一种变质处理过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法

摘要

一种变质处理过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法，金属液浇注之前进行变质处理，然后注入模具，并将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，经过保压后，将坯锭取出。通过本发明所述技术方案的实施，相对现有技术生产出来的产品质量和各项性能指标均相应得到提高，铸件具有高强度和高韧性。

说明书

技术领域

本发明涉及挤压铸造成型方法，具体指一种关于变质处理过共晶Al-Si合金，采用挤压铸造成型的方法。

背景技术

过共晶高硅铝合金具有良好的耐磨性好、耐蚀性好、热裂倾向小、体积稳定性高和低热膨胀系数等特点，是一种理想的新型汽车、摩托车等活塞用合金。在这种材料中随着含硅量的增加组织中出现大量的初生硅，特别是呈现粗大针片状的初生硅，严重割裂合金基体，并且硅相尖端和棱角部位会引起应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响其塑性。目前采用的细化硅相的方法有多种，如悬浮铸造法、喷射沉积法、超声波振动法、快速凝固法等，这些方法虽取得了一定的效果，由于受到生产规模限制以及工艺条件要求过于苛刻，因而在生产上都受到了一定的限制。过共晶高硅铝合金铸件的力学性能在很大程度上取决于Si相在基体中的形貌和分布，因此，改善共晶Si相和初生Si相的形貌和分布，不但可以提高合金的力学性能，而且还可以进一步提高合金的耐磨性。对过共晶Al-Si合金的变质处理主要是细化初生Si相的结晶晶粒，把原来的块状初生Si相及粗大的针状共晶Si相的晶粒变为细粒状，以提高其综合性能。过共晶Al-Si合金的初生Si相的变质处理主要是通过向合金液内提供外来结晶核心，使其成为初生Si相的结晶核心，从而使结晶核心数量增多，以抑制其长大，实现结晶组织细化均匀的目的。挤压铸造工艺, 其特点是材料利用率高, 铸件内部气孔和缩孔等缺陷显著减少，晶粒细化和组织致密等，而且在压力下凝固不但可以使合金组织细化，而且使A1-Si合金的共晶点右移，减少粗大初生Si相数量。因此，采用挤压铸造成型的方式，也可以使得过共晶A1-Si合金中硅相细化，合金的力学性能大幅度提高。将上诉两种工艺结合到一起，从而保证硅相的细化，提高了合金力学性能，而同时生产工艺简单、便于操作。

发明内容

本发明提供一种制备高强韧过共晶Al-Si合金铸件的方法，其目的是：提高过共晶Al-Si合金铸件致密度、力学性能和生产率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种变质处理过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，并将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，经过保压后，将坯锭取出。

