專利名稱：一種細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬鑄造的方法，具體的說是一種細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法。
背景技術(shù)：
過共晶鋁硅合金具有良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性以及優(yōu)良的鑄造性能和焊接性能，一直被認(rèn)為是一種理想的耐磨耐熱功能合金材料。在航空航天工業(yè)、汽車零部件制造、鐵路運輸業(yè)、軍事工業(yè)、電子工業(yè)以及內(nèi)燃機活塞制造業(yè)等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用前景。然而，在常規(guī)鑄造條件下獲得過共晶鋁硅合金材料的微觀組織中，初晶硅呈板片狀、多角形塊狀或五瓣星狀，形態(tài)及分布狀況差，特別是通常條件下的初晶硅尺寸粗大(80-150 μ m)。這使得過共晶鋁硅合金力學(xué)性能不高、切削性能變差，從而制約了過共晶鋁硅合金的實際使用與推廣。因此，盡可能細化過共晶鋁硅合金中初晶硅組織，一直是材料工程及鑄造業(yè)追求的目標(biāo)。迄今為止，國內(nèi)外細化過共晶鋁硅合金中初晶硅的技術(shù)有如下幾種1、澆鑄前對鋁硅液態(tài)合金變質(zhì)處理即加入含磷、稀土等中間合金變質(zhì)劑，如劉相法等鋁-磷-銅中間合金及其制備方法(授權(quán)日:03. 6. 25，專利號01 10 7704. 2)；吳樹森等鑄造高鋁硅合金的雙重變質(zhì)劑(授權(quán)日2003.6. 11，專利號00 13 1196.4);張金龍等一種過共晶鋁硅合金變質(zhì)精煉劑(申請日期2004. 06. 11，申請?zhí)朇N2004100251 20. 3)。這類方法存在一些缺點，如加入額外的變質(zhì)劑往往增加不菲的成本；變質(zhì)物質(zhì) (P等)往往對生產(chǎn)及社會環(huán)境造成嚴(yán)重污染(如車間有毒的P2O5煙霧及P對整體環(huán)境的污染；變質(zhì)效果尚不十分理想，通常初晶硅實際只能細化到平均尺寸35 50 μ m左右(專利號01 10 7704. 2 ；鑄造(2006) 55 卷 12 期第 1244-1246 頁；Materials Characterization 59 (2008) 1559-1563)，個別研究及專利聲稱可細化到20 μ m左右(專利號00 13 1196.4; 專利號2004 10010911)。2、“熔體過熱”方法即將合金熔體加熱到大大超過常規(guī)熔煉溫度的某一溫度，以達到細化其凝固組織的目的。如清華大學(xué)與俄羅斯專家共同研究了(Materials Science and Engineering A332 (2002) 371-374)不同過熱溫度及冷卻條件對Al_Sil6%合金的初晶硅晶粒尺寸影響；西北工業(yè)大學(xué)對含Sil7. 42%的鋁硅合金也曾有過類似的研究(有色金屬，000 第M卷第3期第19-21頁)。雖然發(fā)現(xiàn)熔體過熱能夠在一定程度上細化初晶硅，但其工藝方法的不足之處在于，過熱溫度的選取存在盲目性，因此硅晶體的細化程度有限，對Al-Si 16%過熱處理后在快速冷卻條件下也只能達到20-30 μ m左右，含Si 17. 42%的鋁硅合金的初晶硅細化及形態(tài)則十分不理想(有色金屬，000 第M卷第3期第19-21 頁)。3、“熔體混熔”方法“熔體混熔”方法是將不同成分的高、低溫合金熔體快速混合， 以達到細化組織的目的。文獻(中國有色金屬學(xué)報，(1995)第5卷第4期第133-135頁)
