.09%；Zn：0.08%-0.12%；Mo：0.13%-0.18%；Ta：0.05%-0.09%；Pr：0.03%-0.05%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素。
优选地，所述的铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.6%；Si：15.4%；Mn：0.07%；Cu：0.15%；Fe：0.05%；Ti：0.08%；Zn：0.1%；Mo：0.16%；Ta：0.08%；Pr：0.04%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素。
本发明还提供一种铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为0.7-1.2MHz，功率密度为0.31-0.35W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为100-200r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾15-23份、氟化铝钠8-12份、冰晶石7-10份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为832-840℃下保温1.5-2.5h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为5.5-6.2MHz，功率密度为0.37-0.4W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.06%-0.09%，搅拌转速为100-200r/min，并进行搅拌，搅拌时间为30-45min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，待熔体温度为775-786℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，铸造速度为80-100mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面380-410mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为55-63KHz，功率密度为0.31-0.34W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
优选地，所述步骤（1）中超声波频率为1.1MHz，功率密度为0.33W/cm2。
优选地，所述步骤（2）中所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾20份、氟化铝钠10份、冰晶石8份。
优选地，所述步骤（3）中采用超声辅助变质处理，超声波频率为6MHz，功率密度为0.38W/cm2。
优选地，所述步骤（4）中所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.2-1.6kg/吨。
优选地，所述步骤（4）中水的温度为25-32℃。
优选地，所述水流速为2900-3100L/min。
优选地，所述步骤（1）中采用超声辅助铸造，超声波的频率为60KHz，功率密度为0.32W/cm2。
本发明具有以下有益效果：
（1）Mo、Ta、Pr在制备铝硅合金中起到了协同作用，协同提高了铝硅合金的抗拉强度，这是因为：Ta可实现铝硅合金的晶粒细化，在较高温下够保持高的抗蠕变能力，进而提高铝硅合金的拉伸强度。Mo可促进铝硅合金之间的金属粒子的键能增大，由于铝硅合金组分间的原子半径彼此不同，当达到平衡时，会导致自由能的晶格降低和畸变，促使提高铝硅合金的拉伸强度。Pr能提高细化晶粒作用效果，从而抑制铝硅合金再结晶，增加铝硅合金的延展性，提高拉伸强度。通过优化Mo、Ta、Pr用量，使得三种组分协同配合下，显著提高了本发明的铝硅合金的拉伸强度。
（2）本发明通过对熔炼、变质处理、铸造等步骤中超声辅助工艺参数进行了优化；通过在精炼升温步骤中加入精炼剂和铸造步骤中加入细化剂，获得了较理想的组织状态，初晶硅的平均尺寸不大于29.6μm，共晶硅的的平均尺寸不大于8.7μm，并且合金具备更加优异的抗拉强度，制备成本低，可进行大规模产业化生产。
（3）本发明制得的铝硅合金的抗拉强度显著优于现有技术制得的铝硅合金的抗拉强度，至少高26.4%。
附图说明
图1是本申请制备方法制备的硅铝合金和对比例及现有技术中硅铝合金的抗拉强度检测结果。
图2是初晶硅平均尺寸检测结果。
图3是共晶硅平均尺寸检测结果。
图4是本申请制备方法制备的硅铝合金和现有技术中硅铝合金的疲劳强度检测结果。
图5是本申请制备方法制备的硅铝合金和现有技术中硅铝合金的屈服强度检测结果。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.5%-0.63%；Si：≤25%；Mn：0.05%-0.08%；Cu：0.12%-0.17%；Fe：0.04%-0.06%；Ti：0.07%-0.09%；Zn：0.08%-0.12%；Mo：0.13%-0.18%；Ta：0.05%-0.09%；Pr：0.03%-0.05%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；
所述的铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为0.7-1.2MHz，功率密度为0.31-0.35W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为100-200r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾15-23份、氟化铝钠8-12份、冰晶石7-10份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为832-840℃下保温1.5-2.5h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为5.5-6.2MHz，功率密度为0.37-0.4W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.06%-0.09%，搅拌转速为100-200r/min，并进行搅拌，搅拌时间为30-45min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.2-1.6kg/吨，待熔体温度为775-786℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，水的温度为25-32℃，冷却水流速为2900-3100L/min，铸造速度为80-100mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面380-410mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为55-63KHz，功率密度为0.31-0.34W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
