CN1244711C - 一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金及其工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金及工艺方法。其特征在于在电解铝硅合金中(通常Si含量6-12wt%范围)添加铝硅中间合金，在熔体中加入或不加入少量锶或稀土(RE)合金或钠盐，即可获得完全共晶组织，不出现初生硅。其方法是先将电解铝硅合金和铝硅中间合金熔化，升温至液相线以上150℃，去气精炼。加入或不加入Al-Sr中间合金或Al-RE中间合金，搅拌均匀，静止15分钟，即可浇注铸件。本发明适用于要求耐磨性能高的轻质铝硅合金铸件，过共晶铝硅合金组成为(wt%)：Si12.0-17.0，Cu0.5-1.5，Mg0.2-1.5，Ni＜3.0，Mn0.1-0.9，Zn＜1.0，Fe＜1.3，Ti0.02-0.3，余量为Al。本发明加入变质剂的量(0.001-0.010%)，其远低于文献报道值(0.1-0.4%)，从而避免了缩松的产生，保证获得致密的铸件。

Description

一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金及其工艺方法

技术领域：

本发明涉及一种具有共晶组织或变质共晶组织的过共晶铝硅合金及工艺方法。更确切地说是在电解铝硅合金中(Si＜12％)加入Al-Si中间合金构成过共晶成份(Si＞12％)，再添加少量锶或稀土或钠盐等变质剤，或不进行变质处理，即可抑止初生硅的析出，从而获得具有变质共晶组织的过共晶铝硅合金。

背景技术：

过共晶铝硅合金是一种轻质耐磨材料。随着硅量增加合金耐磨性能进一步得到提高，但粗大、有棱角的初生硅随之析出，恶化了合金机械性能和加工性能。细化或者团、球化初生硅相或者抑止它的析出使之具有共晶组织，皆可以大幅度改善合金韧性、强度和加工性能。

通常在过共晶铝硅合金中加入磷基硅相细化剂可以有效地细化硅相，却不能改变它们原有形态，即初生硅呈多角状，共晶硅仍呈针、片状，影响到合金性能的改善。加入含磷、钛、硼、稀土等的硅相球化剂的合金经过T6热处理后，共晶硅和初生硅得到团、球化，从而大大提高过共晶合金的机械性能和加工性能(Hsien-Yang Yeh，Ru-Yao Wang et al USP 6,261,391B1 Jul.17，2001)不过，这种工艺在进行T6热处理过程中团、球硅有时聚集成串影响合金性能。在过共晶铝硅合金中(Si＜15％)加入过量Na或Sr(0.1-0.4％)和Cr、Mo、Ta、Tl、V等元素，能形成金属间化合物可以充当初生硅的外来晶核，促进初生硅细化，并使共晶硅变质。但由于Na或Sr加入量过高(0.1-0.4％)容易引起缩松，难以获得致密铸件(Rogers K et al USP 5,484,492 Jan.16，1996)。八十年代以后出现的高温过热处理工艺可以大大改善合金性能。先将合金过热到1100-1200℃。此时各种杂质及硅质点皆溶解在铝液中形成均质铝硅溶体。再加入超细TiN或AlN形成大量外来晶核使初生硅和共晶硅得到充分细化，从而大大提高合金使用性能(Shepelov.L et al USP 6,132,532 Oct.17 2000)。近年来又出现过热-快冷工艺(或称之为热速处理)例如，将Al-18％Si过共晶合金加热至950℃，然后与另一组加热至750℃的同样合金熔体混合再浇注，可以将初生硅细化至20μm以下(坚增运 杨根仓 周尧和 中国有色金属学报1995(4)133-135)。不过，这种高温过热处理给生产带来许多工艺上的困难，难以推广应用。

