CN117344162A - 重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金材料处理技术领域，公开了重熔调控Al‑Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法，包括以下步骤：将Al‑Si系亚共晶铸造合金的制备原料完全熔化后，于T1下进行保温，T1>(Tlid+50℃)；再降温至T2后进行保温，T2≤Tsol；再加热至T3后进行保温t min，T3＝T4‑m×(100‑C)，t＝(T4‑T3)/6m；浇铸，冷却后，获得合金材料B，即可实现对铸造铝合金中凝固析出相形貌进行调控。本发明的方法可有效通过铸造铝合金熔炼工艺实现对凝固组织的有效调控，易于实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料处理技术领域，尤其涉及重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法。
背景技术
铸造铝合金因具有密度低，比强度高，抗腐蚀性高，尺寸稳定性好等优点，是一类非常重要的工程材料。广泛应用于燃汽轮叶片、泵体、挂架、轮毂、进气唇口和发动机的机匣等，还用于制造汽车的气缸盖、变速箱和活塞，仪器仪表的壳体和增压器泵体等零件。
然而，由于铸造铝合金结晶温度范围较宽，合金凝固收缩较大，导致合金初生富铝相和共晶硅相形貌粗大，铸件组织宏观偏析严重，易形成针孔，疏松，夹渣等铸造缺陷，严重降低铸件成型质量这一普遍存在的问题。针对铸造铝合金铸件和凝固组织存在上述问题，一般需要在铸造铝合金凝固过程中添加晶粒细化剂或者变质剂、施加压力场或者超声和震动场等多场耦合的方法来细化铸造铝合金的凝固组织、碎断或者游离初生富铝相、降低铸件针孔，疏松，夹渣等铸造缺陷，来提升铸造铝合金铸件的成型质量。
为了进一步地简化提升铸造铝合金铸件的成型质量的工艺，现有技术提出了一种真空激光重熔表面改性方法，通过激光对合金表面进行完全熔化，此后进行快速凝固，在表面层形成细小的晶粒组织，以达到表面改性的目的，上述激光表面重熔的方法，对表面层金属完全重熔后形成细小晶粒组织的原因在于，重熔的表面层金属凝固是发生在强导热的条件下，即表面薄层金属液凝固时释放的结晶潜热会被底部未重熔的金属所吸收。这一重熔方法明显不适合大体积的铸造铝合金凝固过程，因为完全重熔的合金熔体会重新形核和长大，此时大体积的铸造铝合金熔体无法像表面重熔那样快速导热，因而生成新的粗大的铝合金组织。现有技术还提供了一种激光表面重熔与化学脱合金复合制备微纳米结构块体硅材料的方法。该方法采用激光对铝硅铸造合金进行表面重熔处理，然后将表面重熔层切割下来，最后采用腐蚀剂对重熔层进行脱合金处理，去掉元素铝，最终获得微纳米结构块体硅材料。该方法可实现对铸造铝合金中硅相的细化处理。但对于大体积的铸造铝合金熔体以及其精密铸件，采用重熔外的其他方式诸如腐蚀，明显无法满足工业规模铸造铝合金铸件的生产。
为此，本发明提供一种重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法。
发明内容
针对铸造铝合金凝固组织中凝固析出相形貌和尺寸粗大，成分偏析严重，铸造缺陷多等导致合金力学性能较差等问题，本发明提供一种重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法，通过熔体重熔处理的方法来部分重熔凝固析出相，达到凝固析出相枝晶碎断，游离，细化和组织均匀化的目的。本发明的方法可有效细化和优化铸造铝合金的凝固组织，实现铸造铝合金熔炼工艺对凝固组织的有效调控，易于实现工业化生产。
本发明的重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法是通过以下技术方案实现的：
一种重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法，包括以下步骤：
步骤1，将Al-Si系亚共晶铸造合金的制备原料完全熔化后，于T1温度下保温处理，获得熔体A；
其中，所述T1>(Tlid+50℃)，Tlid为合金的液相线温度；
步骤2，将所述熔体A降温至T2后进行保温处理，获得合金材料A；
其中，T2≤Tsol，Tsol为合金的固相线温度；