下面通过更具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
一种铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.62%；Si：24.6%；Mn：0.08%；Cu：0.16%；Fe：0.06%；Ti：0.09%；Zn：0.11%；Mo：0.17%；Ta：0.08%；Pr：0.05%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；
所述的铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为1.1MHz，功率密度为0.34W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为200r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾21份、氟化铝钠12份、冰晶石9份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为838℃下保温1.8h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为6MHz，功率密度为0.39W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.09%，搅拌转速为200r/min，并进行搅拌，搅拌时间为32min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.5kg/吨，待熔体温度为785℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，水的温度为30℃，冷却水流速为3100L/min，铸造速度为100mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面406mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为61KHz，功率密度为0.32W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
实施例2
一种铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.52%；Si：10.3%；Mn：0.05%；Cu：0.12%；Fe：0.04%；Ti：0.07%；Zn：0.09%；Mo：0.13%；Ta：0.06%；Pr：0.03%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；
所述的铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为0.8MHz，功率密度为0.32W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为100r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾17份、氟化铝钠8份、冰晶石7份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为834℃下保温2.5h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为5.6MHz，功率密度为0.37W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.06%，搅拌转速为100r/min，并进行搅拌，搅拌时间为43min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.2kg/吨，待熔体温度为778℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，水的温度为27℃，冷却水流速为2900L/min，铸造速度为80mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面390mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为58KHz，功率密度为0.31W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
实施例3
一种铝硅合金，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.6%；Si：15.4%；Mn：0.07%；Cu：0.15%；Fe：0.05%；Ti：0.08%；Zn：0.1%；Mo：0.16%；Ta：0.08%；Pr：0.04%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；
所述的铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为1.1MHz，功率密度为0.33W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为200r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾20份、氟化铝钠10份、冰晶石8份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为838℃下保温2h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为6MHz，功率密度为0.38W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.08%，搅拌转速为200r/min，并进行搅拌，搅拌时间为40min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.5kg/吨，待熔体温度为782℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，水的温度为30℃，冷却水流速为3000L/min，铸造速度为90mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为60KHz，功率密度为0.32W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
对比例1
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于制成的铝硅合金中缺少Mo、Ta、Pr。
对比例2
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于制成的铝硅合金中缺少Mo。
