CN117144179A - 一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法，包括，将卤盐净化剂熔化后，制得熔化后的净化剂；将Al‑16Si过共晶铝硅合金浸没在熔化的净化剂中，熔炼制得合金熔化后的合金液；向熔化后向合金液中加入纯锑，并保温，保温后将合金液浇注到室温金属型中成型。本发明采用卤盐净化剂和纯锑对过共晶Al‑16Si合金进行协同作用，通过卤盐消除熔体中的气体以及氧化物、杂质元素等，消除初生硅的非自发形核基底，从而抑制了初生硅的形核与生长；净化剂中钠与钡互相配合，强化变质效果，减少衰退，硅相遵循遵循孪晶凹谷机制生长。
Description
技术领域
本发明属于有色合金加工领域，具体涉及到一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法。
背景技术
Al-Si系合金是航空工业中应用最广的铸造铝合金，该合金有良好的铸造性能、耐蚀性能和力学性能。但在高硅过共晶铝硅合金中，有大量粗大的初生硅颗粒，这些颗粒有明显的棱边与尖角，易产生应力集中，导致基体开裂从而影响合金，因此减少、消除过共晶铝硅合金组织中的初生硅对该合金的应用具有重大意义。
为了获得更加细小的初生硅，经常会选择向熔体中加入变质剂，将粗大片状和复杂的初生硅变为细小圆润的形态，Na和Sr是最常用的变质剂，而钠的变质有效时间短，易腐蚀工具且影响合金质量。熔体热处理也能有效改善初生硅。
但是，这些方法只能细化初生硅，并不能消除或者近似消除初生硅。如果要提高过共晶铝硅合金的性能及扩大应用，必须减小初生硅尺寸、降低初生硅占比、优化初生硅形态。而消除合金中的初生硅，细化共晶组织，对增强过共晶铝硅合金的强韧性将有重要的意义。
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。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法，包括，
将卤盐净化剂熔化后，制得熔化后的净化剂；
将Al-16Si过共晶铝硅合金浸没在熔化的净化剂中，熔炼制得合金熔化后的合金液；
向熔化后向合金液中加入纯锑，并保温，保温后将合金液浇注到室温金属型中成型。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述卤盐净化剂由NaCl、KCl、BaCl2和Na3AlF6复配而成。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述卤盐净化剂，按照原料质量百分比计，所述NaCl含量为40％，所述KCl含量为40％，所述Na3AlF6含量为10％，所述BaCl2含量为10％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述将卤盐净化剂熔化，其中，熔化稳定为850℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述熔炼制得合金熔化后的合金液，其中，熔化温度为850℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.3wt.％～0.6wt.％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.3wt.％～0.45wt.％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.45wt.％
本发明有益效果：
(1)本发明采用卤盐净化剂和纯锑对过共晶Al-16Si合金进行协同作用，通过卤盐消除熔体中的气体以及氧化物、杂质元素等，消除初生硅的非自发形核基底，从而抑制了初生硅的形核与生长；而净化剂中的钠对初生硅也有着良好的变质效果，改变初生硅的生长形态，但变质的有效时间很短，而且易腐蚀工具、易形成缩松，影响合金质量，因此加入钡盐，强化变质效果，抗变质能力衰退，二者的硅相都遵循孪晶凹谷机制生长；熔体处于深过冷状态，而锑元素可作为硅相的形核核心，在过冷度增大的情况下，大量的共晶硅生成，因此形成细小致密的共晶组织，从而达到近伪共晶状态。
(2)本发明操作简单，原料价格低廉，且对环境无污染，只通过锑和卤盐就能完成，从而获得近伪共晶组织的Al-16Si合金，对拓宽过共晶铝硅合金的应用领域具有重大意义。
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为本发明对比例1中Al-16Si合金试样横截面处的显微组织照片；
