專利名稱：一種具有粒狀硅相的鋁硅合金系列及其工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有粒狀硅相的鋁硅合金系列及其工藝方法。更確切地說(shuō)是在電解鋁硅合金中(通常硅含量＜12％)加入或不加入鋁硅中間合金構(gòu)成不同硅量的鋁硅合金，再添加少量鍶或稀土或鈉鹽等變質(zhì)劑或不進(jìn)行變質(zhì)處理，即可獲得完全由變質(zhì)或欠變質(zhì)共晶體組成的鋁硅合金。再經(jīng)過(guò)固溶處理這些硅相轉(zhuǎn)化為粒狀硅相。
背景技術(shù)：
鋁硅合金是一種輕質(zhì)金屬材料，具有高的比強(qiáng)度和耐磨性能。隨著硅量增加合金耐磨性能進(jìn)一步得到提高，但粗大、有棱角的初生硅隨之析出，惡化了合金機(jī)械性能和加工性能。細(xì)化或者團(tuán)、球化初生硅相或者抑止它的析出使之具有共晶組織，皆可以大幅度改善合金韌性、強(qiáng)度和加工性能。
通常在共晶或過(guò)共晶鋁硅合金中加入磷基硅相細(xì)化劑可以有效地細(xì)化硅相，卻不能改變它們?cè)行螒B(tài)，即初生硅呈多角狀，共晶硅仍呈針、片狀，影響到合金性能的改善。加入含磷、鈦、硼、稀土等的硅相球化劑的合金經(jīng)過(guò)T6熱處理后，共晶硅和初生硅得到團(tuán)、球化，從而大大提高了過(guò)共晶合金的機(jī)械性能和加工性能(Hsien-Yang Yeh，Ru-Yao Wang et al USP6,261,391 B1 Jul.17，2001)不過(guò)，這種工藝在進(jìn)行T6熱處理過(guò)程中團(tuán)、球狀初生硅相尺寸很難小于15-20μm，有時(shí)團(tuán)、球狀初生硅聚集成串，尺寸較大，影響合金性能。在過(guò)共晶鋁硅合金中(Si＜15％)加入過(guò)量Na或Sr(0.1-0.4％)和Ti、Cr、Mo、Ta、Tl、V等元素，能形成金屬間化合物，可以充當(dāng)初生硅的外來(lái)晶核，促進(jìn)初生硅細(xì)化，并使共晶硅變質(zhì)或者抑止初生硅的析出，獲得完全的共晶組織。但由于Na或Sr加入量過(guò)高容易引起縮松，難以獲得致密鑄件(Rogers K et a1 USP5,484,492 Jan.16，1996)。八十年代以后出現(xiàn)的高溫過(guò)熱處理工藝可以大大改善合金性能。其工藝特征是先將合金過(guò)熱到1100-1200℃。此時(shí)各種雜質(zhì)及硅質(zhì)點(diǎn)皆溶解在鋁液中形成均質(zhì)鋁硅熔體。再加入超細(xì)TiN或A1N形成大量外來(lái)晶核使初生硅和共晶硅得到充分細(xì)化，從而大大提高合金使用性能(Shepelov.L et al USP6,132,532 0ct.17 2000)。近年來(lái)又出現(xiàn)過(guò)熱-快冷工藝(或稱之為熱速處理)。例如，將Al-18％Si過(guò)共晶合金加熱至950℃，然后與另一組加熱至750℃的同樣合金熔體混合，再澆注，可以將初生硅細(xì)化至20μm以下(堅(jiān)增運(yùn)楊根倉(cāng)周堯和中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)1995(4)133-135)。然而，這些高溫過(guò)熱處理給生產(chǎn)帶來(lái)許多工藝上的困難，難以推廣應(yīng)用。電解鋁硅合金在生產(chǎn)過(guò)程中承受920-950℃高溫和電流處理，凝固時(shí)也可以取得高溫處理的效果，即出現(xiàn)較大的過(guò)冷度以及細(xì)小變質(zhì)共晶硅和較多的枝晶狀初生鋁相(Ru-Yao Wang Wei-Hua Lu L HoganMaterials Science and EngineeringA348(2003)289-298)。此時(shí)電解鋁硅合金共晶點(diǎn)硅相成分移至16％左右。于是，可以推想含硅16％以下的電解過(guò)共晶合金將具有共晶組織，并且應(yīng)處于變質(zhì)狀態(tài)。