專利名稱：同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，尤其是一種同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，屬于 金屬材料改性加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑄造鋁硅合金的微觀組織中通常存在針狀共晶硅相、粗大的板片狀初生硅顆粒。它們 通常成為材料失效時裂紋的發(fā)源地，使材料的塑性、韌性和疲勞強度較低。使硅相細化和 球化，是長期以來針對鋁硅合金研究的重要問題。
鋁硅合金是最重要的鋁基結(jié)構(gòu)材料之一，是主要的鑄造合金體系。除了具有一般鋁合 金比重低、傳熱好的特點外，較高硅含量的鋁硅合金還可以看作一種自生復(fù)合材料，有較 高的室溫綜合力學(xué)性能(強度，耐磨性，延伸率)和高溫性能，成型性能也好；同時由于 鋁、硅元素的相互固溶度較低，所以回收利用方便，是一種具有可持續(xù)發(fā)展性的綠色材料。 所以，它在汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。
鑄造鋁硅合金主要的不足之處是其微觀組織中通常存在針狀共晶硅相、粗大的板片狀 初生硅顆粒。它們一方面質(zhì)脆，易碎，同時其尖角會引起應(yīng)力集中，通常成為材料失效時
裂紋的發(fā)源地，所以材料的塑性、韌性和疲勞強度較低[3]。高硅含量(^共晶成分點11.8
%)鋁合金由于初生硅顆粒的大量存在，對材料上述性能的影響尤其大。所以，解決硅相 組織的形態(tài)缺陷，使硅相細化和球化，是長期以來針對鋁硅合金的重要問題。 目前對鋁硅合金硅相進行細化和(或)球化的技術(shù)可以分成為液態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)技
術(shù)三個大類。其中，變質(zhì)處理[4]，快速凝固[5]，噴射成形[6,7]等技術(shù)屬于液態(tài)技術(shù)，球 化熱處理(SST) [8，9]、軋制[IO]、劇烈塑性變形(SPD) [ll]等屬于固態(tài)技術(shù)，半固態(tài)技 術(shù)包括各種攪拌、振動等制備半固態(tài)漿料的技術(shù)[12-17]。
在液態(tài)技術(shù)中，變質(zhì)是一種常用和簡便的技術(shù)，通過各種變質(zhì)劑對硅形核和生長過程 進行的影響，以改變硅相顆粒的大小和形態(tài)。其中，變質(zhì)劑通常只對初生硅(如P)和共 晶硅(如Na,Sr等)分別有效；目前只能夠使硅相顆粒細化到20 50^im范圍，在硅含量 超過30%情況下效果較差。而且，變質(zhì)劑對硅相球化的作用不顯著，基本上只能獲得多 邊形狀的硅相。其他液態(tài)技術(shù)如快速凝固，噴射成形等則成本較高，更適合低維度材料生 產(chǎn)。半固態(tài)技術(shù)[12-17]主要利用各種攪拌或激冷方法使半固態(tài)漿料中硅相發(fā)生斷裂或大 量形核等，并通過液相成分場和溫度場的均勻化來控制固相顆粒的生長，從而實現(xiàn)硅相的 細化。 一般只能使初生硅細化到30 50微米范圍，在硅含量超過30%情況下效果較差。 硅相顆粒通常通過聚集和相互摩擦來實現(xiàn)球化[12]，從而導(dǎo)致粗大。所以，在半固態(tài)技術(shù) 中也不易實現(xiàn)硅相顆粒的同時細化和球化。同時，還容易使硅相出現(xiàn)偏析。
固態(tài)技術(shù)一般通過基體的塑性變形來剪切破碎硅相，隨著塑性變形程度增大，硅相細 化程度也增加，通常細化效果好于液態(tài)和半固態(tài)技術(shù)。例如SPD技術(shù)中的等通道轉(zhuǎn)角擠 壓技術(shù)可以使硅相細化達幾百納米[ll]。但它們不能使硅相獲得球化。
SST技術(shù)是固態(tài)技術(shù)中特殊的一個，其通過硅元素在鋁中的擴散、固溶和重新析出， 實現(xiàn)硅相的球化和細化，但是基本只對共晶硅起作用，對初生硅效果不明顯。
