CN114410998A - 一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的方法。采用添加卤盐溶剂和合金元素锶协同处理的方式对Al‑20Si过共晶铝硅合金熔体进行净化处理和合金化处理，可以去除合金中的气体及杂质元素、抑制初生硅的形成，促进伪共晶组织的生长。两者协同作用时，熔体净化可以进行除气除杂，使合金处于隔绝空气状态，提高加入锶元素后锶对过共晶铝硅合金的作用效果，合金在熔融状态与锶更充分的反应使合金凝固组织为完全伪共晶组织。与传统的细化过共晶铝硅合金中初生硅的方法不同，本发明不需要采用其他复杂的处理工艺，是一种操作简单、成本低廉、环保无污染的很有应用前景的消除过共晶铝硅合金凝固组织中初生硅，获得完全伪共晶组织的工艺方法。

Description

一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备 方法

技术领域

本发明属于有色合金加工成型技术领域，具体涉及一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法。

背景技术

过共晶铝硅合金是一种重要的铸造铝合金，由于其具有密度小、比强度高、耐磨性好、热膨胀系数低等优点，因而被广泛应用于汽车、航空航天、船舶海洋、化学化工等领域。在汽车领域，过共晶铝硅合金硅含量较高，热膨胀系数小，有较高的强度和硬度，不仅可以提高发动机的工作效率，而且可以使汽车重量更轻、速度更快，减少油耗，提高燃油利用率。但是，与其他常见的铝合金系相比，过共晶铝硅合金随着硅含量的增加，其初生硅尺寸逐渐增大，多呈现粗大板块状、棱角状。在外力作用下这种组织会产生严重的应力集中而形成裂纹，进一步割裂基体，使得合金的强度、塑性下降，尤其是合金的强韧性急剧降低，严重限制了过共晶铝硅合金的使用。因此，细化过共晶铝硅合金中的初生硅，提高过共晶铝硅合金的力学性能显得至关重要。

目前，对过共晶铝硅合金中初生硅的细化研究较多，主要有磷变质及其复合处理、其他微量合金元素作用、熔体热处理等等。工业上主要采用磷变质方法，在通过含磷中间合金变质处理后，可明显细化初生硅，初生硅的分布也更加均匀。在过共晶铝硅合金中添加稀土(RE)元素或微量合金元素Sr，Sb等，也可以抑制初生硅的生长，起到细化初生硅的作用。熔体热处理可以有效的改善和细化初生硅，在一定的保温时间和过热温度下也可有效细化晶粒，可以提高合金的硬度和强度及耐磨性。为了提高过共晶铝硅合金的综合力学性能，可以通过磷元素和稀土元素复合变质或磷变质和熔体热处理两者相结合来实现。但是含磷变质剂易反应生成有毒气体，对人体和环境产生危害，并且变质效果不太稳定。而稀土元素分离困难，且价格较高，一定程度上限制了其在工业生产中的应用。在熔体热处理过程中，容易发生过热温度过高或保温时间过长，引起初生硅尺寸严重粗化，反而降低其力学性能。以上的处理方法只能在一定程度上细化高硅过共晶铝硅合金中的初生硅，难以彻底消除初生硅，获得全部伪共晶组织。因此，工业生产中迫切需要一种更为经济创新、绿色环保的新工艺来彻底消除过共晶Al-Si合金中的初生硅，获得全部伪共晶组织。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述及现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：包括，

将卤盐净化剂在坩埚中熔化，加入过共晶铝硅合金，充分摇晃使合金熔化；待过共晶铝硅合金完全熔化后，添加锶合金，将混合熔体充分摇晃熔化后保温；

保温结束后，将合金液浇注在室温金属型中成型。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述卤盐净化剂成分配比为42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆，使用量将过共晶铝硅合金固体料完全浸没。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述坩埚为850℃的Al₂O₃坩埚。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述过共晶铝硅合金，为硅含量在Al-20Si的过共晶铝硅合金。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述锶合金为Al-10Sr中间合金。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述锶合金，每添加50g过共晶铝硅合金，需添加1wt.％～5wt.％的锶合金。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述保温，保温条件为在850℃下保温30分钟。

作为本发明所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法所得到的产品伪共晶铝硅合金的一种优选方案，其中：所述产品伪共晶铝硅合金中的初生硅完全消除，合金组织由细小的共晶组织组成，无富锶相。

本发明的有益效果：

本发明采用添加卤盐溶剂和合金元素锶协同处理的方式对Al-20Si过共晶铝硅合金熔体进行净化处理和合金化处理，可以去除合金中的气体及杂质元素、抑制初生硅的形成，促进伪共晶组织的生长。两者协同作用时，熔体净化可以进行除气除杂，使合金处于隔绝空气状态，提高加入锶元素后锶对过共晶铝硅合金的作用效果，合金在熔融状态与锶更充分的反应使合金凝固组织为完全伪共晶组织。与传统的细化过共晶铝硅合金中初生硅的方法不同，本发明不需要采用其他复杂的处理工艺，是一种操作简单、成本低廉、环保无污染的很有应用前景的消除过共晶铝硅合金凝固组织中初生硅，获得完全伪共晶组织的工艺方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为对比例1Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图2为对比例2以0.5wt.％中间合金制备的Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图3为对比例2以1wt.％中间合金制备的Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图4为对比例2以3wt.％中间合金制备的Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图5为对比例2以5wt.％中间合金制备的Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图6为对比例3Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图7为实施例1Al-18Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图8为实施例2Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图9为实施例3Al-22Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图10为实施例4Al-24Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图11为实施例5Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片；

