CN1281774C - 一种用于过共晶铝硅合金的变质剂及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于过共晶铝硅合金的变质剂，由以下元素按重量百分比组成：磷：0.5～1.2，钛：3.5～6.0，碳化钛：8.0～12.0，钇：0.05～0.30，余量为铝。其中的稀上元素钇可由0.005～0.20的三氧化二镧或三氧化二钇或三氧化二钕替代。使用时将变质剂压制成块状；其加入量为合金熔体重量的0.5-3.0%。采用本发明变质剂，可使含硅量为13～31%的过共晶铝硅合金中初生硅细化到8～25μm。其加工性能和表面光洁度明显提高，并大大减少了刀具的磨损，同时硬度和耐磨性明显提高。扩大了过共晶铝硅合金在航空、航天、军工、汽车、摩托车等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及熔炼合金变质处理用的变质剂，特别是一种用于细化过共晶铝硅合金中初生硅的变质剂及其处理方法。
背景技术
过共晶铝硅合金具有流动性好、耐磨性高和线膨胀系数小的特点，是制造摩托车、汽车、坦克车等耐磨零件的理想材料；但是没有经过变质处理的过共晶铝硅合金的机械强度很低、切削加工性差、表面光洁度低；而且对刀具的磨损大，工作效率也低，不能在工业上直接应用。因此，过共晶铝硅合金中的初生硅只有经过细化后才能使此类合金具有应用前景。在工业生产中一般采用加入磷的方法来细化初生硅，主要是以赤磷、磷盐或磷—铜中间合金等方式加入。但是这些方法都存在许多缺点：变质时反应剧烈、容易产生大量的烟雾、严重地污染环境，不符合现代环保要求；另外仅仅以磷-铜中间合金作为变质剂加入到合金中，其变质效果又不稳定。日本研制了Al-Cu-P中间合金作为过共晶铝硅合金的变质剂。其制备方法是通过粉末冶金法成型，然后挤压成杆状，在半连续水冷铸造过程中，在正常的铸造温度下将该变质剂连续地加入流槽中。与其它加磷的方法比较，使用Al-Cu-P中间合金具有明显的优点：(1)回收率高，加入量少；(2)瞬时生效，勿需保持时间，可在留槽加入；(3)730℃加入即可，熔体勿须过热；(4)变质效果稳定；(5)无污染。但该中间合金制造工艺复杂，生产成本高，推广应用有一定困难。国内研制的Al-P中间合金，可解决环境污染问题，大大改善劳动环境。用Al-P中间合金进行变质处理时，其添加过程与合金化过程完全同步，不仅大大降低劳动程度，缩短熔炼时间，提高生产效率，而且变质效果好、稳定。但是实际上，此种方法细化的初晶硅晶粒尺寸平均为30-40μm，其变质效果并不理想。
目前国内外常用的过共晶铝硅合金细化变质剂多为赤磷、含磷的化合物或稀上等。单独采用赤磷、含磷的化合物或稀土作为变质剂来细化初生硅，其变质效果并不能完全发挥出来。因此，对过共晶铝硅合金经常采用复合变质处理。表1给出了目前国内外已开发出的变质剂对过共晶铝硅合金中初生硅的细化效果。
表1
| 变质剂的组成 | 过共晶铝硅合金中初生硅的含量(％) | 变质前初生硅平均尺寸(μm) | 变质后初生硅平均尺寸(μm) |
| 磷铜、稀土复合变质剂铈、磷复合变质剂铝、磷中间合金磷盐、锂盐、锑、铝、钛、硼复合变质剂稀土、铝、钛、硼、磷复合变质剂铝、磷中间合金 | 18202021.5～2322～2424 | 15015090250250120 | 2620～25303526～3340 |
发明内容
本发明的目的是提供一种新型过共晶铝硅合金的变质剂，能使过共晶铝硅合金中初生硅更进一步细化，从而提高合金使用性能。
本发明用于过共晶铝硅合金的变质剂，由以下成分按重量百分比组成：磷：0.5～1.2，钛：3.5～6.0，碳化钛：8.0～12.0，钇：0.05～0.30，余量为铝。
其中的稀土钇还可由稀土氧化物替代，按以下重量百分比组成：磷：0.5～1.2，钛：3.5～6.0，碳化钛：8.0～12.0，三氧化二镧或三氧化二钇或三氧化二钕：0.005～0.20，余量为铝。
用上述的变质剂对熔炼过共晶铝硅合金的变质处理方法，按以下步骤进行：将配制的变质剂压制成块状；合金在电阻坩埚炉中熔化后，在820-850℃进行精炼剂除气，并在此温度下静置5～10分钟；在750-850℃下加入上述块状变质剂，其变质剂加入量占合金熔体的重量百分比为0.5-3.0。搅拌后静置5-15分钟；在730-850℃浇注成型。
采用本发明变质剂，可使含硅量重量百分比为13～31的过共晶铝硅合金中初生硅细化到8～25μm。经过该变质剂处理的过共晶铝硅合金，其加工性能和表面光洁度明显提高，并大大减少了刀具的磨损，同时硬度和耐磨性明显提高。扩大了过共晶铝硅合金在航空、航天、军工、汽车、摩托车等领域的应用。
本发明变质剂的制备工艺简单，操作方便；与传统的变质剂相比，对环境的污染小。
附图说明
图1是含硅量重量百分比为17的铝硅合金没有变质时的金相组织图片；
图2是含硅量重量百分比为17的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-钇变质处理后的金相组织图片；
图3是含硅量重量百分比为20的铝硅合金没有变质时的金相组织图片；
图4是含硅量重量百分比为20的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-钇变质处理后的金相组织图片；
图5是含硅量重量百分比为29的铝硅合金没有变质时的金相组织图片；
图6是含硅量重量百分比为29的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-钇变质处理后的金相组织图片；
图7所示是含硅量重量百分比为20的铝硅合金没有经变质处理后的金相组织；