近年來，摩擦攪拌焊(FSW) /摩擦攪拌加工(FSP)技術(shù)的出現(xiàn)提供了一種新穎的材料 組織細化方法[18]。該技術(shù)是1991年英國焊接研究所發(fā)明的一種固態(tài)焊接技術(shù)，其原理 (如圖l)是將一個高速旋轉(zhuǎn)的帶軸肩的銷釘，逐漸插入待焊接的兩板的接縫處，同時 沿接縫運動。通過銷釘?shù)母咚龠\動， 一方面與焊接材料摩擦產(chǎn)生一定高溫，另一方面帶動 銷釘周圍經(jīng)高溫軟化了的兩工件的材料產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和其它復(fù)雜運動(攪拌)，發(fā)生強烈的塑 性流動和復(fù)雜的混合，形成一個整體，從而達到焊接兩工件的目的。通常，攪拌區(qū)材料始 終處于固態(tài)，組織由再結(jié)晶形成的細小等軸晶粒組成，這決定了焊縫優(yōu)異的力學(xué)性能。
基于FSW技術(shù)對材料組織的強烈細化的原理，又出現(xiàn)了摩擦攪拌加工(FSP)技術(shù)，它 是在同一材料表面對材料組織進行改性或制備表面復(fù)合材料的一種技術(shù)。與普通劇烈塑性 變形(SPD)技術(shù)相比，F(xiàn)SP技術(shù)的特點是對材料局部地，由內(nèi)而外地進行快速強烈塑性 加工，而非普通SPD技術(shù)由表及里的施壓。由于FSP技術(shù)瞬時加工區(qū)域小，對設(shè)備功率 要求較小，同時還能使材料組織強烈混合和均勻化，所以具有工藝簡捷高效，性能穩(wěn)定易 控制，設(shè)備要求低等優(yōu)勢。
目前，已經(jīng)有少量關(guān)于FSP或FSW技術(shù)對鋁硅合金表面進行組織細化的報道[19-21]。 這些結(jié)果表明，常規(guī)FSP技術(shù)通過a組織的劇烈塑性變形可以剪切破碎硅相，使其顯著 細化，其中很多硅顆粒細化到幾微米，延伸率可以提高到鑄態(tài)的10倍[19]。但是，在這 些研究中，沒有發(fā)現(xiàn)或報道硅相球化的效果。
所以，目前的技術(shù)都不能很好地解決鑄造鋁硅合金中硅相的同時細化和球化問題。
參考文獻 Crivellone G, Fuganti A, Mus C, Salinas D. Permanent mold gravity casting cylinderblock with hypereutectic aluminium liners. SAE Special Publication SP 1610. (2001):77-83 [2] Yang Fuliang, Gan Weiping, Chen Zhaoke ， Effect of extrusion temperature on the
physical properties of high-silicon aluminum alloy, Front. Mech. Eng. China, 2(1) (2007):
120—124 Haizhi Ye， An overview of the development of Al-Si-alloy based material for engine
applications, JMEPEG 12 (2003): 288-297 [4] Q.C. Jiang， C丄.Xu， M. Lu， H.Y. Wang， Effect of new Al—P—Ti—TiC—Y modifier on
primary silicon in hypereutectic Al—Si alloys, Materials Letters 59 (2005): 624~628 [5] Li Yuanyu叫Zhang Datong， Ngai TungwaiLeo, Zhang Weiwen， Rapidly solidified
hypereutectic Al隱Si alloys prepared by powder hot extrusion, Trans. Nonferrous Met. Soc.