图12为实施例6Al-20Si合金试样横截面处的显微组织照片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

对比例1：

Al-20Si过共晶铝硅合金在850℃熔炼保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

采用石墨坩埚在井式电阻炉中熔炼Al-20Si过共晶铝硅合金，熔炼温度为850℃；

待合金完全熔化后，刮去表面浮渣，再用六氯乙烷进行精炼，精炼后再保温30分钟，保温过程中使用石墨棒充分搅拌熔体，防止成分不均匀；

保温结束，将Al-20Si过共晶铝硅合金浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图1所示，其显微组织中存在大量粗大且不规则的块状初生硅，此外组织中有许多细小的初生铝树枝晶。

对比例2：

采用微量元素锶对过共晶铝硅合金熔体进行合金化处理，将合金化的Al-20Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟，然后浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

(1)采用石墨坩埚在井式电阻炉中熔炼Al-20Si合金，熔炼温度为850℃；

(2)待Al-20Si合金完全熔化后，分别添加0.5wt.％、1wt.％、3wt.％、5wt.％Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

(3)保温结束，将Al-20Si过共晶铝硅合金浇注到室温金属型中，其内腔尺寸为

(4)待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。合金组织图片如图2～5所示。具体数据如表1。

表1

图2相较对比例1相比其显微组织中的初生硅数量明显减少，共晶组织得到明显细化，铝相的数量也有所减少，合金组织由初生硅、α-Al相和共晶组织组成。图3相较对比例1、2相比，其显微组织中的初生硅相得到消除，合金组织由α-Al相和共晶组织组成，α-Al相呈现细长的树枝状，均匀整齐地分布在共晶组织中。图4所示，其显微组织中同样消除初生硅相，合金组织由α-Al相和共晶组织组成，α-Al相尺寸有所增大且排列不规则。除此之外，在合金组织中出现了细小的富锶相(Al₂Si₂Sr)。图5所示，其显微组织中无初生硅相，铝相数量减少尺寸增大，部分呈现短棒状且排列不规则。除此之外，在合金组织中的富锶相(Al₂Si₂Sr)尺寸也有所增大，块状或针状富锶相的存在，会产生一定程度应力集中，降低合金的力学性能。

对比例3：

采用复合熔盐对过共晶铝硅合金熔体进行净化处理，Al-20Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将熔化后的Al-20Si合金完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-20Si合金，充分摇晃使合金熔化后保温30min；

保温结束，将Al-20Si过共晶铝硅合金浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图6所示，其显微组织中存在细小的块状初生硅，且数量很少，共晶组织在基体中分布均匀细化。

实施例1：

采用添加微量元素锶和熔体净化作用对Al-18Si过共晶铝硅合金进行处理，Al-18Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将Al-18Si合金固体料完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-18Si合金，充分摇晃使合金熔化；

待Al-18Si合金完全熔化后，添加1wt.％Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

保温结束后，将净化处理和锶合金化处理的Al-18Si合金液浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图7所示，其显微组织中初生硅已完全消除，合金组织基本上由粗大不规则的初生铝树枝晶和细小的共晶组织组成，不能完全得到伪共晶铝硅合金，且在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)。

实施例2：

采用添加微量元素锶和熔体净化作用对Al-20Si过共晶铝硅合金进行处理，Al-20Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将Al-20Si合金固体料完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-20Si合金，充分摇晃使合金熔化；

待Al-20Si合金完全熔化后，添加1wt.％Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

保温结束后，将净化处理及微量元素合金化处理的Al-20Si合金液浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图8所示，与对比例1～3以及实施例1相比，初生硅和α-Al相得到完全消除，得到完全伪共晶组织，且伪共晶组织分布均匀，此外在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)。

熔体净化单独作用时，能够消除Al-18Si合金中的初生硅，但对于更高硅含量的Al-20Si合金不能完全消除其初生硅；加入微量合金锶与熔体净化协同作用后，可以在Al-20Si合金中消除初生硅甚至α-Al相，得到完全的伪共晶组织。锶元素会在组织中形成异质形核的核心，细化初生硅。同时，锶的加入降低了堆垛成错能，促进了孪晶界的形成。根据孪晶凹角机制，锶会聚集在孪晶的凹角处，从而抑制硅相的生长。两者协同作用时，熔体净化可以进行除气除杂，使合金处于隔绝空气状态，提高加入锶元素后锶对过共晶铝硅合金的作用效果，合金在熔融状态与锶更充分的反应。使得合金的强度、力学性能会得到进一步推高。