电解铝硅合金在生产过程中承受920-950℃高温和电流处理，凝固时也可以取得高温处理的效果，即出现较大的过冷度以及细小变质共晶硅和较多的枝晶状初生铝相(Ru-Yao Wang Wei-Hua Lu L Hogan Materials Scienceand Engineering A348(2003)289-298)。计算表明电解铝硅合金共晶点硅相成分移至16％左右。可以设想含硅16％以下的电解过共晶合金将具有共晶组织，并且应处于变质状态。电解过程中硅量越高，操作越困难。目前还不能生产硅量超过12％的过共晶电解铝硅合金。

发明内容

基于以上认识，本发明目的在于提供一种具有共晶组织或或变质共晶组织的过共晶铝硅合金及工艺方法，既扩大了电解硅铝合金硅含量范围，又提高了合金的机械性能和加工性能，为生产轻质过共晶铝硅合金耐磨材料的汽车、航空零件提供一条简易、廉价的新途径。

本发明的目的通过以下方式实现：

所述的过共晶铝硅合金系列含Si12.0-17.0％(重量，下同)、Cu0.5-1.5％、Mg 0.2-1.5％、Ni＜3.0％、Mn0.1-0.9％、Zn＜1.0％、Fe＜1.3％，Ti0.02-0.3％，余量为Al。

本发明所述的过共晶铝硅合金工艺方法所用的炉料包括电解铝硅合金(通常Si量在6.0-12.0％范围)、铝硅中间合金以及其它Al-X中间合金(X指所述合金其它元素)。用电阻炉或其它熔化炉熔化炉料。升温到液相线以上100-150℃，去气精炼，然后加入锶或稀土变质剂或同时加入两种变质剤或钠盐进行变质处理或不进行变质处理。搅拌均匀，再静置15分钟即可浇注。合金铸态组织中不出现初生硅，而由变质或欠变质共晶体和枝晶状初生铝组成。浇注时间超过1.5小时出现轻微变质衰退。重熔后也出现变质衰退，但仍保留共晶组织。

本发明所述的锶或稀土分别使用Al-10％Sr或Al-10％RE中间合金，加入量皆在0.01-0.10％范围内。两者同时加入的加入量也在0.01-0.10％范围。使用钠或钠盐变质的效果不如前两者。

本发明所述铝硅合金用氮气或六氯乙烷去气精炼。

本发明的优点是：

①本发明所述过共晶铝硅合金具有共晶组织是指在电解铝硅合金中加入铝硅中间合金，调整为过共晶铝硅合金前提下，利用电解铝硅合金固有的自变质性能，或再加入少量锶或稀土或钠盐变质剤便可抑止初生硅的析出，而形成变质或欠变质铝硅共晶组织。

②本发明选用电解铝硅合金，避免了高温过热所带来的工艺上的困难，却具有高温过热处理所产生的组织变质效果。

③本发明所加入的锶或稀土的数量(0.001-0.010％)皆远低于专利(Rogers K et al USP 5,484,492Jan.16，1996)的必需值(0.1-0.4％)。这就避免了缩松的产生，保证获得致密的铸件。

④本发明适于生产要求耐磨性能高的铝硅合金铸件。

附图说明

图1电解铝硅合金锭铸态组织。化学成份：Si11.60％、Cu1.05％、Mg0.65％、Mn0.50％、Ni0.30％、Zn0.015％、Ti0.10％、Fe0.25％、Sr＜0.0006％。共晶硅呈变质纤维状。粗大枝晶状初生铝均匀分布。100X

图2过共晶铝硅合金铸态组织。化学成份：Si13.7％、Cu0.98％、Mg0.55％、Mn0.49％、Ni0.30％、Zn0.010％、Fe0.26％、Ti0.08％、Sr＜0.0006％。变质共晶组织，共晶硅异常细小。共晶体晶界上出现细小片状硅相和枝晶状初生铝相。无初生硅相。100X

图3过共晶铝硅合金铸态组织。化学成份；Si15.4％、Cu1.05％、Mg0.52％、Mn0.50％、Ni0.28％、Zn0.010％、Fe0.32％、Ti0.08％、Sr0.0010％。共晶组织呈欠变质状态，共晶体晶界上出现短片状硅相和个别小块初生硅相(见图4)。说明电解铝硅合金自变质性质随着加入硅量数量的增加而逐渐减弱。100X

