本發(fā)明涉及一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，具體屬于合金制造
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：對于高硅鋁合金而言，隨著硅含量的增加，導(dǎo)致共晶硅和初晶硅組織變得更加粗大，進而材料的塑性韌性降低，脆性增強，對加工成型造成更大的難度。因此，采用適合的鑄造方式、減小初晶硅的尺寸和合理分布，以至于最終制作出能滿足工業(yè)需求的高硅鋁合金。高硅鋁合金的制備工藝主要包括熔鑄法、傳統(tǒng)粉末冶金、噴射沉積法等。傳統(tǒng)的鑄造方式所制備的高硅鋁合金典型的顯微組織為塊狀的初生si和共晶組織(α-al+共晶si)，共晶組織中的si呈針狀，而初生si則是粗大的塊狀或板條狀。隨硅含量的升高，初生硅的含量也越高，變得也更加粗大，對基體的割裂能力也越來越大，在硅相的棱角和尖銳部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得合金的力學(xué)性能尤其是延伸率產(chǎn)生明顯的降低、切削性變差、脆性增加，無法滿足電子封裝材料對鋁硅合金的性能要求。細化初生硅的方法主要有：(1)變質(zhì)處理；(2)快速凝固。對于過共晶高硅鋁合金而言，其鋁硅合金中初晶硅的尺寸越是細小，則鋁硅合金的綜合力學(xué)性能越好。因此，研究一種降低初晶硅的尺寸，提升高硅鋁合金組織性能的方法顯得尤為必要。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率和設(shè)定溫度后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫一定時間，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌，攪拌結(jié)束澆鑄，冷卻至室溫即可。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分數(shù)為20％的合金。本發(fā)明所使用高硅鋁合金屬于高硅鋁合金(過共晶)，單晶硅具有良好的耐磨性。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，低頻磁場的磁場強度為12000～15000at。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，升溫速率為10℃/min～15℃/min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，設(shè)定溫度為760℃～800℃。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，達到設(shè)定溫度后保溫25min～40min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，攪拌的時長為5～15min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，陶瓷攪拌棒是在600℃～700℃下預(yù)熱15min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，電磁、機械耦合攪拌中機械攪拌的頻率為2～3hz。為了確保本發(fā)明技術(shù)方案科學(xué)、合理、有效，發(fā)明人進行了一系列實驗驗證。1、實驗材料及設(shè)備1.1、實驗材料本熔煉實驗選用的試驗原材料為：w(si)＝20％的高硅鋁合金，高溫剪切用陶瓷棒(直徑d＝10mm)。其中w(si)＝20％的高硅鋁合金化學(xué)成分如表1所示。表1w(si)＝20％的高硅鋁合金化學(xué)成分(％)sicumgnimn其他al20～221.5～2.50.4～0.71～2≤0.10≤0.15剩余1.2、實驗設(shè)備1)可傾斜人工智能箱式電阻爐(井式爐)：對購得的鋁合金進行重熔；2)鋸床：對重熔得到的高硅鋁合金錠進行初步鋸塊兒，制取所需要的部分；3)線切割儀：將鋸床所得到的鋁合金條塊切割成10mm×10mm的塊錠；4)x射線衍射儀5)光學(xué)顯微鏡型號為dm25000m。6)掃描電鏡7)輔助工具及試劑：石墨坩堝、陶瓷棒、坩堝鉗、石棉手套、計時器、電子天平、砂紙、拋光機、電解拋光儀器、點解拋光液(10％高氯酸)、拋光膏(1.5μm)、燒杯、乙醇、鉗子、手工鋸、膠水、試樣帶、標簽紙。1.3、試樣的制備取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率(10℃/min～15℃/min)和設(shè)定溫度(760℃～800℃)后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫25min～40min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中(磁場強度12000～15000at)，用預(yù)熱后(600～700℃下預(yù)熱15min)的陶瓷攪拌棒，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌5～15min(機械攪拌的頻率為2～3hz)，攪拌結(jié)束澆鑄，冷卻至室溫即可。