所述金属液注入模具之前，加入变质剂进行变质处理，保温5-15min，然后再浇注。

所述变质剂为锶，加入量为金属液总质量的0.02-0.06%，可以以中间合金形式加入，也可以作为粉末压入金属液并搅拌，还可以与精炼剂一起加入。

所述变质剂为磷，加入量为金属液总质量的0.5-1.5%，可以以中间合金形式加入，也可以作为粉末压入金属液并搅拌，还可以与精炼剂一起加入。

所述金属液注入模具之前，模具需要加热至200～300℃，并在模具上涂有涂料。

所述金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690～780℃。

所述挤压头的下降速度为0.1mm/s～12mm/s，比压为70MPa～1500Mpa。

所述保压时间为10s～60s。

通过本发明所述技术方案的实施，方法操作简单，便于控制，产品质量高，可以提高高硅过共晶Al-Si合金产品的合格率和生产效率。

附图说明：

图1为挤压铸造金属坯锭模具结构示意图；

图2为金属型重力铸造未变质过共晶Al-17.5Si合金相组织；

图3为金属型重力铸造变质过共晶Al-17.5Si合金相组织；

图4为金属型挤压铸造未变质过共晶Al-17.5Si合金相组织；

图5为金属型挤压铸造变质过共晶Al-17.5Si合金相组织；

图6为本发明的工艺成形过程示意图。

附图标记说明：

1.挤压头、2.导流槽、3.盖板、4.金属坯锭型腔、5.加热箱、6.阻流块、7.栓杆、8.顶杆。

具体实施方式：

本发明采用金属型模具和挤压铸造方法来改进成型技术，其中制备过共晶Al-Si合金产品的设备包括挤压机及金属坯锭模具和热处理加热炉，其中挤压金属坯锭模具外围是电阻丝，利用电阻丝对模具加热并设有热电偶控制模具温度，模具上方是挤压头可以快速下降达到需要挤压的位置，模具底部是阻流块，阻碍金属液流出，模具下方是顶出机构。对于挤压机的要求是可以准确控制挤压力，并保证挤压时的速度。热处理加热炉加热时温度一定要均匀且控温准确，否则可能因坯锭组织不均匀而导致其相关的性能下降，达不到要求。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，模具顶端设有与坩埚相连的导流槽2，通过倾倒装置将金属液通过导流槽2注入模具的金属坯锭型腔4中，在金属坯锭型腔4底部设置有阻流块6。注入之前模具需要用加热箱5加热并涂有涂料。金属液成分按重量百分比为：硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆0～0.4％，铈0～0.28％，镧0～0.12％，镨0～0.02％，铌0～0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。首先，将金属液进行变质处理，然后保温5-15min，之后进行将金属液进行浇注，并挤压头1迅速下压，到达盖板3处，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力。在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头1，利用顶杆8缓慢将坯锭顶出。相关工艺参数：液态金属的浇注温度为780℃，模具温度为300℃，挤压速度8mm/s，比压为1000MPa，保压时间为40s，坯锭直径Φ70mm，高度100mm。

取下已成形的金属坯锭，除去飞边和外围氧化皮及杂质，本发明的整体工艺流程见图6所示。在这一过程中，由于压力的作用，使得凝固平衡态被破坏，压力下凝固的合金固溶度得到了扩展，压力凝固组织也是非平衡的亚稳相，其固溶度的增加类似于快速凝固。一方面，在压力下金属液凝固温度上升，其结果就是在合金元素还没能来得及形核及长大时，基体已经开始形核并长大，这样就使得合金元素被迫分割在基体枝晶之间的间隙中，形成共晶组织。另一方面，也有很多合金元素溶解在基体之中，使得固溶度上升，这一点可以由由扩散系数和熔体粘度关系来解释，以至于挤压出来的坯锭具有很好的塑性。

另外变质工艺也是本发明的关键，变质剂的加入可以与合金液中某一成分或杂质形成金属氧化物或者金属间化合物质点作为晶核，并降低形核功，增加形核率。变质剂的具体成分可以根据合金液不同而异，但有一个统一的原则是：

不能与合金液中的金属元素反应，导致元素之间相互抵消，削弱变质作用；

要保证其变质作用有一定长效性，而且没有潜伏期；

保证其成本较低，不会对整个产品的成本有很大影响；

变质剂的加入必须是改善合金组织形貌，并提高合金力学性能，对于原合金没有不良的副作用，对人体也没有害；

密度与合金液相近，熔点在合金液的变质处理温度和浇注温度之间，且变质后容易上浮结渣；

根据具体合金液，考虑其加入量和加入方法。

例如，锶变质剂对共晶Si相作用，改变其针片状形貌，加入含量为总质量的0.02-0.06%；磷变质剂初生Si相作用，改变其棱角块状形貌，加入含量为总质量的0.5-1.5%。