图4是图3合金组织放大图片。欠变质共晶硅，出现短片状共晶硅相和小尺寸初生硅(＜10μm)。500X

图5过共晶铝硅合金铸态组织。化学成份：Si15.7％、Cu1.00％、Mg0.55％、Mn0.50％、Ni0.28％、Zn0.010％、Fe0.33％、Ti0.09％、Sr0.0051。合金浇注前加入Al-10％Sr中间合金进行变质处理。未发现初生硅相，共晶硅仍呈欠变质状态。说明锶起了变质作用，抑止初生硅的析出。

图6过共晶铝硅合金重熔后的铸态组织。化学成份同图2。由铝硅共晶体组成，共晶硅呈欠变质状态，出现短棒状共晶硅相和亇别细小初生硅相。说明重熔后电解铝硅合金自变质作用减弱，但仍保持共晶组织。

图7过共晶铝硅合金铸态组织。化学成份：Si14.2％、Cu1.05％、Mg0.50％、Mn0.36％、Ni0.28％、Zn0.02％、Fe0.30％、Ti0.08％。合金浇注前加入Al-10％RE中间合金进行变质处理。共晶硅呈欠变质状态。枝晶状初生铝相数量较多，分布均匀。出现少量小尺寸(＜20μm)初生硅相。说明稀土变质作用比锶弱得多。200X

具体实施方式

下面通过具体实施例子进一步阐述本发明的实质特点和显著的进步。但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1

过共晶铝硅合金化学成份Si13.7％、Cu0.98％、Mg0.55％、Mn0.49％、Ni0.30％、Zn0.010％、Fe0.26％、Ti0.08％、Sr＜0.0006％。炉料组成包括电解铝硅合金(见图1说明)、Al-25％Si中间合金。用电阻炉熔化。升温至720℃，用氮气去气。保温15分钟后浇入预热至300℃的金属型。试样尺寸为45×50×120mm。合金铸态金相组织中(见图2)不出现初生硅相，铝硅共晶体和数量较多的枝晶状初生铝相为主要组成。共晶体中心硅相呈变质态，异常细小并扭曲，而晶界上的共晶硅有些粗化。说明以电解铝硅合金为主体的过共晶铝硅合金，兑入少量硅以后仍可保持原有自变质性能。

实施例2

过共晶铝硅合金化学成份为Si15.4％、Cu1.05％、Mg0.52％、Mn0.50％、Ni0.28％、Zn0.010％、Fe0.32％、Ti0.08％、Sr0.001％。炉料组成及熔化工艺如例1。合金铸态组织基本上由铝硅共晶体组成，少量初生铝相分布在铝硅共晶体晶界上。共晶硅属欠变质，相当部分呈短棒状(图3)并出现个别尺寸在10μm左右，呈棱角状的初生硅相(图4)。说明兑入较多Al-25％Si中间合金时，由于未溶解的硅晶体太多，电解铝硅合金固有的自变质性能大为降低。此时，还出现轻微的硅相漂浮

实施例3

过共晶铝硅合金化学成份为Si15、7％、Cu1.00％、Mg0.55％、Mn0.50％、Ni0.28％、Zn0.010％、Fe0.33％、Ti0.09％、Sr0.0051％。炉料组成及熔化工艺同例1。去气后加入Al-10％Sr中间合金进行变质处理。搅拌均匀，再静置15分钟后浇注。试样同例2。合金铸态金相组织基本上由铝硅共晶体组成，每个共晶体为铝相所包围(图5)。共晶体中心的硅相得到充分变质，十分细小，但晶界上的硅相呈短棒状以辐射方式分布在铝基体上。铝相数量比未经锶变质处理的合金(例2)大为增加。说明合金含硅量接近非平衡共晶成份16％时必须进行变质，否则，硅相变质不充分。此外，本实施例的硅漂浮现象减弱。这可能与Sr和Ti共存能防止硅相漂浮的作用有关(Rogers K et al USP 5,484,492Jan.16，1996)。