3聲稱，運用該方法可將Sil8%的鋁硅合金初晶硅從80μπι細化到20μπι。文獻(機械工程材料Q011)第35卷第2期第12 15頁)利用高、低溫合金熔體混熔，使得含Si20%的鋁硅合金初晶硅的平均尺寸細化到36 μ m左右。專利申請?zhí)枮镃N200910304965. 9(高硅鋁合金或其它含第二硬脆相合金的物理法變質(zhì)工藝，申請日2009.07.29)的發(fā)明聲稱，含20% Si鋁硅合金中初生Si相的晶粒在保溫IOOmin內(nèi)尺寸可穩(wěn)定在40 μ m左右。該類方法的不足之處也在于，高溫及低溫合金熔體的溫度選取存在盲目性，硅晶體的細化程度也有限。4、固態(tài)合金的后續(xù)熱處理對固態(tài)合金坯料進行長時間的熱處理(一種大尺寸過共晶高硅鋁合金坯料及其制備方法，專利號=200510119550，授權(quán)日2008. 6. 4)。該工藝細化初晶硅的效果好，但需要額外熱處理設(shè)備，增加工藝周期并需大量消耗能源。5、其它方法還有電磁攪拌(材料科學(xué)與工藝0001)9卷第2期第117-121)、超聲波處理(journal of materials processing technology 208 (2008) 330-335)、快速凝固等，但對實際鑄件生產(chǎn)應(yīng)用在技術(shù)上依然有難度，且效果有限度。由上述背景可知過共晶鋁硅合金組織中的初晶硅細化及形態(tài)、分布的改善，具有重要的工程應(yīng)用價值。雖然國內(nèi)外研究及發(fā)明已取得了不少進展與明顯效果，但初晶硅細化及形態(tài)、分布改善，方法上仍需繼續(xù)努力，以獲得更佳的效果，且最好具有無污染、方便易操作、不影響生產(chǎn)率等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種無污染、工藝簡單、 易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法。所要解決的技術(shù)問題是將過共晶鋁硅合金初晶硅的尺寸細化到20 μ m以下，平均尺寸10-13 μ m。本發(fā)明利用熔體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化之后的高溫合金熔體與半固態(tài)低溫合金熔體按一定的比例進行混熔，從而達到顯著細化過共晶鋁硅合金中初晶硅并改善形態(tài)與分布的目的。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法的特點在于按以下步驟操作a、將鋁硅合金原料按配比量混合后升溫至760-790°C以常規(guī)方法熔煉，熔清后檢測合金成分并調(diào)整至要求的合金成分，保持溫度不變進行精煉以去除氫氣及非金屬夾雜物得到合金液，在覆蓋劑的保護下將所述合金液升溫至1080-1150°C，此溫度是根據(jù)含Si量的高低選取溫度，如Al-Sil8wt%合金以1080°C為宜，而六1^20襯％合金則以1150°C為宜，均溫20-30分鐘，隨后降溫至950°C，精煉進一步去除氣體及氧化夾雜物后得到高溫合金熔體；若生產(chǎn)時需要等待，則得到的高溫合金熔體需保溫并用覆蓋劑保護以防吸氣及氧化；b、將鋁硅合金原料混合后升溫至760-790°C以常規(guī)方法熔煉，熔清后檢測合金成分并調(diào)整至要求的合金成分，保持溫度不變進行精煉，隨后在覆蓋劑的保護下降溫至特定半固態(tài)溫度區(qū)間保溫30分鐘得到低溫合金熔體；所述特定半固態(tài)溫度區(qū)間為鋁硅合金組分對應(yīng)的液相線溫度以下20-40°C ；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以1 1-2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，在覆蓋劑的保護下將所述混合合金熔體降溫至720_750°C，此溫度的具體選擇可根據(jù)Si含量確定，硅含量較高則選擇較高溫度，反之硅含量較低則選擇較低溫度，澆注并降溫凝固后得到過共晶鋁硅合金鑄件。本發(fā)明細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法的特點也在于步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。本發(fā)明細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法的特點也在于步驟c中所述混熔是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中。所述精煉為常規(guī)工業(yè)精煉方法，如溶劑精煉法，氮氣或氬氣等氣體進行的浮游精煉法等。若通氮氣或氬氣精煉時精煉5-7分鐘，若為溶劑法精煉時精煉15-20分鐘。所述覆蓋劑為光鹵石等常規(guī)鋁合金覆蓋劑，或者是以硼酸和耐火磚屑等質(zhì)量比配制得到的覆蓋劑。