加入方法：可以以中间合金形式加入，也可以作为粉末压入合金液并搅拌，还可以与精炼剂一起加入。

以下仅以Al-17.5Si二元合金挤压铸造成型工艺说明问题。

如图2、3分别为重力铸造组织对比，明显可见，重力铸造合金组织，其主要组织是初生Si相和共晶Si相组织以及Al基体。未变质处理，由图2可见，初生Si相呈粗大块状，形状不规则且棱角鲜明，对Al基体产生了严重的割裂，严重降低合金的力学性能，特别是塑性。共晶Si相呈针片或板条状，杂乱无章分布在Al基体中，在受力状况下很容易产生应力集中，导致裂纹源生成，降低合金性能。而加入锶变质处理后，由图3可见，初生Si相依旧是粗大的块状，与未变质的基本相同，但是共晶Si相，却发生了显著变化，即共晶Si相的形态开始了由片状向枝条状的转变，即向变质结构的转变，因而，减少了应力集中，合金的性能也有显著提高。

如图4、5分别为挤压铸造组织对比，同样成分合金，在压力下凝固的组织是由初生α-Al枝晶组织和共晶Si相，初生Si相几乎找不到。未变质处理，由图4可见，初生α-Al枝晶组织十分发达，且很密集，有利于合金性能的提高，共晶Si相由原来针片或板条状变为非常细层片状，从而降低了对其基体的割裂作用，减小了基体中可能产生的应力集中，因而使合金的机械性能得到较大程度的改善，尤其是塑性有很大幅度提高。而加入锶变质处理后，由图5可见，初生α-Al枝晶组织仍然十分发达，且很密集，同样有利于合金性能的提高，共晶Si相由原来非常细层片状转变为密集的细小的珊瑚状组织，分布于枝晶之间，正因为这一点，合金的力学性能也有更进一步的提高，见表1：

表1。

下面为本发明具体实施例：

实施例1：

步骤1.金属液变质处理，以中间合金形式加入占金属液总质量的0.02%的锶，然后保温5min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅17.0％，铜1.0％，镁0.3％，镍0.5％，铁0.5％，锰0.3％，铬0.5％，钼0.3％，磷0.07％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至200℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为0.1mm/s，比压为70Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为10s。

实施例2：

步骤1.金属液变质处理，将占金属液总质量0.06%的锶粉末压入金属液并搅拌，然后保温15min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅19.0％，铜2.0％，镁0.7％，镍1.0％，铁1.0％，锰0.7％，铬1.0％，钼0.7％，磷0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至300℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为780℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为12mm/s，比压为1500Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为60s。

实施例3：

步骤1.金属液变质处理，将占金属液总质量0.04%的锶与精炼剂一起加入金属液，然后保温10min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅18.0％，铜1.5％，镁0.5％，镍0.8％，铁0.7％，锰0.6％，铬0.8％，钼0.5％，磷0.1％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至250℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为750℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为8mm/s，比压为500Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为30s。

实施例4：

步骤1.金属液变质处理，以中间合金形式加入占金属液总质量1%的磷，然后保温8min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅17.5％，铜1.3％，镁0.4％，镍0.6％，铁0.9％，锰0.5％，铬0.6％，钼0.4％，磷0.09％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至230℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为700℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为10mm/s，比压为100Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为40s。

实施例5：

步骤1.金属液变质处理，将占金属液总质量0.5%的磷粉末压入金属液并搅拌，然后保温12min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅18.5％，铜1.8％，镁0.6％，镍0.7％，铁0.8％，锰0.4％，铬0.9％，钼0.6％，磷0.12％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至280℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为770℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为1.0mm/s，比压为1000Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为20s。

实施例6：

步骤1.金属液变质处理，将占金属液总质量1.5%的磷与精炼剂一起加入金属液，然后保温6min；

步骤2.利用倾倒装置将变质处理后的金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅19％，铜1.1％，镁0.45％，镍0.9％，铁0.6％，锰0.55％，铬0.7％，钼0.45％，磷0.14％，杂质总和≤0.5％，余量为铝，金属液注入模具之前，模具需要加热至210℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为730℃；

步骤3.将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头下降速度为0.3mm/s，比压为800Mpa；

步骤4.金属坯锭经过保压后，将坯锭取出，保压时间为50s。