图2为本发明对比例2中Al-16Si-0.3Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图3为本发明对比例2中Al-16Si-0.45Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图4为本发明对比例2中Al-16Si-0.6Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图5为本发明对比例3中净化后的Al-16Si合金试样横截面处显微组织照片；
图6为本发明对比例4中净化后的Al-16Si合金试样横截面处显微组织照片；
图7为本发明实施例1中净化后的Al-16Si-0.3Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图8为本发明实施例1中净化后的Al-16Si-0.45Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图9为本发明实施例1中净化后的Al-16Si-0.6Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图10为本发明实施例2中净化后的Al-18Si合金试样横截面处显微组织照片；
图11为本发明实施例2中净化后的Al-18Si-0.45Sb合金试样横截面处显微组织照片；
图12为本发明实施例3中净化后的Al-20Si合金试样横截面处显微组织照片；
图13为本发明实施例3中净化后的Al-20Si-0.45Sb合金试样横截面处显微组织照片。
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，下面结合说明书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。
实施例1
Al-16Si过共晶合金在850℃熔炼，经过熔体净化和锑合金化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用Al2O3坩埚将按照40％NaCl+40％KCl+10％Na3AlF6+10％BaCl2的成分比例配制的卤盐净化剂放置在850℃井式炉中熔化，用量要求将合金完全浸没；
将Al-16Si合金完全浸没在净化剂中，在850℃进行熔炼；
合金熔化后，分别添加质量占比为0.3wt.％、0.45wt.％、0.6wt.％的纯锑，将熔体充分搅拌，并在850℃下进行保温30分钟；
保温结束，将经过熔体净化和锑合金化处理的Al-18Si合金熔体浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中。
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。
其金相组织照片如图7～9所示。
与仅做了净化处理的Al-16Si合金相比，图6中使用0.3wt.％锑合金化和净化处理后，Al-16Si合金中无明显的针状初生硅，但放大后可看到较为致密的硅相，并且可看部分铝基体。
增加锑的含量，如图8，跟图7相比，含有0.45wt.％锑的组织中几乎看不到初生硅，共晶组织已经变为非常致密的纤维状。继续加入锑至0.6wt.％时，开始出现了板片状初生硅，平均尺寸约为47.2μm，面积占比约为2.7％，初生硅颗粒数增加至13。
当锑含量≤0.45wt.％时，熔融状态的卤盐净化剂隔绝了空气，并且去除了合金中的杂质，使熔体处于深过冷状态；而锑元素的加入消除了合金中的非自发形核，减少了初生硅的形核，且促进共晶硅细化。液相中出现富硅现象，而由于合金处于深过冷状态，因此更多的共晶硅形核，从而抑制了共晶硅的生长。
当锑含量≥0.6wt.％时，合金中出现的Al-Sb化合物可作为硅相的形核核心，且处于深过冷状态下的合金中，尺寸较大的Al-Sb化合物也可作为初生硅的形核核心，因此初生硅数量增加，并且组织中看不到明显的Al-Sb化合物。综上所述，当锑合金化和熔体净化协同对Al-16Si合金处理时，锑添加量为0.45wt.％时，合金组织更接近伪共晶。
实施例2
Al-18Si过共晶合金在850℃熔炼，经过熔体净化和锑合金化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用Al2O3坩埚将按照40％NaCl+40％KCl+10％Na3AlF6+10％BaCl2的成分比例配制的卤盐净化剂放置在850℃井式炉中熔化，用量要求将金属完全浸没；
将Al-18Si合金完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼，合金熔化后，一份加入质量占比为0.45wt.％的纯锑，将熔体充分搅拌，并在850℃下进行保温30分钟；另一份直接保温30分钟；
保温结束，将经过处理的Al-18Si合金熔体浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中。