所述配比量為根據(jù)要求的鋁硅合金的組分計算得到的原料的添加量。本發(fā)明使用的鋁硅合金原材料與常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)使用的鋁硅合金原材料相同，即以商用鋁硅合金錠為主，按產(chǎn)品成分要求的比例加入純金屬鋁、或結(jié)晶硅與合金錠熔配來調(diào)整成分。本發(fā)明中高溫合金熔體與低溫合金熔體分別以兩臺熔煉爐進行熔配。本發(fā)明不同于以往的“熔體過熱”方法，因為本發(fā)明高溫合金熔體的溫度選取有據(jù)可循，避免了過去憑試探或經(jīng)驗的盲目性。與“熔體過熱”的另一不同點為，本發(fā)明中采用一定比例的低溫合金熔體，除了構(gòu)成方法不同之外，比單純“熔體過熱”方法也降低了能源消耗。另一方面，與以往高、低溫“熔體混熔”方法不同點及技術(shù)進步包括，高溫合金熔體溫度選取是基于其性質(zhì)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，此外，低溫合金熔體處于具有明確的溫度范圍的半固態(tài) (即熔體中已具有一定比例的固相)狀態(tài)。為了闡明本發(fā)明中所指“熔體狀態(tài)”的本質(zhì)，以及低溫合金熔體處于“半固態(tài)”的作用，需要對前者的主要科學(xué)依據(jù)及后者的基本原理做如下簡要說明關(guān)于本發(fā)明中過共晶鋁硅合金熔體狀態(tài)研究表明，過共晶鋁硅合金熔體在不同溫度下，其性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)有明顯不同。 根據(jù)我們對過共晶鋁硅合金熔體的“電阻率-溫度”行為的測試(圖幻，其液態(tài)電阻率在 785°C之前幾乎隨溫度線性地均勻緩慢上升，而在785-1050°C之間，液態(tài)電阻率呈現(xiàn)兩個溫度峰，第一峰寬而低，第二峰(950°C開始)相對窄而明顯。其后液態(tài)電阻率又重新呈現(xiàn)隨溫度而線性上升趨勢，但其斜率(電阻率溫度系數(shù))比785°C之前的明顯增大。眾所周知，電阻率是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)敏感物理量。根據(jù)近自由電子模型和贗勢理論，Ziman給出液態(tài)金屬電阻率的如下公式(下地光雄(著)，郭淦欽(譯)，液態(tài)金屬[M]，北京科學(xué)出版社，1987)
_ 3πΩ0 r2Kp \y(q)\2S(q)q3dq P _ he2vF2式中ρ為電阻率，S(q)為結(jié)構(gòu)因子，其余參數(shù)見上述文獻。可見，物質(zhì)的電阻率與其結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。此外，近十年我們對液態(tài)合金性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的系列研究(液態(tài)物質(zhì)新物理現(xiàn)象——溫度誘導(dǎo)非連續(xù)液液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的探索，2008年獲教育部“高等學(xué)校自然科學(xué)二等獎”)表明，一些液態(tài)物質(zhì)的電阻率發(fā)生異常變化的溫度區(qū)間，與其它手段(DSC及DTA熱分析、內(nèi)耗技術(shù)、Θ-Θ型X-射線結(jié)構(gòu)衍射)的結(jié)果基本一致。這些結(jié)果均顯示了電阻率方法對液態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)敏感性，以及作為液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)間接研究手段的有效性。因此，有理由認(rèn)為，上述過共晶鋁硅合金熔體的“電阻率-溫度”行為，揭示了在 785-1050°C之間，合金熔體發(fā)生了性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。我們認(rèn)為，第一峰屬于預(yù)轉(zhuǎn)變， 而第二峰則對應(yīng)主要的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，起源于Si-Si共價鍵原子團簇的打破，從而形成了新的液態(tài)結(jié)構(gòu)類型。