实施例3：

采用添加微量元素锶和熔体净化作用对Al-22Si过共晶铝硅合金进行处理，Al-22Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将Al-22Si合金固体料完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-22Si合金，充分摇晃使合金熔化；

待Al-22Si合金完全熔化后，添加1wt.％Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

保温结束后，将净化处理及微量元素合金化处理的Al-22Si合金液浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图9所示，与实施例2相比，随硅含量的增加，合金组织中重新出现了α-Al相，α-Al相呈现细小的树枝状且不规则分布在共晶组织中。共晶组织细化效果明显且分布均匀，此外在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)。

实施例4：

采用添加微量元素锶和熔体净化作用对Al-24Si过共晶铝硅合金进行处理，Al-24Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将Al-24Si合金固体料完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-24Si合金，充分摇晃使合金熔化；

待Al-24Si合金完全熔化后，添加1wt.％Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

保温结束后，将净化处理及微量元素合金化处理的Al-24Si合金液浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图10所示，与实施例1、2、3相比，随硅含量的增加，合金组织中出现了部分细小且不规则初生硅，合金组织基本上由细小不规则的初生硅和细小的共晶组织组成，此外在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)。

实施例5：

采用添加微量元素锶和熔体净化作用对Al-20Si过共晶铝硅合金进行处理，Al-20Si过共晶铝硅合金在850℃保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：

按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆的成分比例配制卤盐净化剂，用量要求将Al-20Si合金固体料完全浸没；

待复合盐溶液在850℃的Al₂O₃坩埚熔化后，加入50g的Al-20Si合金，充分摇晃使合金熔化；

待Al-20Si合金完全熔化后，分别添加的1wt.％、3wt.％、5wt.％的Al-10Sr中间合金，将混合熔体充分摇晃熔化后进行在850℃下进行保温30分钟；

保温结束后，将净化处理及微量元素合金化处理的Al-20Si合金液浇注在室温金属型中，其内腔尺寸为

待合金冷却至室温，取其距离底部10mm的截面，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图11和图片12所示。添加3wt.％的Al-10Sr结果如图11，与对比例2以及实施例2相比，初生硅得到完全消除，合金组织中重新出现了α-Al相，α-Al相呈现细小的树枝状且不规则分布在共晶组织中。此外在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)；添加5wt.％的Al-10Sr结果如图12，与对比例2以及实施例2相比，合金组织中重新出现了部分粗大的不规则初生硅，铝相在初生硅周围聚集，合金组织基本上由粗大不规则的初生硅和细小的共晶组织组成，此外在合金组织中未发现富锶相(Al₂Si₂Sr)。

如上述图例可知，添加Al-10Sr中间合金可以细化共晶组织，消除初生硅，特别是对于Al-20Si合金来说，添加1wt.％的Al-10Sr中间合金的效果更好，可以得到全部伪共晶组织。但当中间合金添加量增加到3wt.％甚至5wt.％时，会重新出现α-Al相和初生硅，效果反而降低。

本发明采用添加卤盐溶剂和合金元素锶协同处理的方式对Al-20Si过共晶铝硅合金熔体进行净化处理和合金化处理，可以去除合金中的气体及杂质元素、抑制初生硅的形成，促进伪共晶组织的生长。两者协同作用时，熔体净化可以进行除气除杂，使合金处于隔绝空气状态，提高加入锶元素后锶对过共晶铝硅合金的作用效果，合金在熔融状态与锶更充分的反应使合金凝固组织为完全伪共晶组织。与传统的细化过共晶铝硅合金中初生硅的方法不同，本发明不需要采用其他复杂的处理工艺，是一种操作简单、成本低廉、环保无污染的很有应用前景的消除过共晶铝硅合金凝固组织中初生硅，获得完全伪共晶组织的工艺方法。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：包括，

将卤盐净化剂在坩埚中熔化，加入过共晶铝硅合金，充分摇晃使合金熔化；待过共晶铝硅合金完全熔化后，添加锶合金，将混合熔体充分摇晃熔化后保温；

保温结束后，将合金液浇注在室温金属型中成型。

2.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述卤盐净化剂成分配比为42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na₃AlF₆，使用量将过共晶铝硅合金固体料完全浸没。

3.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述坩埚为850℃的Al₂O₃坩埚。

4.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述过共晶铝硅合金，为硅含量在Al-20Si的过共晶铝硅合金。

5.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述锶合金为Al-10Sr中间合金。

6.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述锶合金，每添加50g过共晶铝硅合金，需添加过共晶铝硅合金质量分数1wt.％～5wt.％的锶合金。

7.如权利要求1所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述保温，保温条件为在850℃下保温30分钟。

8.如权利要求1～7所述利用锶合金化和熔体净化制备伪共晶铝硅合金的制备方法所得到的产品伪共晶铝硅合金，其特征在于：所述产品伪共晶铝硅合金中的初生硅完全消除，合金组织由细小的共晶组织组成，无富锶相。

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