CN113151715B - 一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，亚共晶铝硅合金及其复合变质剂的质量百分含量：硅4.0％～11.0％；稀土Y 0.1％～0.8％；金属Mn 0.05％～0.5％；余量为铝。将工业纯铝在790℃～820℃温度下加热至全部熔化后保温使熔体温度均匀，然后将200℃～450℃预热后的小块状工业结晶硅加入到铝熔体中，采用机械搅拌使结晶硅全部熔解到铝熔体中，然后熔体降温到710℃～730℃温度下保温10～30min，制备了成分均匀的亚共晶Al‑Si合金熔体；随后通入氩气进行精炼除渣除气，扒渣后浇入金属铸型，制得亚共晶铝硅合金；将制备的亚共晶铝硅重新熔化后，先后加入Al‑Y和Al‑Mn中间合金获得Y和Mn复合变质的亚共晶铝硅合金。本发明的有益效果是制备方法简单易操作，复合变质效果显著，组织稳定。
Description
技术领域
本发明属于汽车轮毂、发动机缸体和缸盖等亚共晶铝硅合金的变质技术领域，涉及一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法。
背景技术
轻质的亚共晶Al-Si合金被广泛应用于汽车轮毂、发动机缸体、缸盖以及航空航天零部件的生产。然而，传统铸造的亚共晶Al-Si合金，其凝固组织中的共晶Si以粗大的针片状分布在合金基体上。由于粗大针片状共晶Si对基体的割裂作用和共晶Si存在的尖端使其在载荷作用下局部产生应力集中，从而导致亚共晶Al-Si合金力学性能的大大降低，使该合金在汽车和航空航天领域的应用受到极大地限制。为了提高合金的力学性能，尤其是合金塑性的提高对亚共晶Al-Si合金工业化应用具有极其重要的作用。目前，亚共晶Al-Si合金的工业化应用采用化学变质的方法，不需要设备的投入和改进，具有低成本，良好的变质效果而被广泛应用。
Sr及Na盐对共晶Si的变质效果良好，在工业生产中得到应用。但是，Sr或Na盐只能改变亚共晶Al-Si合金中共晶的形貌和尺寸，不能细化凝固组织中的α-Al晶粒。因此，为了提高合金的变质和细化能力，提升合金的抗拉强度和延伸率，改善合金的强韧性，本发明设计了一种微量金属Mn和稀土元素Y的复合变质剂进行亚共晶Al-Si合金的变质处理，细化组织，形成多相金属间化合物共同作用下的强韧化，提升亚共晶Al-Si合金的性能和应用领域。节约材料，提高寿命，降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，解决了目前亚共晶铝硅合金仅仅变质共晶Si组织，而不能有效细化合金中α-Al晶粒导致航空航天和汽车领域用亚共晶Al-Si合金的强韧性不够理想的关键问题。
本发明是复合变质剂变质亚共晶铝硅合金，合金及变质剂质量百分含量如下：
Si 4.0％～11.0％；
Mn 0.05％～0.5％；
稀土Y 0.1％～0.8％；
余量为铝。
进一步，稀土Y和金属Mn的质量比为6:1、4:1、2:1、1:1。
一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)将工业纯铝在790℃～820℃温度下加热至全部熔化后保温使熔体温度均匀，然后将200℃～450℃预热后的小块状工业结晶硅加入到铝熔体中，采用机械搅拌使结晶硅全部熔解到铝熔体中，然后熔体降温到710℃～730℃温度下保温10～30min，制备了成分均匀的亚共晶Al-Si合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体通入惰性气体进行精炼除气除渣，扒渣后于690℃～720℃下快速浇入金属铸型，获得洁净且成分均匀的亚共晶铝硅合金；
(3)称取一定量的步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在730℃～780℃温度下重新加热熔化，先后将Al-Y和Al-Mn中间合金加入亚共晶铝硅合金熔体中，每种中间合金加入后要进行强烈的机械搅拌，使中间合金能够完全熔到亚共晶铝硅合金熔体中，并保证了温度和成分的均匀化；随后将添加了复合变质剂的熔体保温5～10min后浇入铸型凝固，获得复合变质的亚共晶铝硅合金。
本发明的有益效果是制备方法简单易操作，复合变质效果显著，组织稳定。
附图说明
图1为本发明实施例中未变质亚铝硅合金共晶Si组织的形貌图；
图2为本发明实施例中金属Mn添加后亚共晶铝硅合金中共晶Si形貌图；
图3为本发明实施例中金属Y添加后亚共晶铝硅合金中共晶Si形貌图；
图4为本发明实施例中复合变质亚共晶铝硅合金1的共晶Si形貌图；
图5为本发明实施例中复合变质亚共晶铝硅合金2的共晶Si形貌图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)将工业铝锭在Si-C棒坩埚炉加热至790℃进行熔化后加入块状的工业结晶硅，待其全部熔解到铝熔体后，降温到730℃并保温15min，得到亚共晶铝硅合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体降温至710℃后，熔体中通入氩气进行熔体的净化处理，扒渣后于710℃浇入到金属铸型中，制得洁净的亚共晶铝硅合金1；
(3)将步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在760℃下重新熔化，先后加入Al-Y中间合金和Al-Mn中间合金，并不断地采用机械搅拌使中间合金全部熔化到合金熔体，在760℃下保温10min使合金的成分和温度达到均匀化，获得复合变质的亚共晶铝硅合金1。