步骤3，将所述合金材料A加热至T3后进行保温t min，以实现对所述合金材料A的重熔处理，获得熔体B；
其中，T3＝T4-m×(100-C)，t＝(T4-T3)/6m；
T4为纯铝的熔点，m为初生富铝相析出的平均液相线斜率，C为铸造铝合金中铝元素的百分比含量；
步骤4，将所述熔体B进行浇铸，冷却后，获得合金材料B，即可实现对Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌进行调控。
进一步地，步骤1中，保温处理的时间需要根据保温温度T1来选择，本发明考虑到T1>(Tlid+50℃)，故此步骤保温处理的时间≥10min，以确保各个制备原料形成完全熔融后充分受热并混匀。
且本发明将步骤1中保温处理的时间进一步优选为10～30min。
进一步地，步骤2中，保温处理是对熔体A降温后进行保温，以使熔体A在此过程中，凝固析出相初生富铝相(α-Al)和α-Al加共晶硅依次析出长大，故本步骤的T2为析出温度。本实施例考虑到，本步骤的保温处理的时间与析出温度T2有关，故保温处理的时间为0.5～3min。
且本发明将步骤2中保温处理的时间进一步优选为0.5～1.5min。
进一步地，所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-12Si铸造铝合金、Al-6Si铸造铝合金中的任意一种。
进一步地，当所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-12Si铸造铝合金时，其由以下原子质量百分比组分组成：
88wt.％Al和12wt.％Si。
进一步地，当所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-6Si铸造铝合金时，其由以下原子质量百分比组分组成：
94wt.％Al和6wt.％Si。
进一步地，所述浇铸处理的温度为T3。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
为解决铸造铝合金常规方法熔炼浇铸后凝固组织中析出相组织形貌粗大导致合金铸件性能较差的问题，本发明依据界面稳定性分析，协同考虑成分梯度和界面能对析出相组织形貌的影响，提出通过重熔处理来调控铸造铝合金凝固析出相形貌和尺寸的方法，即在凝固相析出后，通过控温重新加热体系温度至其固相线和液相线温度的间隙，在此温度间隙保温，使得初生固相在成分梯度和界面能的作用下发生失稳、碎断、游离，进而达到细化析出相尺寸、圆整化初生相形貌的目的。
本发明的方法可有效细化和优化铸造铝合金的凝固组织，实现铸造铝合金熔炼工艺对凝固组织的有效调控，易于实现工业化生产。本发明在高性能、低成本、铸造铝合金的控型控性方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为铸造铝合金重熔处理调控凝固析出相形貌的流程图；
图2铸造铝合金重熔处理时初生富铝相细化示意图；
图3为对比例1的合金材料在10mm尺度下的多元合金微观组织照片；
图4为对比例1的合金材料在100μm尺度下的多元合金微观组织照片；
图5为对比例1的合金材料的晶粒尺寸分布图；
图6为实施例1的合金材料B在10mm尺度下的多元合金微观组织照片；
图7为实施例1的合金材料B在100μm尺度下的多元合金微观组织照片；
图8为实施例1的合金材料B的晶粒尺寸分布图；
图9为对比例2的合金材料在10mm尺度下的多元合金微观组织照片；
图10为实施例2的合金材料B在10mm尺度下的多元合金微观组织照片。
具体实施方式
本发明考虑到铸造铝合金具有较宽的结晶温度范围，即初生富铝相的凝固需要在较大的温度区间内进行。这为通过调控体系温度(初生富铝相的结晶温度范围内)来进一步调控溶质扩散和界面迁移进一步调控初生富铝相的稳定性提供了可能，通过调控初生富铝相的稳定性来实现粗大初生富铝相枝晶到等轴晶的转变，即可实现合金组织的晶粒细化、降低铸件宏观偏析、抑制针孔，疏松，夹渣等铸造缺陷的形成，获得组织和成型质量大幅提升的铸造铝合金铸件。且下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