而含硅18％以下的合金只出現(xiàn)少量小尺寸初生硅相。這種顯微組織熱力學(xué)上不穩(wěn)定，加熱時(shí)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定組織，獲得均勻分布在鋁基體上的顆粒狀硅相。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述認(rèn)識(shí)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有粒狀硅相的鋁硅合金系列及其工藝方法為生產(chǎn)輕質(zhì)鋁硅合金耐磨材料的汽車、航空零件提供一條簡(jiǎn)易、廉價(jià)的新途徑。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)所述鋁硅合金系列含Si 12.0-17.0％(重量，下同)、Cu 0.5-5.5％、Mg0.2-1.5％、Ni 0.5-3.0％、Mn 0.1-0.9％、Zn＜1.0％、Fe＜1.3％，Ti 0.02-0.30％，余量為Al。
本發(fā)明所述鋁硅合金工藝方法使用的爐料包括電解鋁硅合金(通常Si量在6.0-12.0％范圍)、鋁硅中間合金以及其它Al-X中間合金(X指所述合金其它元素)。用電阻爐或其它熔化爐如反射爐進(jìn)行熔化。升溫到液相線以上150℃，去氣精煉，然后加入鍶或稀土變質(zhì)劑或同時(shí)加入兩種變質(zhì)剤或鈉鹽或不進(jìn)行變質(zhì)處理。攪拌均勻，再靜置15分鐘即可澆注。合金鑄態(tài)組織中不出現(xiàn)初生硅，而由變質(zhì)或欠變質(zhì)共晶體和枝晶狀初生鋁組成。澆注時(shí)間超過(guò)1.5小時(shí)出現(xiàn)輕微變質(zhì)衰退。重熔后出現(xiàn)變質(zhì)衰退，但仍保留共晶組織。
本發(fā)明所述的鍶或稀土分別使用Al-10％Sr或Al-10％RE(RE為稀土元素)中間合金或鈉鹽，加入量皆在0.01-0.10wt％范圍內(nèi)。兩者聯(lián)合加入量也在0.01-0.10wt％范圍。使用鈉鹽或稀土變質(zhì)的效果不如鍶。
本發(fā)明所述鋁硅合金用氮?dú)饣蛄纫彝槿饩珶挕?br> 本發(fā)明所述鋁硅合金經(jīng)過(guò)固溶處理后，變質(zhì)或欠變質(zhì)硅相轉(zhuǎn)變?yōu)榱罟柘?，均勻分布在鋁基體上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明所述鋁硅合金具有粒狀硅相是指在電解鋁硅合金中加入鋁硅中間合金，調(diào)整為共晶或過(guò)共晶鋁硅合金前提下，加入少量鍶或稀土或鈉鹽變質(zhì)剤或不進(jìn)行變質(zhì)處理，再利用電解鋁硅合金固有的自變質(zhì)性能便可抑止初生硅的析出，而形成變質(zhì)或欠變質(zhì)鋁硅共晶組織。再經(jīng)過(guò)固溶處理，便可獲得顆粒狀硅相，均勻分布在鋁基體上。
(2)本發(fā)明選用電解鋁硅合金，避免了高溫過(guò)熱所帶來(lái)的工藝上的困難，卻具有高溫過(guò)熱處理所產(chǎn)生的共晶組織變質(zhì)的效果。
(3)本發(fā)明利用這種顯微組織熱力學(xué)上不穩(wěn)定的特性，通過(guò)在480-510℃范圍內(nèi)加熱使之分解，獲得粒狀硅相，均勻分布在鋁基體上，并且不出現(xiàn)硅粒聚集成串的現(xiàn)象。
(4)本發(fā)明所加的鍶或稀土的數(shù)量皆遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)道(Rogers K et alUSP5,484,492 Jan.16，1996)的必需值。這就避免了縮松的產(chǎn)生，保證獲得致密的鑄件。合金的硅相呈顆粒狀，大部分尺寸在5μm左右。
(5)本發(fā)明屬于鋁合金原位復(fù)合材料，適用于生產(chǎn)要求重量輕、耐磨性高的零、部件。