对比例3
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于制成的铝硅合金中缺少Ta。
对比例4
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于制成的铝硅合金中缺少Pr。
对比例5
采用中国专利申请文献“一种高硅铝合金及其铸造方法”（申请号：202010183041.4）中的实施例1-3制备铝硅合金。
将实施例1-3和对比例1-5制备得到的铝硅合金进行测定抗拉强度和初晶硅、共晶硅的平均尺寸，测试方法为本领域常规方法，常温下其测试结果见下表。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由上表可知：（1）由实施例1-3和对比例5的数据可见，本发明制得的铝硅合金的抗拉强度显著优于现有技术制得的铝硅合金的抗拉强度，至少高26.4%；初晶硅、共晶硅的平均尺寸远小于现有技术制得的铝硅合金的初晶硅、共晶硅的平均尺寸。同时综合实施例1-3的数据可见，实施例3为最优实施例。
（2）由实施例3和对比例1-4的数据可见，Mo、Ta、Pr在制备铝硅合金中起到了协同作用，协同提高了铝硅合金的抗拉强度，这是因为：Ta可实现铝硅合金的晶粒细化，在较高温下够保持高的抗蠕变能力，进而提高铝硅合金的拉伸强度。Mo可促进铝硅合金之间的金属粒子的键能增大，由于铝硅合金组分间的原子半径彼此不同，当达到平衡时，会导致自由能的晶格降低和畸变，促使提高铝硅合金的拉伸强度。Pr能提高细化晶粒作用效果，从而抑制铝硅合金再结晶，增加铝硅合金的延展性，提高拉伸强度。通过优化Mo、Ta、Pr用量，使得三种组分协同配合下，显著提高了本发明的铝硅合金的拉伸强度。
另外，使用本领域常规方法测试实施例和对比例的疲劳强度、屈服强度、腐蚀性能质量损失以及耐磨性1000h·um，结果均显示本申请实施例1-3的结果亦优于对比例1-5。测定结果情况见本申请附图。
其中腐蚀性能质量损失是在400℃下加热处理1h的测定结果。
实验项目 屈服强度（MPa） 疲劳强度（MPa） 耐磨性1000h（μm） 腐蚀性能质量损失
实施例1 390.3 370.1 4 0.090
实施例2 387.5 366.5 4 0.092
实施例3 397.1 375.7 3.5 0.087
对比例1 280.4 - - -
对比例2 278.2 - - -
对比例3 301.5 - - -
对比例4 290.3 - - -
对比例5 158.1-245.9 150.7-239.4 4.5-5 0.095-0.1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝硅合金，其特征在于，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.5%-0.63%；Si：10.3-25%；Mn：0.05%-0.08%；Cu：0.12%-0.17%；Fe：0.04%-0.06%；Ti：0.07%-0.09%；Zn：0.08%-0.12%；Mo：0.13%-0.18%；Ta：0.05%-0.09%；Pr：0.03%-0.05%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素；
铝硅合金的制备方法包括以下步骤：
（1）按配比将铝硅合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金；铝硅合金熔炼过程中采用超声辅助熔炼，超声波频率为0.7-1.2MHz，功率密度为0.31-0.35W/cm2，同时进行搅拌，搅拌转速为100-200r/min，制得第一熔体；
（2）精炼升温：将步骤（1）制得的第一熔体导入静置炉中，加入精炼剂进行精炼，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾15-23份、氟化铝钠8-12份、冰晶石7-10份，接着进行静置、扒渣，制得第二熔体；
（3）超声辅助变质处理：将步骤（2）制得的第二熔体在温度为832-840℃下保温1.5-2.5h，保温结束后，对第二熔体进行变质处理：采用超声辅助变质处理，超声波频率为5.5-6.2MHz，功率密度为0.37-0.4W/cm2，同时加入铝磷变质剂进行搅拌，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.06%-0.09%，搅拌转速为100-200r/min，并进行搅拌，搅拌时间为30-45min，制得第三熔体；
（4）铸造：将步骤（3）制得的第三熔体静置，加入Al-5Ti-1B细化剂，待熔体温度为775-786℃时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，铸造速度为80-100mm/min，同时将超声波探头安装于铸造井距离地面380-410mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为55-63KHz，功率密度为0.31-0.34W/cm2，铸造结束后，制得铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，以质量百分比计，其组成包括：Mg：0.6%；Si：15.4%；Mn：0.07%；Cu：0.15%；Fe：0.05%；Ti：0.08%；Zn：0.1%；Mo：0.16%；Ta：0.08%；Pr：0.04%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（1）中超声波频率为1.1MHz，功率密度为0.33W/cm2。
4.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（2）中所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾20份、氟化铝钠10份、冰晶石8份。
5.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（3）中采用超声辅助变质处理，超声波频率为6MHz，功率密度为0.38W/cm2。
6.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（4）中所述细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.2-1.6kg/吨。
7.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（4）中水的温度为25-32℃。
8.根据权利要求7所述的铝硅合金，其特征在于，水流速为2900-3100L/min。
9.根据权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述步骤（4）中采用超声辅助铸造，超声波的频率为60KHz，功率密度为0.32W/cm2。
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