实施例4

过共晶铝硅合金化学成分、炉料组成及熔化工艺同例1。试样重熔后不加入任何变质剂。合金铸态金相组织仍由铝硅共晶体组成，大部分共晶硅呈短棒，并有少量小尺寸初生硅。说明重熔后过共晶铝硅合金变质性能明显衰退(图6)。

实施例5

过共晶铝硅合金化学成份为Si14.2％、Cu1.05％、Mg0.50％、Mn0.36％、Ni0.28％、Zn0.02％、Fe0.30％、Ti0.08％。熔化工艺及炉料组成同例2。合金浇注前加入Al-10％RE中间合金进行变质处理。合金铸态金相组织由欠变质Al-Si共晶体及相当多的枝晶状初生铝相组成，并有少量小尺寸(＜20μm)呈多角状初生硅相分布在金属基体上(图7)。说明兑入Al-Si中间合金数量较多，电解铝硅合金自变质作用减弱，RE变质作用比锶弱得多。加入稀土不足以恢复电解铝硅合金自变质能力，不能保证共晶硅得到充分变质，但仍能获得共晶组织。

Claims (7)

1、一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金，其特征在于：

(1)重量百分组成为：

Si 12.0-17.0  Cu 0.5-1.5  Mg 0.2-1.5

Ni＜3.0       Mn 0.1-0.9  Zn＜1.0

Fe＜1.3       Ti 0.02-0.3 余量为Al

(2)合金铸态组织是由变质或欠变质共晶体和枝晶状初生铝组成，抑制初生硅出现；

(3)所用的炉料包括Si范围在6.0-12.0wt％的电解铝硅合金及Al-Si中间合金，熔化并升温到液相线以上100-150℃，去气精炼，搅拌均匀，静止15分钟后浇铸。

2、制备如权利要求1所述的一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金的工艺方法，其特征在于：

(1)所用的炉料包括Si范围在6.0-12.0wt％的电解铝硅合金及Al-Si中间合金；

(2)熔化并升温到液相线以上100-150℃，去气精炼，搅拌均匀，静止15分钟浇铸。

3、按权利要求2所述的工艺方法，其特征在于所述的去气精练采用氮气或六氯乙烷。

4、一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金，其特征在于：

(1)重量百分组成为：

Si 12.0-17.0  Cu 0.5-1.5  Mg 0.2-1.5

Ni＜3.0       Mn 0.1-0.9  Zn＜1.0

Fe＜1.3  Ti 0.02-0.3  Sr 0.001或0.0051

余量为Al

(2)合金铸态组织是由变质或欠变质共晶体和枝晶状初生铝组成，抑制初生硅出现；

(3)所用的炉料包括Si范围在6.0-12.0wt％的电解铝硅合金及Al-Si中间合金，熔化并升温到液相线以上100-150℃，去气精炼，加入锶变质剂，加入量为0.01-0.10wt％，搅拌均匀，静止15分钟后浇铸。

5、制备如权利要求4所述的一种具有共晶组织的过共晶铝硅合金的工艺方法，其特征在于：

(1)所用的炉料包括Si含量在6.0-12.0wt％的电解铝硅合金及Al-Si中间合金；

(2)熔化并升温到液相线以上100-150℃，去气精炼；

(3)加入锶变质剂，加入量为0.01-0.10wt％，搅拌均匀，静止15分钟后浇铸。

6、按权利要求5所述的具有共晶组织的过共晶铝硅合金的工艺方法，其特征在于锶变质剂是以Al-10％Sr中间合金形式加入的。

7、按权利要求5或6所述的具有共晶组织的过共晶铝硅合金的工艺方法，其特征在于所述的去气精炼采用氮气或六氯乙烷。

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