请参阅图1，本实施例以Al-12Si铸造铝合金(铝的质量分数为88％，硅的质量分数为12％)为例，提供一种重熔调控Al-12Si铸造铝合金中凝固析出相形貌的方法，包括以下步骤：
步骤1，按照Al-12Si铸造铝合金的成分百分比，即88wt.％铝和12wt.％硅的配比，分别称取相应质量的铝锭和结晶硅原材料，于熔炼炉中完全熔化后，于T1温度下保温处理，获得熔体A；
其中，T1>(Tlid+50℃)，本实施例考虑到Al-12Si合金中初生富铝相的液相线温度Tlid约为578℃，故本实施例中T1选为700℃。且该步骤中的保温处理主要使制备原料充分受热并混匀，其保温处理的时间需要根据保温温度T1来选择，本实施例中，保温时间为10min。
步骤2，将所述熔体A降温至T2后进行保温处理，获得合金材料A；
其中，T2≤合金的固相线温度，本实施例考虑到Al-12Si合金中初生富铝相的液相线温度为578℃，故本实施例中T2选为565℃。且该步骤中，对熔体A降温后进行保温处理，以使熔体A在此过程中，凝固析出相初生富铝相(α-Al)和α-Al加共晶硅依次析出长大，故本步骤的T2为析出温度。本实施例考虑到，本步骤的保温处理的时间与析出温度T2有关，故优选的保温时间为1min。
步骤3，将所述合金材料A加热至T3后进行保温t min，以实现对所述合金材料A的重熔处理，获得熔体B；
请参阅图2，图2为铸造铝合金重熔处理时初生富铝相细化示意图。本步骤中的保温处理是为了使合金材料中析出的凝固析出相进行重熔，以使合金材料A中析出的凝固析出相发生部分重熔，达到析出相枝晶碎断，游离，细化和组织均匀化的目的。且由图2可以看出，加热至低于初生富铝相液相线温度保温，此时初生富铝相会在溶质和热扩散作用下发生粗大枝晶碎断并转变为细小的等轴晶组织。
为了实现上述效果，本步骤的保温处理的温度和时间均非随意设置，而是通过协同考虑成分梯度和界面能对析出相组织形貌的影响，提出通过重熔处理来调控铸造铝合金凝固析出相形貌和尺寸的方法，即在凝固相析出后，通过控温重新加热体系温度至其固相线和液相线温度的间隙，在此温度间隙保温，使得初生固相在成分梯度和界面能的作用下发生失稳、碎断、游离，进而达到细化析出相尺寸、圆整化初生相形貌的目的。故本步骤的保温处理的温度T3和时间t分别通过以下公式计算获得：
T3＝T4-m×(100-C)，t＝(T4-T3)/6m；T4为纯铝的熔点，m为初生富铝相析出的平均液相线斜率，C为铸造铝合金中铝元素的百分比含量。
纯铝的熔点为660℃，且本实施例中初生富铝相析出的平均液相线斜率m为7.5，铸造铝合金中铝元素的百分比含量C为88，故本实施例的T3＝660-7.5×(100-88)＝570℃；t＝(660-570)/(6×7.5)＝2min。
故本步骤中，将合金材料A加热至570℃后，于570℃下保温2min，即可实现对合金材料A的重熔处理。
步骤4，将所述熔体B进行浇铸，冷却后获得合金材料B，获得的合金材料B为组织和性能优化的铸件和合金组织，即实现对铸造铝合金中凝固析出相形貌进行调控。
实施例2
本实施例以Al-6Si铸造铝合金(铝的质量分数为94％，硅的质量分数为6％)为例，提供一种重熔调控Al-6Si铸造铝合金中凝固析出相形貌的方法，包括以下步骤：
步骤1，按照Al-6Si铸造铝合金的成分百分比，即94wt.％铝和6wt.％硅的配比，分别称取相应质量的铝锭和结晶硅原材料，于熔炼炉中完全熔化后，于T1＝700℃的温度下保温超过10min，获得熔体A；
其中，铝锭的纯度≥99.99％，结晶硅的纯度≥99.99％；
步骤2，将所述熔体A降温至T2＝565℃后保温1min，在此过程中，凝固析出相初生富铝相(α-Al)和α-Al加共晶硅依次析出长大，获得合金材料A；
步骤3，将所述合金材料A加热至T3后进行保温t min，以实现对所述合金材料A的重熔处理，获得熔体B；
其中，T3＝T4-m×(100-C)＝660-7.5×(100-94)＝615℃，t＝(T4-T3)/6m＝(660-615)/(6×7.5)＝1min。故本步骤中，将合金材料A加热至615℃后，于615℃下保温1min，即可实现对合金材料A的重熔处理。
步骤4，对经过重熔处理的熔体B进行浇铸，获得组织和性能优化的铸件和合金组织。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：