在步骤(3)中，稀土Y的添加含量为0.3wt.％，金属Mn的添加含量为0.05wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土Y和金属Mn的用量根据复合变质亚共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质亚共晶铝硅合金1，硅元素含量为7％、稀土Y的含量为0.3％，金属Mn的含量为0.05％，余量为铝。
实施例2
(1)将工业铝锭在Si-C棒坩埚炉加热至800℃进行熔化后加入块状的工业结晶硅，待其全部熔解到铝熔体后，降温到750℃并保温10min，得到亚共晶铝硅合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至730℃时，熔体中通入氩气进行熔体的净化处理，除渣除气，扒渣后于730℃浇入到金属铸型中，获得亚共晶铝硅合金2；
(3)将步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在780℃下加热熔化，先后加入Al-Y中间合金和Al-Mn中间合金，并不断地采用机械搅拌使中间合金全部熔化到合金熔体，在760℃下保温5min使合金的成分和温度达到均匀化，得到复合变质亚共晶铝硅合金2。
在步骤(3)中，所述稀土Y的含量为0.2wt.％，金属Mn的含量为0.1wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土Y和金属Mn的用量根据复合变质亚共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质亚共晶铝硅合金2，硅元素含量为9％、稀土Y含量为0.2％，金属Mn的含量为0.2％，余量为铝。
实施例3
(1)将工业铝锭在Si-C棒坩埚炉加热至810℃进行熔化后加入块状的工业结晶硅，待其全部熔解到铝熔体后，在750℃下保温20min，制得亚共晶铝硅合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至720℃时，熔体中通入氩气进行熔体的净化处理，除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属铸型中，制得亚共晶铝硅合金3；
(3)将步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在750℃下熔化，先后加入Al-Y中间合金和Al-Mn中间合金，并不断地采用机械搅拌使中间合金全部熔化到合金熔体，在750℃下保温8min，得到复合变质亚共晶铝硅合金3。
在步骤(3)中，所述稀土Y含量为0.4wt.％，金属Mn的含量为0.1wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土Y和金属Mn的用量根据复合变质亚共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质亚共晶铝硅合金3，硅元素含量为11wt％、稀土Y含量为0.4％，金属Mn的含量为0.1％，余量为铝。
实施例4
(1)将工业铝锭在Si-C棒坩埚炉加热至810℃进行熔化后加入块状的工业结晶硅，待其全部熔解到铝熔体后，在730℃下保温10min，制得亚共晶铝硅合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至710℃时，熔体中通入氩气进行熔体的净化处理，除渣除气，扒渣后于690℃浇入到金属铸型中，制得亚共晶铝硅合金4；
(3)将步骤(2)中的过亚共晶铝硅合金在780℃下熔化，先后加入Al-Y中间合金和Al-Mn中间合金，并不断地采用机械搅拌使中间合金全部熔化到合金熔体，在750℃温度下保温8min，得到复合变质亚共晶铝硅合金4。
在步骤(3)中，所述稀土Y的含量为0.4wt.％，金属Mn的含量为0.3wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土Y和金属Mn的用量根据复合变质亚共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质亚共晶铝硅合金4，硅元素含量为4wt％、稀土Y含量为0.4％，金属Mn的含量为0.4％，余量为铝。
实施例5
(1)将工业铝锭在Si-C棒坩埚炉加热至820℃进行熔化后加入块状的工业结晶硅，待其全部熔解到铝熔体后，在740℃下保温15min，制得亚共晶铝硅合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体进行降温至720℃时，熔体中通入氩气进行熔体的净化处理，除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属铸型中，制得亚共晶铝硅合金5；
(3)将步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在750℃下熔化，先后加入Al-Y中间合金和Al-Mn中间合金，在730℃温度下保温25min，得到复合变质亚共晶铝硅合金5。
在步骤(3)中，所述稀土Y的含量为0.3wt.％，金属Mn的含量为0.3wt.％。
本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、稀土Y和金属Mn的用量根据复合变质亚共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，复合变质亚共晶铝硅合金4，硅元素含量为9wt％、稀土Y含量为0.3％，金属Mn含量为0.3％，余量为铝。