圖1電解鋁硅合金錠鑄態(tài)組織(100X)?；瘜W(xué)成份為Si 12.12％、Cu 0.88％、Mg 0.91％、Mn 0.01％、Ni 0.81％、Fe 0.25％、Ti 0.09％、Sr＜0.0006％。共晶硅呈變質(zhì)纖維狀，粗大枝晶狀初生鋁均勻分布。共晶體晶界上出現(xiàn)少量片狀硅相和小塊狀初生鋁相。
圖2電解共晶鋁硅合金熱處理態(tài)組織(SEM照片)?；瘜W(xué)成份同圖1。共晶硅呈顆粒狀，大多數(shù)尺寸小于5μm。最大尺寸不超過(guò)10μm。未發(fā)現(xiàn)初生硅相。說(shuō)明電解鋁硅合金硅相的球化特性在500℃時(shí)即表現(xiàn)出來(lái)。
圖3圖1共晶鋁硅合金重熔3次的熱處理態(tài)組織(100X)。樹枝狀初生鋁均勻分布。共晶硅仍呈顆粒狀，分布在初生鋁枝晶間，少許長(zhǎng)大，大多數(shù)尺寸在10μm左右。
圖4過(guò)共晶鋁硅合金熱處理態(tài)組織(100X)?；瘜W(xué)成份為Si 13.7％、Cu 0.98％、Mg 0.55％、Mn 0.49％、Ni 0.30％、Fe 0.26％、Ti 0.08％、Sr＜0.0006％。固溶處理溫度495-505℃。硅相呈粒狀，均勻分布在鋁基體上，大多數(shù)尺寸小于5μm。共晶體周邊分布一些尺寸較大的硅相。
圖5過(guò)共晶鋁硅合金鑄態(tài)組織(100X)。化學(xué)成份為Si 15.7％Cu 1.00％、Mg 0.55％、Mn 0.50％、Ni 0.28％、Fe 0.33％、Ti 0.09％、Sr 0.0051％。合金澆注前，加入Al-10％Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理。顯微金相組織由呈菊花狀鋁硅共晶體及初生鋁相組成。共晶硅相呈變質(zhì)態(tài)，異常細(xì)小。共晶體周邊初生鋁基體上出現(xiàn)少量短片狀硅相。說(shuō)明鍶起了變質(zhì)作用，抑止初生硅的析出。
圖6 圖5過(guò)共晶鋁硅合金熱處理態(tài)金相組織。固溶處理溫度為495-505℃。硅相呈顆粒狀，尺寸非常細(xì)小，大部分小于5μm。共晶體周邊出現(xiàn)一些片狀硅相。
圖7過(guò)共晶鋁硅合金熱處理態(tài)金相組織(100X)?；瘜W(xué)成份為Si 14.2％、Cu 1.05％、Mg 0.50％、Mn 0.36％、Ni 0.28％、Fe 0.30％、Ti 0.08％。合金澆注前，加入Al-10％RE中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理。共晶硅相呈欠變質(zhì)狀態(tài)。枝晶狀初生鋁相數(shù)量較多，分布均勻。出現(xiàn)少量小尺寸初生硅。經(jīng)固溶處理后(加熱溫度為495-505℃)，共晶硅相少量斷開，轉(zhuǎn)變成粒狀，大部分形態(tài)未發(fā)生變化。說(shuō)明稀土合金變質(zhì)作用比鍶弱得多，500℃下硅相難以球化。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例子進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。但本發(fā)明決非僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1
電解共晶鋁硅合金錠化學(xué)成份為Si 12.12％、Cu 0.88％、Mg 0.91％、Mn 0.01％、Ni 0.81％、Fe 0.25％、Ti 0.09％、Sr＜0.0006％。用電阻爐熔化。升溫至720℃，用氮?dú)馊?。不加入任何變質(zhì)劑。。保溫15分鐘后，澆入預(yù)熱至300℃的金屬型。試樣尺寸為45×50×120mm。合金鑄態(tài)金相組織中，不出現(xiàn)初生硅相，鋁硅共晶體和數(shù)量較多的枝晶狀初生鋁相為主要組成。硅相呈變質(zhì)態(tài)，異常細(xì)小并扭曲(見圖1)。經(jīng)500℃固溶處理6小時(shí)后，硅相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，均勻分布在鋁基體上，大多數(shù)尺寸小于5μm。(見圖2)。