本发明不进行步骤2和步骤3的处理，直接将熔体A浇铸，获得合金材料。
对比例2
本对比例与实施例2的区别仅在于：
本发明不进行步骤2和步骤3的处理，直接将熔体A浇铸，获得合金材料。
试验部分
(一)实施例1和对比例1的合金微观组织分析
本发明对对比例1的合金材料的合金微观组织分布以及晶粒尺寸分布进行了测试分析，且其测试结果分别如图3-图5所示。
其中，图3为对比例1的合金材料在10mm尺度下的多元合金微观组织照片，图4为对比例1的合金材料在100μm尺度下的多元合金微观组织照片，图5为对比例1的合金材料的晶粒尺寸分布图。
本发明对实施例1的合金材料B的合金微观组织分布以及晶粒尺寸分布进行了测试分析，且其测试结果分别如图6-图8所示。
其中，图6为实施例1的合金材料B在10mm尺度下的多元合金微观组织照片，图7为实施例1的合金材料B在100μm尺度下的多元合金微观组织照片，图8为实施例1的合金材料B的晶粒尺寸分布图。
且由图2-图8可知，对比例1的未重熔处理样品晶粒尺寸集中在90微米范围，是重熔处理样品(晶粒尺寸集中在30微米范围)晶粒尺寸的3倍。
(二)实施例2和对比例2的合金微观组织分析
本发明还对对比例2和实施例2制备的合金材料的合金微观组织分布进行了测试，且其测试结果分别如图9、图10所示。
图9为对比例2的合金材料在10mm尺度下的多元合金微观组织照片，图10为实施例2的合金材料B在10mm尺度下的多元合金微观组织照片。
且由图9-图10可以看出，对比例2未重熔处理样品枝晶胞落直径约为100μm(圆圈区域)，而实施例2重熔处理样品胞落直径约为10μm(圆圈区域)，因此经过重熔处理晶粒胞落细化了约10倍。
显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种重熔调控Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将Al-Si系亚共晶铸造合金的制备原料完全熔化后，于T1温度下保温处理，获得熔体A；
其中，所述T1>(Tlid+50℃)，Tlid为合金的液相线温度；
步骤2，将所述熔体A降温至T2后进行保温处理，获得合金材料A；
其中，T2≤Tsol，Tsol为合金的固相线温度；
步骤3，将所述合金材料A加热至T3后进行保温t min，以实现对所述合金材料A的重熔处理，获得熔体B；
其中，T3＝T4-m×(100-C)，t＝(T4-T3)/6m；
T4为纯铝的熔点，m为初生富铝相析出的平均液相线斜率，C为铸造铝合金中铝元素的百分比含量；
步骤4，将所述熔体B进行浇铸，冷却后，获得合金材料B，即可实现对Al-Si系亚共晶铸造合金中凝固析出相形貌进行调控。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，保温处理的时间≥10min。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，保温处理的时间为10～30min。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，保温处理的时间为0.5～3min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，保温处理的时间为0.5～1.5min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-12Si铸造铝合金、Al-6Si铸造铝合金中的任意一种。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-12Si铸造铝合金时，其由以下原子质量百分比组分组成：
88wt.％Al和12wt.％Si。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述Al-Si系亚共晶铸造合金为Al-6Si铸造铝合金时，其由以下原子质量百分比组分组成：
94wt.％Al和6wt.％Si。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浇铸处理的温度为T3。
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