图8是含硅量重量百分比为20的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二镧变质处理后的金相组织图片；
图9是含硅量重量百分比为20的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二钇变质处理后的金相组织图片；
图10是含硅量重量百分比为20的铝硅合金经铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二钕变质处理后的金相组织图片；
图11是变质剂(成分组成为：P 0.5、Ti 3.5、TiC 8.0、La2O3 0.01、其余为铝)加入量对合金中初生硅平均尺寸的影响曲线图；
图12是变质剂(成分组成为：P 0.5、Ti 3.5、TiC 8.0、Y2O3 0.1、其余为铝)加入量对合金中初生硅平均尺寸的影响曲线图；
图13是变质剂(成分组成为：P 0.5、Ti 3.5、TiC 8.0、Nd2O3：0.1、其余为铝)加入量对合金中初生硅平均尺寸的影响曲线图；
图14是变质前后含硅量重量百分比为20的铝硅合金和含硅量为29的铝硅合金磨粒磨损曲线；
表1是目前国内外已开发出的变质剂对过共晶铝硅合金中初生硅的细化效果；
表2是变质前后过共晶铝硅合金的布氏硬度值。
具体实施方式
实施例1：
按重量百分比配制，变质剂的重量百分比成分选择为P：0.5，Ti：3.5，TiC：8.0，Y：0.05，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金的重量百分比化学成分选择如下：
Si：17，Cu：4.8，Mg：0.64，Fe：0.81，Mn：0.20，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼剂除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入变质剂，变质剂加入量占合金熔体的重量百分比为0.4；搅拌后静置10分钟；在850℃下浇注试样。图1和图2分别是变质前和变质后合金的金相组织。图1所示是含硅重量百分比为17的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的平均尺寸可达100μm；图2所示是含硅重量百分比为17的铝硅合金经变质处理后的金相组织，由图可见初生硅的尺寸可达8～18μm。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅重量百分比为17的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为20。
表2
| 材料 | 变质前的布氏硬度值(HB) | 变质后的布氏硬度值(HB) |
| 实施例1采用的合金实施例2采用的合金实施例3采用的合金实施例4采用的合金实施例5采用的合金实施例6采用的合金 | 110.083.097.7127127127 | 132.096.1120.0145154145 |
实施例2：
按重量百分比配制，变质剂成分的重量百分比选择为P：0.7，Ti：4.0，TiC：8.5，Y：0.08，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金重量百分比的化学成分选择如下：
Si：20，Cu：0.78，Mg：0.35，Fe：0.76，Mn：0.28，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入变质剂，变质剂加入量占合金液重量的百分比为0.5；搅拌后静置10分钟；在830℃下浇注试样。图3和图4分别是变质前和变质后合金的金相组织。图3所示是含硅量重量百分比为20的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的尺寸可达200μm；图4所示是含硅量重量百分比为20的铝硅合金经变质处理后的金相组织，由图可见初生硅的尺寸可达15～20μm。图14是变质前后铝硅合金的磨粒磨损曲线。从图中可以看出，经变质处理后合金的耐磨性较变质前明显提高。实验结果表明：分别在0.3公斤、0.5公斤、0.7公斤、0.9公斤四种不同的载荷下，含硅量重量百分比为20的铝硅合金经变质处理后，其耐磨性较变质前分别提高的百分比为110、104、105和106。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅量重量百分比为20的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为15.8。
实施例3：
按重量百分比配制，变质剂的重量百分比成分选择为P：1.1，Ti：5.5，TiC：11.0，Y：0.15，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金重量百分比的化学成分选择如下：