China, Vol. 12(5) (2000): 878-881 問Hamilta de Oliveira Santos, Marilene Morelli Serna， Nelson Batista de Lima, Isolda Costa,
Jesualdo Luiz Rossi, Crystallographic Orientation-Spray Formed Hypereutectic
Aluminium-Silicon Alloys， Materials Research, Vol.8 (2) (2005): 181-186 [7] Jacobson DM. Spray-formed silicon-aluminium. Advanced Materials & Process,
Vol. 157(3) (2000):36-39. [8] Dheerendra Kumar Dwivedi， A. Sharma and T. V. Rajan， Influence of silicon morphology
and mechanical properties of piston alloys, Materials and Manufacturing Processes,
20(2005): 777-791 E.Ogris, A.Wahlen, H丄iichinger， P丄Uggowitzer, On the silicon spheroidization in Al—Si
alloys， Journal of Light Metals 2 (2002): 263—269 [10] Osamu Umezawa and Kotobu Nagai, Microstmctural Refinement of an As-Cast Al-12.6
Wt Pet Si Alloy by Repeated Thermomechanical Treatment to Produce a Heavily
DeformableMaterial,MetallurgicalandMaterialsTransactions,Vol.3 OA
(1999):2221-2228 Aibin Ma, Kazutaka Suzuki, Naobumi Saito， Yoshinori Mshida, Makoto Takagi， Ichinori Shigematsu， Hiroyuki Iwata， Impact toughness of an ingot hypereutectic Al—23 mass% Si alloy improved by rotary-die equal-channel angular pressing, Materials Science and Engineering A 399 (2005) : 181—189 J.I. Lee, H丄Lee and MI. Kim， Formation of spherical primary silicon crystals duringsemi-solid processing of hypereutectic Al-15.5wt%Si alloy, Scripta Metallurgica et Materialia，
Vol. 32 (No. 12) (1995): 1945-1949 [13]毛衛(wèi)民，李樹索，趙愛民，崔成林，鐘雪友，電磁攪拌對過共晶Al—Si合金初生Si
長大過程和形貌的影響，材料科學(xué)與工藝，2001 (2) :117-121 [14]毛衛(wèi)民，李樹索，趙愛民，崔成林，鐘雪友，電磁攪拌對過共晶A1—Si合金初生Si
分布的影響，金屬學(xué)報，2001 (7) :781-784 [15] Dehong Lu, Yehua Jiang, Guisheng Guan， Rongfeng Zhou, Zhenhua Li, Rong Zhou，
Refinement of primary Si in hypereutectic Al-Si alloy by electromagnetic stirring, Journal
of Materials Processing Technology 189 (2007): 13—18 [16] H. Wang， In-Situ Si/Al Composite Produced by Semisolid Metal Processing, Materials
and Manufacturing Processes, 22(2007): 696~699 [17] X. Ji叫T.T. Meek, Q. Han， Refinement of eutectic silicon phase of aluminum A356
alloy using high-intensity ultrasonic vibration, Scripta Materialia 54 (2006): 893—896 [18] R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Friction stir welding and processing, Materials Science and
Engineering R 50 (2005): 1—78 [19] Z.Y. Ma， S.R. Sharma, R.S. Mishra, Effect of multiple-pass friction stir processing on