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。其中不含锑的金相组织照片如图10所示，含锑金相组织照片如图11所示。
图10中还含有多块复杂形状的初生硅颗粒，并且还有大量的针状初生硅，除针状外的初生硅平均尺寸约为108.7μm，面积占比约为3.5％，铝基体清晰可见。
加入锑后，见图11，板片状初生硅基本消失，α-Al相减少，仅伴随在初生硅周围，组织中留下共晶硅相和已经细小的初生硅，部分转变为纤维状。
实施例3
Al-20Si过共晶合金在850℃熔炼，经过熔体净化和锑合金化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用Al2O3坩埚将按照40％NaCl+40％KCl+10％Na3AlF6+10％BaCl2的成分比例配制的卤盐净化剂放置在850℃井式炉中熔化，用量要求将合金完全浸没；
将Al-20Si合金完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼，合金熔化后，一份加入质量占比为0.45wt.％的纯锑，将熔体充分搅拌，并在850℃下进行保温30分钟；另一份直接保温30分钟；
保温结束，将经过熔体净化和锑合金化处理的Al-20Si合金熔体浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中。
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。其中不含锑的金相组织照片如图12所示，初生硅形态彻底改变，仅有大块的复杂状与粗针状，共晶硅也变得粗大。此时只经过净化处理的效果已经变差。含锑金相组织照片如图13所示，尽管依旧有粗大复杂的块状初生硅，但粗针状的初生硅有些许的细化。
如上述图例可知，熔体净化和锑合金化协同处理能够抑制硅含量较低的过共晶铝硅合金中初生硅的析出。在单独使用净化剂净化合金时，Al-16Si合金的净化效果最好；在使用锑合金化与熔体净化协同作用时，锑含量为0.45wt.％时效果最好，此时的合金组织已接近伪共晶(图8)。增加锑含量时，合金中Al-Sb化合物消失，板片状初生硅颗粒数增加但平均尺寸减小，针状初生硅出现。增大硅含量会增加初生硅的析出，尽管板片状的初生硅减少，但增加了大量的针状初生硅，且变得粗大，需要后续处理增强合金的性能。
对比例1
Al-16Si过共晶合金在850℃熔炼并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用石墨坩埚在井式炉中熔炼Al-16Si合金，熔炼温度为850℃；
合金熔化后，刮去表面浮渣，使用六氯乙烷精炼，保温30分钟，保温过程中为防止成分不均匀，使用石墨棒充分搅拌熔体；
保温结束，将Al-16Si合金浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中；
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图1所示。
合金组织由初生硅、α-Al相和共晶组织组成，存在大量的初生硅且多为板片状，棱角分明的初生硅边缘会产生应力集中，导致合金开裂，降低其力学性能。
对比例2
Al-16Si过共晶合金在850℃熔炼，经过锑合金化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用石墨坩埚在井式炉中熔炼Al-16Si合金，熔炼温度为850℃；
合金熔化后，刮去表面浮渣，分别添加质量占比为0.3wt.％、0.45wt.％、0.6wt.％的纯锑，将混合熔体充分搅拌，并在850℃下保温30分钟；
保温结束，将合金浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中；
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。
其金相组织照片如图2～4所示。初生硅的具体数据见表1。
表1Al-16Si-xSb定量分析
与图1相比，图2经过锑合金化的Al-16Si合金中初生硅平均尺寸明显增加，但面积占比和颗粒数减少；α-Al相分布散乱，占比增加。
增加锑的添加量，见图3，初生硅的平均尺寸和面积占比都在增大，颗粒数也在增加，α-Al相集中，共晶组织中的α-Al相减少。当锑含量为0.6wt.％时，不仅初生硅尺寸大幅增加，颗粒数减小，α-Al相集中在初生硅周围，组织中还出现了黑色的Al-Sb化合物，见图4。
Al-Sb化合物可作为共晶硅的形核核心，且过冷度降低、生成的Al-Sb尺寸较大时，也可能会成为初生硅的核心，得到粗大的初生硅，因此图4中共晶组织致密、初生硅颗粒偏大。
根据表1，加入纯锑后，初生硅颗粒数减少、平均尺寸增大，面积占比减小，且随着锑含量的增加，初生硅的平均尺寸增加、面积分数增加，颗粒数减小。