Si：29，Cu：0.58，Mg：0.18，Fe：0.82，Mn：0.26，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼剂除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入变质剂，变质剂加入量占合金熔体的重量百分比为2.5；搅拌后静置10分钟；在850℃下浇注试样。图5和图6分别是变质前和变质后合金的金相组织。图5所示是含硅量重量百分比为29的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的尺寸可达100～350μm；图6所示是含硅量重量百分比为29的铝硅合金经变质处理后的金相组织，由图可见初生硅的尺寸可达25～35μm。图14是变质前后铝硅合金的磨粒磨损曲线。从图中可以看出，经变质处理后合金的耐磨性较变质前明显提高。实验结果表明：分别在0.3公斤、0.5公斤、0.7公斤、0.9公斤四种不同的载荷下，含硅量重量百分比为29的铝硅合金经变质处理后，其耐磨性较变质前分别提高的百分比为128、114、112和116。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅量重量百分比为29的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为32。
实施例4：
按重量百分比配制，变质剂的重量百分比成分选择为P：0.5，Ti：3.5，TiC：8.0，La2O3：0.01，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金的重量百分比化学成分选择如下：
Si：20，Cu：4.7，Mg：0.58，Fe：0.88，Mn：0.20，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二镧变质剂，变质剂加入量占合金熔体的重量百分比分别为0.5、1.0、3.0；搅拌后静置10分钟；在850℃下浇注试样。图7和图8分别是变质前和变质后合金的金相组织。图7所示是含硅量为20的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的平均尺寸可达150μm；图8所示是含硅量为20的铝硅合金经变质处理后的金相组织。不同变质剂加入量对该合金中初生硅平均尺寸的影响如图11所示。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅量为20的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为14.2
实施例5：
按重量百分比配制，变质剂的成分选择为P：0.5，Ti：3.5，TiC：8.0，Y2O3：0.1，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金的重量百分比化学成分选择如下：
Si：20，Cu：4.7，Mg：0.58，Fe：0.88，Mn：0.20，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼剂除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二钇变质剂，变质剂加入量占合金熔体的重量百分比分别为0.5、1.0、3.0；搅拌后静置10分钟；在850℃下浇注试样。图9和图10分别是变质前和变质后合金的金相组织。图9所示是含硅量为20的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的平均尺寸可达150μm；图10所示是含硅量为20的铝硅合金经变质处理后的金相组织。不同变质剂加入量对该合金中初生硅平均尺寸的影响如图12所示。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅量为20的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为21.3。
实施例6：
按重量百分比配制，变质剂的成分选择为P：0.5，Ti：3.5，TiC：8.0，Nd2O3：0.1，其余为铝。原料按比例配制并均匀混合后压制成块状。
过共晶铝硅合金的化学成分选择如下：
Si：20，Cu：4.7，Mg：0.58，Fe：0.8，Mn：0.20，其余为铝。
合金在电阻坩埚炉中熔化后，在850℃左右进行精炼除气，并在此温度下静置5～10分钟；加入铝粉-磷-钛-碳化钛-三氧化二钕变质剂，变质剂加入量占合金熔体的重量百分比分别为0.5、1.0、3.0；搅拌后静置10分钟；在850℃下浇注试样。图11和图12分别是变质前和变质后合金的金相组织。图11所示是含硅量为20的铝硅合金没有变质时的金相组织，由图可见初生硅的平均尺寸可达150μm；图12所示是含硅量为20的铝硅合金经变质处理后的金相组织。不同变质剂加入量对该合金中初生硅平均尺寸的影响如图13所示。变质前后过共晶铝硅合金的硬度如表2所示，含硅量为20的铝硅合金经变质处理后，其布氏硬度值比变质前提高的百分比为14.2。
Claims (3)
1.一种用于过共晶铝硅合金的变质剂，其特征在于由以下成分按重量百分比组成：磷：0.5～1.2，钛：3.5～6.0，碳化钛：8.0～12.0，钇：0.05～0.30，余量为铝。
2.一种用于过共晶铝硅合金的变质剂，其特征在于由以下成分按重量百分比组成：磷：0.5～1.2，钛：3.5～6.0，碳化钛：8.0～12.0，三氧化二镧或三氧化二钇或三氧化二钕：0.005～0.20，余量为铝。
3.用权利要求1或2所述的变质剂对熔炼过共晶铝硅合金的变质处理方法，按以下步骤进行：将配制的变质剂压制成块状；合金在电阻坩埚炉中熔化后，在820-850℃进行精炼剂除气，并在此温度下静置5～10分钟；在750-850℃下加入上述块状变质剂，其变质剂加入量为合金熔体重量的0.5-3.0％，搅拌后静置5-15分钟；在730-850℃浇注成型。
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