在1050°C之后，合金熔體的結(jié)構(gòu)更加均勻、無序，屬于新的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 無獨有偶，法國魯昂大學(xué)與美國埃姆斯實驗室及橡樹嶺國家實驗室合作，對Al-Si合金熔體以中子衍射的系統(tǒng)研究(Journal of Non-Crystalline Solids 353(2007)3005-3010) 也表明，過共晶成分熔體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變則幾乎“完全可逆”，其溫度區(qū)間與我們的研究結(jié)果十分相近。不同的熔體狀態(tài)，必然導(dǎo)致鋁硅合金的初晶硅凝固行為及最終組織的變化，圖3 及圖4所顯示的結(jié)果，驗證了這一理論。圖3表明，以第二峰之后的溫度熔煉合金，其初晶硅的凝固過冷度明顯增大，揭示了凝固形核率大幅提高，而合金在950°C熔煉的熔體凝固過冷度與760°C的無明顯差別；相應(yīng)地，圖4(A)與圖4(B)的組織并無明顯區(qū)別，初晶硅均十分粗大，而圖4(C)的初晶硅晶粒卻明顯程度的減小。關(guān)于本發(fā)明中低溫合金熔體“半固態(tài)”及其溫度范圍以往的高、低溫合金熔體混熔工藝，高溫及低溫合金熔體的溫度選取主要是憑試探及經(jīng)驗，沒有明確依據(jù)，具有一定程度的盲目性，因此對初晶硅的細化效果也有限。本發(fā)明中高溫合金熔體的溫度選取，在上述已做說明，這里主要就低溫合金熔體的溫度選取及其原理做出說明。當(dāng)合金在處于液相線及固相線之間溫度保溫時，合金具有液相也具有固相，其液、 固相比例取決于溫度的高低，這種液、固相同時并存的狀態(tài)稱為“半固態(tài)”。本發(fā)明強調(diào)，將低溫合金熔體處于“半固態(tài)”，而且“半固態(tài)”的溫度范圍也十分重要，其合適的溫度應(yīng)處于鋁硅合金組分對應(yīng)的液相線以下20-40°C之間。過共晶鋁硅合金在常規(guī)溫度熔煉好之后，降至液相線以下20-40°C保溫半小時， 此時低溫合金熔體中已析出一定比例的初晶硅。當(dāng)?shù)蜏睾辖鹑垠w與高溫合金熔體混熔時， 其原有的初晶硅將發(fā)生完全或部分的熔化及分解。理想的條件是，原有的初晶硅部分熔化并充分分解為大量的尺寸足夠小的微觀團簇，這些微觀團簇高度彌散地均勻分布，在后期的降溫與澆注后，可以作為合金凝固過程初晶硅的現(xiàn)成晶核。這些現(xiàn)成的微小晶核，與高溫合金熔體自身形核率高的特性的共同作用，使得過共晶鋁硅合金凝固時產(chǎn)生非常多的初晶硅晶粒，其結(jié)果是，一方面晶粒異常細小，另一方面初晶硅組織分布均勻。由此可知，低溫合金熔體的溫度范圍也十分重要，應(yīng)取前述的合適范圍(液相線以下20-40°C )，溫度過高則混熔后低溫合金熔體原有初晶硅產(chǎn)生的微小晶核不復(fù)存在，而溫度過低則原有初晶硅尺寸過大，在混熔后有限的均溫及降溫過程中難以形成高度彌散的大量微小晶核。同理， 高、低溫合金熔體的混熔比例同樣十分重要，應(yīng)在合適范圍(高、低溫合金熔體混熔比例為 1:1-2:1)。本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明制備得到的過共晶鋁硅合金中初晶硅的平均尺寸細化到10-13 μ m，其最小尺寸為2-5 μ m ；2、本發(fā)明制備得到的過共晶鋁硅合金中初晶硅晶粒外圍形態(tài)變得鈍化、圓滑，而不再棱角分明(可降低應(yīng)力集中)；3、本發(fā)明制備得到的過共晶鋁硅合金中初晶硅晶粒的分布相對更均勻；4、本發(fā)明制備得到的過共晶鋁硅合金中共晶組織中的共晶硅也相應(yīng)大幅度細化；5、不添加變質(zhì)劑，避免了以往加變質(zhì)劑(含P等)方法對生產(chǎn)及社會環(huán)境造成嚴(yán)
重污染。
四