实施例效果：
如图1至图4所示，未变质亚共晶铝硅合金、单一Mn变质亚共晶铝硅合金、单一稀土Y变质亚共晶铝硅合金、复合变质亚共晶铝硅合金1与复合变质亚共晶铝硅合金2的共晶Si形貌试验对比。发现：本发明一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，可以获得组织均匀致密，尖端明显钝化、尺寸显著减小的粒状或细小的多分枝纤维状共晶Si组织(如图3、4和5所示)。
因此，本发明一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，与传统的铸造亚共晶铝硅合金共晶Si组织形貌相比较，合金的组织显著细化，可以制备抗拉强度和延伸率大幅度提高的亚共铝硅合金，因而可以进一步扩大亚共晶Al-Si合金的应用领域，延长使用寿命，节约资源，降低生产成本。
本发明还具有以下优点：
(1)本发明复合变质亚共晶铝硅合金中共晶Si组织更加均匀细小，与传统铸造亚共晶铝硅合金相比，共晶Si的长宽比显著减小，合金的抗拉强度和延伸率显著提高。
(2)本发明制备方法简单易操作，复合变质效果显著，组织稳定。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于在本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种亚共晶铝硅合金复合变质剂，其特征在于：包括以下按质量百分比计组分：
Si 4％～11％；
Mn 0.05％～0.5％；
稀土Y 0.1％～0.8％；
余量为铝；
所述稀土为Al-Y中间合金添加；所述金属Mn以Al-Mn中间合金添加；
所述稀土Y和金属Mn的质量比为6:1、4:1、2:1、1:1。
2.按照权利要求1所述一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)将工业纯铝在790℃～820℃温度下加热至全部熔化后保温使熔体温度均匀，然后将200℃～450℃预热后的小块状工业结晶硅加入到铝熔体中，采用机械搅拌使结晶硅全部熔解到铝熔体中，然后熔体降温到710℃～730℃温度下保温10～30min，制备了成分均匀的亚共晶Al-Si合金熔体；
(2)对步骤(1)中的熔体通入氩气进行精炼除气，扒渣后于690℃～720℃下快速浇入金属铸型，获得洁净且成分均匀的亚共晶铝硅合金；
(3)称取一定量的步骤(2)中的亚共晶铝硅合金在730℃～780℃温度下重新加热熔化，先后将Al-Y和Al-Mn中间合金加入亚共晶铝硅合金熔体中，每种中间合金加入后要进行强烈的机械搅拌，使中间合金能够完全熔到亚共晶铝硅合金熔体中，并保证了温度和成分的均匀化；随后将添加了复合变质剂的熔体保温5～10min后进行浇注凝固，获得复合变质的亚共晶铝硅合金。
3.按照权利要求2所述一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中除渣除气通入的气体为氩气。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Qinglin Inventor after: Qiao Chaobo Inventor after: Ma Zhilong Inventor after: Zhang Jianbin Inventor after: Wang Chuangzao Inventor after: Wei Min Inventor after: Liu Jianjun Inventor after: Ma Jiqiang Inventor before: Qiao Chaobo Inventor before: Zhang Jianbin Inventor before: Wang Chuangzao Inventor before: Wei Min Inventor before: Liu Jianjun Inventor before: Ma Jiqiang Inventor before: Other inventors ask not to disclose names |
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| CI03 | Correction of invention patent |
Correction item: Inventor Correct: Li Qinglin|Qiao Chaobo|Ma Zhilong|Zhang Jianbin|Wang Chuang|Wei Min|Jian Jun Liu|Ma Jiqiang False: Li Qinglin|Qiao Chaobo|Ma Jiqiang Number: 07-02 Page: The title page Volume: 38 Correction item: Inventor Correct: Li Qinglin|Qiao Chaobo|Ma Zhilong|Zhang Jianbin|Wang Chuang|Wei Min|Jian Jun Liu|Ma Jiqiang False: Li Qinglin|Qiao Chaobo|Ma Jiqiang Number: 07-02 Volume: 38 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20220218 |