施加低頻磁場，同時用預(yù)熱后的陶瓷攪拌棒進行機械攪拌，即為耦合攪拌。2、測試方法2.1、顯微組織分析：用光學(xué)顯微鏡dm-2500m觀察樣品的組織形貌和物相分布并進行分析。2.2、掃描電鏡和能譜分析：通過掃描電鏡觀察樣品形貌。測試。然后利用電子探針能譜儀進行面掃描，分別觀察其元素布情況并得到x射線能譜，完成eds測試。3、測試結(jié)果3.1、顯微組織分析如圖1(a)所示；而根據(jù)相關(guān)資料顯示，高硅鋁合金中的初生硅的顯微硬度1000～1300hv，遠遠超過基體鋁的60～100hv。初晶硅質(zhì)硬，很容易在其表面產(chǎn)生顯微劃痕，如圖1(b)所示。故而在進行電解拋光之前，要加一道機械拋光的程序。機械拋光時使用呢子布和拋光膏，拋光過程中不斷加水。在肉眼觀察試樣表面無明顯的劃痕后再進行電解拋光。圖2為未處理的原始組織，從組織可以看出存在塊狀的初晶硅和針狀的共晶硅。大塊狀的初晶硅導(dǎo)致硅在合金中分布不均勻，影響合金的性能。在耦合攪拌的過程中要打碎塊狀的初晶硅以及針狀的共晶硅，使初晶硅其變得細小圓滑，共晶硅變?yōu)轭w?；蛉湎x狀減少對基體的割裂性能，進而提高合金的綜合性能。圖3為720℃耦合攪拌5min的鑄坯不同位置的顯微組織圖：由圖可知，相同的溫度和攪拌時間，其各部的顯微組織即其初晶硅的形貌和大小和共晶硅的形貌并沒有發(fā)現(xiàn)到明顯區(qū)別，也就是說，耦合攪拌很均勻。在高溫耦合攪拌作用時間相同的情況下，從顯微組織中，可以清晰的看到，在740～800℃的時候，初晶硅的形貌有開始由棱角分明到被打破為圓滑狀，初晶硅的形貌也由針狀變?yōu)槿湎x狀：從780～800℃，可以看到，初晶硅的形狀又變得有些許尖銳，故而可以初步的認為，780℃最為接近最佳的耦合攪拌溫度，即其最接近初晶硅的形成時間，如圖4所示。對上述由耦合攪拌時間10min所得到最佳攪拌溫度780℃，在攪拌時間為15min的時候再加以驗證，如圖5所示。在攪拌時間為15min時，可以明顯的看到，在780℃時，初晶硅的塊狀組織被嚴重打破甚至碎裂為小塊的初晶硅，共晶硅的針狀組織也得到很好的改善。故而，綜上所述，可以確定：780℃最接近耦合攪拌的最佳施加溫度。在確定了耦合攪拌的最佳溫度后，要繼續(xù)確定耦合攪拌的最佳施加時間。在780℃下，施加耦合攪拌的時間分別為5min、10min、15min時，試樣的顯微組織如圖6所示。從圖中可以看出，耦合攪拌15min的初晶硅尺寸明顯減小；共晶硅也呈點狀或蠕蟲狀。微觀組織次和相組成形貌的改變，減少對基體的割裂，使得合金微觀組織的連續(xù)性改善，進而提高其綜合性能。故此可以確定，本發(fā)明設(shè)計的耦合攪拌的最佳時間為15min。在金屬尚未形成固態(tài)金屬表皮，還能施加耦合攪拌的溫度范圍內(nèi)，高溫耦合攪拌的施加時間越長，對初晶硅的打碎效果越好。在此，確定了高溫耦合攪拌對高硅鋁合金作用效果的最佳時間和最佳溫度分別為15min和780℃。3.2能譜分析對高硅鋁合金未攪拌試樣進行能譜分析，如圖7所示，塊狀的相為初晶硅，粗大的樹枝晶為α-al基體，上面分布的針狀組織為共晶硅，共晶硅和α-al基體共同組成了共晶組織。對該原樣進行sem點掃描，可具體確定每個相具體的組織含量百分比，如圖7所示。由點掃面的能譜分析圖可知，對于譜圖30，其含量為100％的si，可以確定其為單純的完整的出晶硅相；對于譜圖31，其由96％的al、3.47％的c和0.43％的o組成，故此可以判斷其為al基體，極少量的c和o為少量的鑄造雜質(zhì)元素；對于譜圖32，其由83.29％的si、11.76％的al、0.99％的o和3.96％的c組成?？梢耘袛嗥錇楣簿Ч杞M織共晶組織，同樣，c和o為雜質(zhì)元素。對最佳工藝參數(shù)下獲得的試樣進行能譜分析，結(jié)果如圖8、9所示，可以清楚的看出，在780℃，15min的耦合攪拌下，共晶硅的形貌為點狀和蠕蟲狀，更加驗證了之前的實驗結(jié)論。4、結(jié)論本發(fā)明主要研究利用耦合攪拌對w(si)＝20％的高硅鋁合金的組織性能產(chǎn)生的影響。對實驗結(jié)果加以分析，得到了以下的結(jié)論：1)本發(fā)明提供的一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。2)本發(fā)明中最佳的耦合攪拌時間為15min、最佳的耦合攪拌溫度為780℃(即為最接近初晶硅形成的溫度)。在此條件下，使得初晶硅尺寸變小，形狀變得圓滑，共晶硅的組織由針狀變?yōu)槿湎x狀或者點狀。本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明提供的一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。