圖1是Al-Si合金相圖，其共晶成分為12. 6% (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，當(dāng)合金的含Si量大于12.6%時，則合金稱為“過共晶鋁硅合金”。圖2是合金組成成分為Al-18% Si (即含Al的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為18%，余量為Si，下同)合金的電阻率-溫度曲線，是以5°C /min的速率在升溫過程中測取的結(jié)果。熔化過程中合金的電阻率隨溫度陡然上升，直至合金完全成為液體后上升趨勢變緩。圖中，對Al-18% Si合金，950°C之前電阻率-溫度曲線的低矮峰，只是一種“預(yù)轉(zhuǎn)變”，950°C時的熔體尚未發(fā)生真正意義上的熔體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，在接近1050°C之前，熔體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變結(jié)束，熔體狀態(tài)已完全不同。圖3為Al-18% Si合金以不同熔體狀態(tài)(熔煉溫度不同)，在相同澆鑄溫度條件下的凝固冷卻曲線。從圖中可以看出各種狀態(tài)的熔體開始析出初晶硅的溫度(三個箭頭所指位置)，將平衡液相線溫度減去析出初晶硅的開始溫度，即為相應(yīng)熔體狀態(tài)析出初晶硅的過冷度。可見，合金在950°C熔煉的熔體凝固過冷度與760°C的無明顯差別，其結(jié)果驗證了圖2附注中關(guān)于預(yù)轉(zhuǎn)變的推測。熔體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變結(jié)束后的熔體，其過冷度顯著增大，表明初晶硅析出的形核率明顯提高，這標(biāo)志著初晶硅晶粒必然發(fā)生細化。圖4是不同熔煉溫度、相同澆鑄溫度(澆鑄溫度為760°C，凝固冷卻條件10°C / 秒)下得到的Al-18% Si合金的微觀照片。其中圖4A的熔煉溫度為760°C，圖4B的熔煉溫度為950°C，圖4C的熔煉溫度為1080°C。從圖中可見圖4A與圖4B的組織并無明顯區(qū)別， 初晶硅均十分粗大，而圖4C的初晶硅晶粒卻顯著地減小。圖5是溫度為1150°C的高溫合金熔體與不同溫度的低溫合金熔體混熔后的初晶硅(凝固冷卻條件12°C /秒)(Al-18% Si合金高、低溫合金熔體混熔比例均為2 1，高溫合金熔體溫度為1150°C )。其中圖(Al)低溫合金熔體的溫度為620°C，圖(Bi)低溫合金熔體的溫度為640°C，圖(Cl)低溫合金熔體的溫度為600°C，圖(Dl)低溫合金熔體的溫度為 760 0C ο圖6是以Al-18% Si合金為例，常規(guī)方法制備的合金和本發(fā)明制備的合金的微觀照片。其中圖6a是常規(guī)方法制備的合金(實施例2，760°C熔煉并澆鑄)，圖6b是本發(fā)明實施例8制備的合金。圖6a和圖6b的放大倍率相同，澆鑄溫度相同，且凝固冷卻條件都為 10°C /秒，而初晶硅的晶粒大小、形態(tài)及分布卻顯著不同。圖7是不同制備條件得到的過共晶鋁硅合金初晶硅晶粒的尺寸比較。從圖7中可以看出三方面內(nèi)容第一，在非混熔情況下，熔體不同狀態(tài)初晶硅晶粒的差異；第二，在高低溫合金熔體混熔情況下，不同熔體狀態(tài)(950°C熔煉制備的高溫熔體，以及1150°C熔煉制備然后降至950°C的高溫熔體)引起初晶硅晶粒改善的差異；第三，熔體狀態(tài)改變后，恰當(dāng)?shù)幕烊酃に?高低溫合金熔體的質(zhì)量比)進一步顯著改善初晶硅的效果。
五具體實施例方式以Al-18% Si合金為例，以不同例子從幾個層面來闡明本發(fā)明方法細化初晶硅的實質(zhì)內(nèi)涵及其顯著效果。實施例1 制備方法如下將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成分并調(diào)整至需要的合金成分，然后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，將所述合金液升溫至1080°C并均溫30分鐘，隨后降溫至950°C，通氬氣精煉5-7分鐘去除氣體及氧化夾雜物，在覆蓋劑的保護下降溫至760°C，澆注后以10°C / 秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。