对比例3
Al-16Si过共晶合金在850℃熔炼，经过熔体净化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用Al2O3坩埚将按照42.5％NaCl+42.5％KCl+15％Na3AlF6的成分比例配制的卤盐净化剂放置在850℃井式炉中熔化，用量要求将合金完全浸没；
将Al-16Si合金完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼并保温30分钟；
保温结束，将熔体净化处理的Al-16Si合金熔体浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中。
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图5所示。合金中初生硅颗粒数虽然减少，但其生长方式发生较大改变，由原本的规则板片状变为十字状的复杂形态，并且有部分针状初生硅。
对比例4
Al-16Si过共晶合金在850℃熔炼，经过熔体净化并保温30分钟，浇注在室温金属型中，具体操作如下：
使用Al2O3坩埚将按照40％NaCl+40％KCl+10％Na3AlF6+10％BaCl2的成分比例配制的卤盐净化剂放置在850℃井式炉中熔化，用量要求将合金完全浸没；
将Al-16Si合金完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼并保温30分钟；
保温结束，将熔体净化处理的Al-16Si合金熔体浇注到内腔尺寸为Φ12x120mm的室温金属型中。
在底部10mm处截取试样，使用金相显微镜进行观察。其金相组织照片如图6所示。合金中初生硅颗粒数减少，仅有6颗，平均尺寸为71.9μm，面积占比为2.3％。板片状的初生硅改变了生长方向，部分变为细针状，也有少量复杂形态的初生硅。共晶组织分布均匀，由于初生硅的形核与生长导致附近出现了贫硅现象，因此α-Al相主要分布在初生硅周围。
本发明使用熔体净化和锑合金化协同对Al-16Si合金进行复合变质处理，抑制低硅含量的过共晶铝硅合金中初生硅的析出，通过隔绝合金与空气、净化合金中的杂志与氧化，合金始终处于深过冷状态，可促进硅相大量形核并改变他们的生长方式。而锑可以为硅相的形核提供核心，也可以吸附在共晶硅表面抑制其生长，最终获得近似伪共晶组织的过共晶铝硅合金。
本发明采用卤盐净化剂和纯锑对过共晶Al-16Si合金进行协同作用，通过卤盐消除熔体中的气体以及氧化物、杂质元素等，消除初生硅的非自发形核基底，从而抑制了初生硅的形核与生长；净化剂中钠与钡互相配合，强化变质效果，减少衰退，硅相遵循遵循孪晶凹谷机制生长；熔体处于深过冷状态，而锑元素可作为硅相的形核核心，在过冷度增大的情况下，大量的共晶硅生成，因此形成细小致密的共晶组织，从而达到近伪共晶状态。
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范围当中。
Claims (8)
1.一种利用锑合金化和熔体净化制备近伪共晶铝硅合金的方法，其特征在于：包括，
将卤盐净化剂熔化后，制得熔化后的净化剂；
将Al-16Si过共晶铝硅合金浸没在熔化的净化剂中，熔炼制得合金熔化后的合金液；
向熔化后向合金液中加入纯锑，并保温，保温后将合金液浇注到室温金属型中成型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述卤盐净化剂由NaCl、KCl、BaCl2和Na3AlF6复配而成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述卤盐净化剂，按照原料质量百分比计，所述NaCl含量为40％，所述KCl含量为40％，所述Na3AlF6含量为10％，所述BaCl2含量为10％。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述将卤盐净化剂熔化，其中，熔化稳定为850℃。
5.如权利要求1～4中任一所述的方法，其特征在于：所述熔炼制得合金熔化后的合金液，其中，熔化温度为850℃。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.3wt.％～0.6wt.％。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.3wt.％～0.45wt.％。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述锑的量为Al-16Si过共晶铝硅合金总质量的0.45wt.％。
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