實(shí)施例2電解共晶鋁硅合金錠?；瘜W(xué)成份及熔化工藝同例1。重熔3次。經(jīng)500℃固溶處理6小時(shí)后，硅相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，均勻分布在鋁基體上，尺寸略有增大，多數(shù)仍小于10μm(見圖3)。說(shuō)明電解鋁硅合金硅相的球化性質(zhì)隨著重熔次數(shù)增加而逐漸減弱。
實(shí)施例3過(guò)共晶鋁硅合金化學(xué)成份Si 13.7％、Cu 0.98％、Mg 0.55％、Mn 0.49％、Ni 0.30％、Fe 0.26％、Ti 0.08％、Sr＜0.0006％。爐料組成包括電解鋁硅合金(見圖1說(shuō)明)、Al-25％Si中間合金。用電阻爐熔化。升溫至720℃，用氮?dú)馊?。不加入任何變質(zhì)劑。保溫15分鐘后，澆入預(yù)熱至300℃的金屬型。試樣尺寸為45×50×120mm。合金鑄態(tài)金相組織中，不出現(xiàn)初生硅相，鋁硅共晶體和數(shù)量較多的枝晶狀初生鋁相為主要組成。硅相呈變質(zhì)態(tài)，異常細(xì)小并扭曲。經(jīng)500℃固溶處理6小時(shí)后，硅相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，均勻分布在鋁基體上，大多數(shù)尺寸小于5μm。共晶體周邊分布一些尺寸較大的硅相(見圖4)。說(shuō)明電解鋁硅合金添加少量鋁硅中間合金，即便不進(jìn)行變質(zhì)處理，也可保持硅相球化的特性。
實(shí)施例4過(guò)共晶鋁硅合金化學(xué)成份為Si 15、7％、Cu 1.00％、Mg 0.55％、Mn 0.50％、Fe 0.33％、Ni 0.28％、Ti 0.09％、Sr 0.0051％。爐料組成及熔化工藝同例3。去氣后加入Al-10％Sr中間合金(0.1％)進(jìn)行變質(zhì)處理。攪拌均勻，再靜置15分鐘后澆注。試樣同例1。合金鑄態(tài)金相組織基本上由鋁硅共晶體組成，每個(gè)共晶體為鋁相所包圍。共晶體中心的硅相得到充分變質(zhì)，十分細(xì)小，但晶界上的硅相呈短棒狀以輻射的方式分布在鋁基體上(見圖5)。鋁相數(shù)量比未經(jīng)鍶變質(zhì)處理的合金(例3)大為增加。說(shuō)明合金含硅量接近非平衡共晶成份16％時(shí)必須進(jìn)行變質(zhì)，否則，硅相變質(zhì)不充分。經(jīng)500℃固溶處理6小時(shí)后，硅相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，均勻分布在鋁基體上，大多數(shù)尺寸小于5μm。共晶體周邊分布一些尺寸較大的硅相(見圖6)。說(shuō)明由電解鋁硅合金組成的過(guò)共晶鋁硅合金，經(jīng)變質(zhì)處理后仍可保持硅相的球化特性。此外，本實(shí)施例有輕微硅漂浮現(xiàn)象。
實(shí)施例5過(guò)共晶鋁硅合金化學(xué)成份、爐料組成及熔化工藝同例3。去氣后加入0.1％的Al-10％RE中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理。攪拌均勻，再靜置15分鐘后澆注。試樣同例1。經(jīng)固溶處理6小時(shí)后(加熱溫度為495-505℃)，共晶硅相少量斷開，轉(zhuǎn)變成粒狀。大部分形態(tài)未發(fā)生變化(見圖7)。說(shuō)明稀土合金變質(zhì)作用比鍶弱得多，500℃下硅相難以球化。
權(quán)利要求
1.一種具有粒狀硅相的鋁硅合金，其特征在于(1)化學(xué)成份為(wt％)Si 11.5-17.0、Cu 0.5-5.0、Mg 0.2-1.5、Ni 0.5-3.0、Mn 0.1-0.9、Zn＜1.0、Fe＜1.3、Ti 0.02-0.30，余量為Al；(2)鑄態(tài)金相組織由變質(zhì)或欠變質(zhì)鋁硅共晶體和枝晶狀初生鋁組成；(3)熱處理后金相組織由鋁基體及均勻分布的粒狀硅相組成。