實施例2 制備方法如下將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成分并調(diào)整至需要的合金成分，以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘得到合金液，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，將所得合金液澆注并以10°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。實施例3 制備方法如下將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成分并調(diào)整至需要的合金成分，以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘得到合金液，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，將所述合金液升溫至950°C并均溫30分鐘，隨后通氬氣精煉5-7分鐘去除氣體及氧化夾雜物，在覆蓋劑的保護下降溫至760°C，澆注后以10°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件的。實施例1-3的對比分析在單純的熔體過熱工藝情況下，只有在熔體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)狀態(tài)發(fā)生真正改變后，才能夠獲得有效細化初晶硅的作用。圖3和圖4表明，實施例3制備的合金在950°C的熔體過熱情況下(比常規(guī)的熔煉工藝過熱近200°C )，并不能有效地細化初晶硅，其初晶硅晶粒 (圖4B)與實施例2用常規(guī)工藝制備的合金的初晶硅晶粒(圖4A)幾乎相同，平均尺寸約 50 μ m，且分布不均勻，晶粒形貌棱角分明；而實施例1制備的合金當(dāng)熔體過熱溫度處于熔體狀態(tài)發(fā)生實質(zhì)改變后的相應(yīng)溫度時(圖4C的熔體過熱溫度為1080°C )，在相同凝固冷條件下，初晶硅晶粒平均尺寸細化到18 μ m左右，晶粒棱角有一定程度的鈍化。這一規(guī)律也可從圖7左側(cè)的三種未混熔的直方圖比較看出。實施例4 制備方法如下a、將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成
8分并調(diào)整至需要的合金成分，然后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘得到合金液，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，在覆蓋劑保護下將所述合金液升溫至1150°C并均溫 30分鐘，隨后降溫至950°C，通氬氣精煉5-7分鐘去除氣體及氧化夾雜物后得到高溫合金熔體；將得到的高溫合金熔體保溫備用并用光鹵石覆蓋劑保護以防吸氣及氧化；b、將鋁硅合金原料加至另一臺熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘，隨后在覆蓋劑的保護下降溫至620°C，保溫30分鐘得到低溫合金熔體；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以12°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例5 制備方法如下a、高溫合金熔體制備方法同實施例4步驟a ；b、低溫合金熔體制備方法同實施例4步驟b，不同的是在覆蓋劑的保護下降溫至 640 "C ；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以12°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例6 制備方法如下a、高溫合金熔體制備方法同實施例4步驟a ；b、低溫合金熔體制備方法同實施例4步驟b，不同的是在覆蓋劑的保護下降溫至 600 0C ；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以12°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例7 制備方法如下a、高溫合金熔體制備方法同實施例4步驟a ；b、低溫合金熔體制備方法同實施例4步驟b，不同的是在覆蓋劑的保護下降溫至 760 0C ；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以12°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例4-7對比分析本發(fā)明所提供的熔體混熔方法，可比以往的單純?nèi)垠w過熱工藝獲得更佳的改善初晶硅晶粒的效果，對比圖5B1與圖4C即可看出。