microstructure and tensile properties of a cast aluminum—silicon alloy, Scripta Materialia
54 (2006) : 1623—1626 Y.G. Kim, H. Fujii, T. Tsumura， T. Komazaki, K, Nakata， Effect of welding parameters
on microstructure in the stir zone of FSW joints of aluminum die casting alloy, Materials
Letters 60 (2006) : 3830-3837 [21] M丄.Santella, T. Engstrom, D. Stoijohann， T.-Y. Pan, Effects of friction stir processing
on mechanical properties of the cast aluminum alloys A319 and A3 5 6, Scripta Materialia
53 (2005): 201—206

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在高溫固態(tài)條件下利用摩擦攪拌技術(shù)加工高硅鋁合金，使 其中所有硅相即初生硅和共晶硅同時細化和球化的方法。
本發(fā)明通過下列技術(shù)方案實現(xiàn) 一種同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其 特征在于經(jīng)過下列工藝步驟
A、將鑄造鋁硅合金材料在20(TC 熔點溫度條件下保溫；B、將上部帶旋轉(zhuǎn)軸的螺紋銷釘以1 3000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋入鋁硅合金材料內(nèi)，當(dāng)銷 釘完全進入材料，且旋轉(zhuǎn)軸下端面與鋁硅合金材料表面相接觸后，再以1 3000轉(zhuǎn)/分鐘 的旋轉(zhuǎn)速度、0 10000m/min的移動速度，使銷釘和旋轉(zhuǎn)軸向前邊旋轉(zhuǎn)邊移動，從鋁硅合 金材料的一端直至另一端，即完成一個道次的處理，從而在該道次的處理區(qū)域內(nèi)獲得細化 和球化的硅相組織。
所述步驟A中受到保溫的鋁硅合金材料為直接從液態(tài)凝固并保溫在該溫度區(qū)域的鑄 造鋁硅合金材料，或者從室溫升溫到該溫度區(qū)域的鑄造鋁硅合金材料。
所述銷釘?shù)拈L度與鋁硅合金材料厚度或高度相適應(yīng)，以便在一個道次內(nèi)完成該區(qū)域內(nèi) 鋁硅合金材料厚度或高度的處理。
所述銷釘上部旋轉(zhuǎn)軸的直徑是銷釘直徑的1.5 10倍，以便在保持正常的處理情況下， 最大限度地擴大鋁硅合金材料的處理區(qū)域。
所述處理道次的次數(shù)視鋁硅合金材料面積的大小具體確定，相鄰兩道次的處理區(qū)域相 接，以便在鋁硅合金材料中實現(xiàn)所有硅相顆粒的同時細化和球化。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點或積極效果采用上述方案，可在鋁硅合金材料 中同時實現(xiàn)硅相的細化和球化，且硅相顆粒細化到《10微米以下，是現(xiàn)有的變質(zhì)處理等 技術(shù)所無法達到的，它可大幅度提高材料機械性能，使之具有優(yōu)越的塑性、韌性和較高的 疲勞強度。此外，本發(fā)明還具有工藝簡單，流程短等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的加工過程示意圖2為用現(xiàn)有技術(shù)(P變質(zhì))加工的鋁硅合金材料顯微組織圖； 圖3為本發(fā)明技術(shù)加工的鋁硅合金材料顯微組織圖。
圖1中，1為高溫的鑄造鋁硅合金材料，2為旋轉(zhuǎn)軸，3為連接在旋轉(zhuǎn)軸2下部的銷 釘，a為旋轉(zhuǎn)軸和銷釘?shù)男D(zhuǎn)方向，b為旋轉(zhuǎn)軸和銷釘?shù)囊苿臃较?，c為旋轉(zhuǎn)軸的銷釘受 壓后的下移方向，4為鑄造鋁硅合金材料1中硅相細化和球化區(qū)域。
圖2中，鋁硅合金材料(用P變質(zhì)處理)的微觀組織含有粗大的顆粒狀初生硅，以及 長棒狀或針狀的共晶硅顆粒。最大的顆粒直徑在50微米左右。
圖3中，在經(jīng)過本發(fā)明技術(shù)加工過的相同鑄造鋁硅合金材料組織中，大部分硅相顆粒 被細化成了《10微米的顆粒，只有少量顆粒仍然較大，但是直徑也在30微米左右。同時， 無論顆粒大小，其球化都較明顯。
具體實施方式
實施例1
ZL117合金硅相顆粒的同時細化和球化
A、 將ZL117鑄造材料加熱到47(TC并保溫；
B、 利用銑床帶動020的旋轉(zhuǎn)軸2，旋轉(zhuǎn)軸2的下端裝有一個01O的銷釘3，以600 轉(zhuǎn)/分鐘的速度將銷釘3旋入ZL117材料1內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸2端面接觸合金材料1 表面后，旋轉(zhuǎn)軸2在保持600轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)的同時，以10m/min的速度向前(b 向)移動，與旋轉(zhuǎn)軸2相連的銷釘3隨之移動，如圖l，并在移動過的材料中， 使絕大多數(shù)硅相獲得了同時細化和球化，如圖3。