本發(fā)明的方法通過將高硅鋁合金進行重熔，并對合金液體實施特定溫度和特定時長的耦合攪拌，最終可以改善高硅鋁合金組織性能，使得所得合金的初晶硅尺寸變小，形狀變得圓滑，同時不產(chǎn)生聚集；共晶硅的組織由針狀變?yōu)槿湎x狀或者點狀。解決了粗大的初晶硅和尖角初晶硅對合金組織產(chǎn)生割裂，嚴重影響合金的力學(xué)性能；初晶硅聚集影響基體組織性能的連續(xù)性等問題。附圖說明圖1是本發(fā)明的al-si合金相圖與初晶硅的顯微組織圖；圖2是粗大的樹枝晶、棱角分明的初晶硅與針狀共晶硅圖；圖3是720℃下耦合攪拌5min后，樣品的顯微組織圖；圖4是不同溫度下耦合攪拌10min的樣品顯微組織圖；圖5是不同溫度下耦合攪拌15min的樣品顯微組織圖；圖6是780℃不同攪拌時間所得樣品顯微組織圖；圖7是鋁硅合金未攪拌試樣點掃描能譜圖；圖8是780℃，攪拌15min試樣共晶組織點掃描能譜圖；圖9是780℃，攪拌15min試樣初晶硅點掃描能譜圖；圖中附圖標記的含義：圖1：(a)al-si合金相圖，(b)初晶硅的顯微組織；圖2：(a)粗大的樹枝晶，(b)棱角分明的初晶硅，(c)針狀共晶硅，b-帶尖角的初晶硅，c-針狀共晶硅；圖4：(a)740℃，(b)760℃，(c)780℃，(d)800℃；圖5：(a)740℃，(b)760℃，(c)780℃，(d)800℃；圖6：(a)5min，(b)10min，(c)15min，a-點狀、蠕蟲狀共晶硅，b-被打破的初晶硅。具體實施方式以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的介紹。實施例1一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率10℃/min和設(shè)定溫度760℃后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫40min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌15min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分數(shù)為20％的合金。陶瓷攪拌棒是600℃下預(yù)熱15min，低頻磁場的磁場強度為12000at，機械攪拌的頻率為2hz。實施例2一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率15℃/min和設(shè)定溫度800℃后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫25min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌5min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，陶瓷攪拌棒是在700℃下預(yù)熱15min，低頻磁場的磁場強度為15000at，機械攪拌的頻率為3hz。實施例3一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率12℃/min和設(shè)定溫度780℃后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫30min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌15min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分數(shù)為20％的合金，陶瓷攪拌棒是在650℃下預(yù)熱15min，低頻磁場的磁場強度為13000at，機械攪拌的頻率為2.5hz。實施例4一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率14℃/min和設(shè)定溫度790℃后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫22min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌12min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，陶瓷攪拌棒是在680℃下預(yù)熱15min，低頻磁場的磁場強度為14000at，機械攪拌的頻率為2hz。實施例5一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率11℃/min和設(shè)定溫度780℃后升溫，達到設(shè)定溫度后保溫35min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場線圈中，在保溫條件下進行電磁、機械耦合攪拌10min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分數(shù)為20％的合金，陶瓷攪拌棒是在620℃下預(yù)熱15min，低頻磁場的磁場強度為13500at，機械攪拌的頻率為3hz。當前第1頁12