這種規(guī)律也可從圖7中比較分析看出。但是，在高溫合金熔體合適狀態(tài)且形態(tài)情況下，對于熔體混熔方法，低溫合金熔體的溫度處于“半固態(tài)”的溫度范圍是否恰當(dāng)十分重要(液相線以下20 40°C為宜)。以圖 5為例，Al-18% Si合金的液相線約673°C，在溫度處于600°C、620°C及640°C，合金均處于 “半固態(tài)”；高、低溫合金熔體混熔比例均為1 0.5;高溫合金熔體溫度為1150°C;凝固冷卻條件12°C /秒。但實施例6中低溫合金熔體600°C (圖5C1)的溫度偏低(比液相線溫度低73°C，大于“20 40°C ”的推薦范圍)，效果不佳；而實施例7中低溫合金熔體760V (圖 5D1)的溫度超過Al-18% Si合金的液相線，為非半固態(tài)，效果也不好。當(dāng)實施例5中低溫合金熔體的溫度處于640°C時，該溫度比液相線溫度低33°C，初晶硅細化、形態(tài)及分布的相對效果最佳。而實施例4中低溫合金熔體的溫度處于620°C時(比液相線溫度低53°C，仍大于“20 40°C”的推薦范圍)，其效果也次于640°C的低溫合金熔體的凝固情況。實施例8:制備方法如下a、將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成分并調(diào)整至需要的合金成分，然后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘得到合金液，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，在覆蓋劑保護下將所述合金液升溫至1080°C并均溫 30分鐘，隨后降溫至950°C，通氬氣精煉5-7分鐘去除氣體及氧化夾雜物后得到高溫合金熔體；將得到的高溫合金熔體保溫備用并用光鹵石覆蓋劑保護以防吸氣及氧化；b、將鋁硅合金原料加至另一臺熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分，熔清后保持溫度不變精煉30分鐘，隨后在覆蓋劑的保護下降溫至640°C以保證其中具有恰當(dāng)比例的固態(tài)初晶硅，保溫30分鐘得到低溫合金熔體；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以10°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例2與實施例8的對比分析按照本發(fā)明實施例8的方法制備的合金(圖6b)與常規(guī)生產(chǎn)方法制備(實施例2) 的合金(圖6a)相比，鋁硅合金中初晶硅的尺寸顯著細化，且分布更加均勻。圖6a中初晶硅尺寸在40-100 μ m(平均尺寸為60 μ m)，初晶硅棱角分明；圖6b中初晶硅的平均尺寸則細化到10-13 μ m,晶粒趨于均勻分布，且晶粒的棱角鈍化而趨于圓滑過渡。實施例9 本實施例制備方法與實施例5相同，不同的是混熔、澆注后以10°C/秒的降溫速率冷卻凝固得到過共晶鋁硅合金鑄件。
10
實施例10 制備方法如下a、將鋁硅合金原料加至熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉30分鐘，熔清后檢測成分并調(diào)整至需要的合金成分，然后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘得到合金液，以便去除氫氣及非金屬夾雜物，在覆蓋劑保護下將所述合金液升溫至950°C，通氬氣精煉5-7分鐘去除氣體及氧化夾雜物后得到高溫合金熔體；將得到的高溫合金熔體保溫備用并用光鹵石覆蓋劑保護以防吸氣及氧化；b、將鋁硅合金原料加至另一臺熔煉爐中混合，升溫至760°C熔煉，熔清后保持溫度不變以六氯乙烷對合金液精煉20分鐘，隨后在覆蓋劑的保護下降溫至640°C以保證其中具有恰當(dāng)比例的固態(tài)初晶硅，保溫30分鐘得到低溫合金熔體；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，混熔時是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中，在光鹵石覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至760°C，澆注后以10°C /秒的降溫速率冷卻得到過共晶鋁硅合金鑄件。