實施例2
Al—20XSi合金硅相顆粒的同時細化和球化
A、 將Al—20XSi鑄造材料加熱到45(TC并保溫；
B、 利用銑床帶動020的旋轉(zhuǎn)軸2，旋轉(zhuǎn)軸2的下端裝有一個01O的銷釘3，以500 轉(zhuǎn)/分鐘的速度將銷釘3旋入Al—20XSi鑄造材料1內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸2端面接觸合 金材料1表面后，旋轉(zhuǎn)軸2在保持500轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)的同時，以5 m/min的速度 向前(b向)移動，與旋轉(zhuǎn)軸2相連的銷釘3隨之移動，如圖1，并在移動過的 材料中，使絕大多數(shù)硅相獲得了同時細化和球化。
實施例3
Al—30%Si合金硅相顆粒的同時細化和球化
A、 將Al—30%Si鑄造材料加熱到48(TC并保溫；
B、 利用銑床帶動02O的旋轉(zhuǎn)軸2，旋轉(zhuǎn)軸2的下端裝有一個01O的銷釘3，以800 轉(zhuǎn)/分鐘的速度將銷釘3旋入ZL117材料1內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸2端面接觸合金材料1 表面后，旋轉(zhuǎn)軸2以10m/min的速度向前(b向)移動，與旋轉(zhuǎn)軸2相連的銷 釘3隨之移動，如圖l，并在移動過的材料中，使絕大多數(shù)硅相獲得了同時細化 和球化。
權(quán)利要求
1、一種同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于經(jīng)過下列工藝步驟A、將鑄造鋁硅合金材料在200℃～熔點溫度條件下保溫；B、將上部帶旋轉(zhuǎn)軸的螺紋銷釘以1～3000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋入鋁硅合金材料內(nèi)，當(dāng)銷釘完全進入材料，且旋轉(zhuǎn)軸下端面與鋁硅合金材料表面相接觸后，再以1～3000轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度、0～10000m/min的移動速度，使銷釘和旋轉(zhuǎn)軸向前邊旋轉(zhuǎn)邊移動，從鋁硅合金材料的一端直至另一端，即完成一個道次的處理，從而在該道次的處理區(qū)域內(nèi)獲得同時細化和球化了的硅相組織。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于 所述步驟A的鑄造鋁硅合金材料為直接從液態(tài)凝固并保溫在該溫度區(qū)域的材料，也可以 是從室溫升溫到該溫度區(qū)域的材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于所述銷釘?shù)拈L度與鋁硅合金材料厚度或高度相適應(yīng)，以便在一個道次內(nèi)完成該區(qū)域內(nèi)鋁硅 合金材料厚度或高度的處理。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于 所述銷釘上部旋轉(zhuǎn)軸的直徑是銷釘直徑的1.5 10倍，以便在保持正常的處理情況下，最 大限度地擴大鋁硅合金材料的處理區(qū)域。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于 所述處理道次的次數(shù)視鋁硅合金材料面積的大小具體確定，相鄰兩道次的處理區(qū)域相接， 以在鋁硅合金材料中實現(xiàn)所有硅相顆粒的同時細化和球化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種細化和球化鋁硅合金中硅相組織的方法，其特征在于經(jīng)過下列工藝步驟A.將鑄造鋁硅合金材料在200℃～熔點溫度條件下保溫；B.將上部帶旋轉(zhuǎn)軸的螺紋銷釘以1～3000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋入鋁硅合金材料內(nèi)，當(dāng)銷釘完全進入材料，且旋轉(zhuǎn)軸下端面與鋁硅合金材料表面相接觸后，再以1～3000轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度、0～10000m/min的移動速度，使銷釘和旋轉(zhuǎn)軸向前邊旋轉(zhuǎn)邊移動，從鋁硅合金材料的一端直至另一端，即完成一個道次的處理，從而在該道次的處理區(qū)域內(nèi)獲得細化和球化的硅相組織，且硅相顆粒細化到≤10微米以下，是現(xiàn)有的變質(zhì)處理等技術(shù)所無法達到的，它可大幅度提高材料機械性能，使之具有優(yōu)越的材料塑性、韌性和較高的疲勞強度，此外，本發(fā)明還具有工藝簡單，流程短等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號B22D27/20GK101302587SQ20081005858
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者盧德宏, 榮 周, 蔣業(yè)華 申請人:昆明理工大學(xué)