2.按權(quán)利要求1所述的具有粒狀硅相的鋁硅合金的工藝方法，包括配料、熔化、澆注、熱處理工藝，其特征在于可以采用下面二種方法中的任意一種來(lái)制備(1)(a)所用爐料包括電解鋁硅合金、鋁硅中間合金、回爐料和其它常用鋁基合金等。合金化學(xué)成份為(wt％)Si 11.0-17.0，Cu 0.5-5.0，Mg 0.2-1.5，Ni 0.5-3.0，Mn 0.1-0.9，Zn＜1.0，F(xiàn)e＜1.3，Ti 0.02-0.30，余量為Al，(b)用電爐或反射爐熔化爐料。爐料溫度升至合金液相線以上150℃，去氣精煉。(c)熔體用鍶或稀土合金，或同時(shí)加入鍶和稀土合金，或加入鈉鹽進(jìn)行變質(zhì)處理，加入量為0.01-0.10wt％，攪拌均勻，靜置15分鐘后澆注，(d)然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為480-520℃，加熱6-8小時(shí)。合金出現(xiàn)粒狀硅相且均勻分布在鋁基體中；(2)(a)所用爐料包括電解鋁硅合金、鋁硅中間合金、回爐料和其它常用鋁基合金等。合金化學(xué)成份為(wt％)Si 11.0-17.0，Cu 0.5-5.0，Mg 0.2-1.5，Ni 0.5-3.0，Mn 0.1-0.9，Zn＜1.0，F(xiàn)e＜1.3，Ti 0.02-0.30，余量為Al，(b)用電爐或反射爐熔化爐料，爐料溫度升至合金液相線以上150℃，去氣精煉，(c)然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為480-520℃，加熱6-8小時(shí)，合金出現(xiàn)粒狀硅相且均勻分布在鋁基體中。
3.按權(quán)利要求2所述的具有粒狀硅相的鋁硅合金的工藝方法，其特征在于所述鍶和稀土以中間合金形式加入，鈉以鈉鹽形式加入。
4.按權(quán)利要求3所述的具有粒狀硅相的鋁硅合金的工藝方法，其特征在于所述鍶和稀土的中間合金為Al-10％Sr或Al-10％RE，RE為稀土元素。
5.按權(quán)利要求2所述的具有粒狀硅相的鋁硅合金的工藝方法，其特征在于所述的去氣精煉采用氮?dú)饣蛄纫彝椤?br> 6.按權(quán)利要求2所述的具有粒狀硅相的鋁硅合金系的工藝方法，其特征在于在130-250℃進(jìn)行4-6小時(shí)效處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有粒狀硅相的鋁硅合金系列及其工藝方法，其特征在于(1)化學(xué)成份為(wt％)Si 11.5－17.0、Cu 0.5－5.0、Mg 0.2－1.5、Ni 0.5－3.0、Mn 0.1－0.9、Zn＜1.0、Fe＜1.3、Ti 0.02－0.30，余量為Al。(2)鑄態(tài)金相組織由變質(zhì)或欠變質(zhì)鋁硅共晶體和枝晶狀初生鋁組成。(3)熱處理后金相組織由鋁基體及均勻分布的粒狀硅相組成。工藝特征在于先將電解鋁硅合金和鋁硅中間合金熔化，升溫至液相線以上150℃，去氣精煉。加入或不加入Al－Sr中間合金或Al－RE中間合金或鈉鹽，攪拌均勻，靜止15分鐘，澆注鑄件。本發(fā)明所加入的變質(zhì)劑數(shù)量為0.01－0.10wt％，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)道的0.1－0.4wt％值，從而避免了縮松的產(chǎn)生，保證獲得致密鑄件。本發(fā)明適用于要求耐磨性能高的輕質(zhì)鋁硅合金鑄件。
文檔編號(hào)C22C21/02GK1546708SQ200310109039
公開日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月3日
發(fā)明者王汝?duì)d, 魯薇華, 王汝 申請(qǐng)人:東華大學(xué)