步驟a與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。實施例11 本實施例制備方法同實施例9，不同的是步驟的質(zhì)量比為1 1。實施例12 本實施例制備方法同實施例10，不同的是步驟的質(zhì)量比為1 1。實施例13:本實施例制備方法同實施例9，不同的是步驟的質(zhì)量比為1 2。實施例14:本實施例制備方法同實施例10，不同的是步驟的質(zhì)量比為1 2。實施例9-14的對比分析熔體混熔的高溫合金熔體狀態(tài)，對最終凝固組織至關(guān)重要。如圖7的兩條曲線的對比所示，在低溫合金熔體同為640°C的情況下，按所示的不同混熔比例進行混熔熔體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)狀態(tài)變化結(jié)束之后的高溫合金熔體(以1150°C溫度熔煉30分鐘，冷卻到950°C )， 與熔體狀態(tài)變化結(jié)束之前的高溫合金熔體(以950°C溫度熔煉30分鐘)相比，前者的初晶硅平均尺寸為10. 8-12. 9 μ m，而后者的初晶硅平均尺寸為18. 2-21. 2 μ m。從圖7中還可以看出，高溫合金熔體與低溫合金熔體的最佳質(zhì)量比為2 1。
c中高溫合金熔體和低溫合金熔體 c中高溫合金熔體和低溫合金熔體 c中高溫合金熔體和低溫合金熔體 c中高溫合金熔體和低溫合金熔體
權(quán)利要求
1.一種細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法，其特征在于按以下步驟操作a、將鋁硅合金原料按配比量混合后升溫至760-79(TC熔煉，熔清后保持溫度不變進行精煉得到合金液，在覆蓋劑的保護下將所述合金液升溫至1080-1150°C均溫20-30分鐘，隨后降溫至950°C，精煉后得到高溫合金熔體；b、將鋁硅合金原料混合后升溫至760-790°C熔煉，熔清后保持溫度不變進行精煉，隨后在覆蓋劑的保護下降溫至特定半固態(tài)溫度區(qū)間保溫30分鐘得到低溫合金熔體；所述特定半固態(tài)溫度區(qū)間為鋁硅合金組分對應(yīng)的液相線溫度以下20-40°C ；C、將步驟a得到的高溫合金熔體和步驟b得到的低溫合金熔體以1 1-2 1的質(zhì)量比混熔得混合合金熔體，在覆蓋劑的保護下將所述混合合金熔體降溫至720-750°C，澆注并降溫凝固后得到過共晶鋁硅合金鑄件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法，其特征在于步驟a 與步驟b中的鋁硅合金原料的組成成分相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法，其特征在于步驟c 中所述混熔是將高溫合金熔體加入低溫合金熔體中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種細化過共晶鋁硅合金初晶硅組織的方法，是將經(jīng)歷了熔體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化之后的高溫合金熔體與處于特定半固態(tài)溫度區(qū)間的低溫合金熔體按1∶1-2∶1的質(zhì)量比混熔得到混合合金熔體，在覆蓋劑的保護下將混合合金熔體降溫至720-750℃，澆注并降溫凝固后得到過共晶鋁硅合金鑄件。本發(fā)明不需添加變質(zhì)劑，避免了通常所用變質(zhì)劑對生產(chǎn)及社會環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，在普通鑄造的較快冷卻條件下(8-10℃/秒)，可使初晶硅平均尺寸由50μm左右細化到11-13μm，且分布趨于均勻，硅晶粒棱角鈍化。
文檔編號C22C1/02GK102337417SQ20111026791
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者劉蘭俊, 席赟, 祖方遒, 陳忠華, 韓嚴(yán)法, 黃中月 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)