提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂及制备和使用方法

摘要

本发明属于冶金领域，具体涉及一种提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂及制备和使用方法。本发明的变质剂成分按照质量百分比为：Sr：1~4%，富镧铈混合稀土：5~20%，余量为Al，其中按照重量比，Sr：富镧铈混合稀土=1：（5~10），其制备方法是首先进行配料、熔炼，再进行合金化，采用挤压铸造制备出的坯锭再进行热挤压制取变质剂丝材，最终得到提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂产品，变质有效时间至少为5h。本发明的变质剂使用方便，效果稳定，变质有效时间长且无变质潜伏期，经检测，变质有效时间至少为5h，采用本发明的变质剂丝材变质处理后对合金电导率提升明显。

说明书

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂及制备和使用方法。

背景技术

铝硅合金是应用最广泛的铸造铝合金之一，广泛应用在于高压输电设备，如高压开关、高压罐体等。

铝硅合金中硅的加入使合金在保持金属铝的优点的同时，还提高了合金的流动性和耐磨性，降低了合金的热裂倾向和收缩率，保证了合金良好的铸造性能；但是未变质的亚共晶铝硅合金其共晶硅呈粗大的板片或条片状，严重地割裂铝基体，降低合金的强度和塑性。

高压输电设备中的一些零部件对力学性能和导电性能要求较高。亚共晶铝硅合金的组织主要由α（Al）和共晶硅组成，由于硅是一种半导体，其导电性能远不及铝，所以铝硅合金其电导率大小主要由α（Al）和共晶硅形态决定。未变质的铝硅合金其共晶硅相呈粗大的层片状分布于合金中，极大的减少了铝基体的有效导电截面，降低了电导率。

亚共晶铝硅合金变质主要通过三方式获得：一是通过化学变质提高共晶硅的长大速度；二是通过快速凝固来提高共晶硅的长大速度；三是通过超声波处理和电磁搅拌等其他方法。由于化学变质方法具有操作简单、成本较低和效果稳定等优点而应用最为广泛。

目前亚共晶铝硅合金常用的变质剂主要有Na变质、Sr变质、Sb变质、Te变质和RE变质，其中Na变质及Sr变质在工业生产中最为常见，变质效果最为理想，但Na变质的有效变质时间只有40min左右，变质过程中会腐蚀设备，产生有害气体，因此在工业生产中应用有限；Sr变质存在30min左右的孕育期，易产生含锶化合物夹杂，且变质过程存在吸气倾向，导致铸件产生大量气孔，从而降低合金力学性能。

但是经实验发现上述变质剂变质处理亚共晶铝硅合金后对电导率提升并不理想，以ZL101合金为例，经上述变质剂变质处理ZL101合金后电导率如表2所示，为此，研究一种提高亚共晶铝硅合金电导率的长效变质剂是非常必要的。

表2  铸态ZL101合金电导率

变质剂未变质NaSrRESbTe电导率（IACS%）34.0736.1536.3635.7636.3536.6

目前国内外对亚共晶铝硅合金的变质剂和变质工艺作了大量研究，如 “一种4032铝合金及其变质方法”（申请号 201210514292.1）实际发明内容是采用Al-Sr合金丝作为变质剂通过喂丝机加入到4032铝合金中及变质剂加入工艺，有效Sr加入量达到0.01~0.05 wt.%。“一种铝合金变质工艺”（申请号 201210042187.2）实际发明为采用Sr变质铝合金的精炼除气、除氧化夹杂的熔炼工艺方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂及制备和使用方法，目的是改变共晶硅形貌并提高电导率，同时提高合金的力学性能。

一种提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂，其成分按质量百分比为：Sr：1~4 %，富镧铈混合稀土：5~20%，余量为Al，其中按照重量比，Sr：富镧铈混合稀土=1：（5~10）。

所述的富镧铈混合稀土中，按质量百分比，La≥30%，Ce≥30%。

一种制备该变质剂丝材的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）配料：按照质量百分比为：Sr：1~4%，富镧铈混合稀土：5~20%，余量为Al，其中Sr与富镧铈混合稀土的重量比 =1：（5~10）的比例称取Al-Sr合金锭、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料；

（2）熔炼：将纯Al锭和Al-富镧铈混合稀土锭加热到730~760℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温8~15min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至700~720℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温10~20min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至250~350℃，挤压力100~500MPa，保压时间20~60s，使其在挤压力条件下凝固成型得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至400~500℃，将热挤压模具预热至400~480℃，在卧室挤压机上进行热挤压制备变质剂丝材，丝材直径5~16mm，挤压比为30~150，挤压速度2~12mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，或者将热挤压制备的变质剂丝材直接热卷曲成盘圆，最终得到提高亚晶Al-Si合金电导率的长效变质剂产品，变质有效时间至少为5h。

采用提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂在对亚共晶Al-Si合金进行变质处理时，按照以下步骤进行：

亚共晶Al-Si合金经熔炼和第一次精炼处理并进行机械搅拌后，加入变质剂，变质剂的加入量是铝硅合金质量的0.5~2.5%，保温10~90min，然后进行二次精炼处理并进行机械搅拌，最后在电磁搅拌条件下浇注凝固。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂中：

（1）锶对共晶硅具有强烈的变质作用，加入少量Sr便可产生良好的变质效果，从而大幅度提高铝硅合金的电导率；

（2）混合稀土元素的加入对Sr变质起到促进作用，能够改变共晶硅的形貌，提高合金的电导率；

（3）混合稀土元素能够与熔体中的H反应，形成稳定的化合物，降低熔体中的H含量，从而减少合金的缩孔及气孔，提高合金的导电性能；

（4）混合稀土元素的加入会与熔体中的氧化夹杂物反应，改善熔体的清洁度，提高合金的导电性能；

（5）混合稀土元素的加入会与Al形成棒状或片状化合物，分布在共晶组织中并将共晶组织分离割断，减少邻近晶粒间的电阻，从而提高合金的电导率。

本发明方法的优势在于：

（1）利用挤压铸造制备的坯锭再进行热挤压所制备出变质剂丝材，其第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中；

（2）采用本发明方法制备出的变质剂丝材使用方便，效果稳定，变质有效时间长且无变质潜伏期，经检测，变质有效时间至少为5h；

（3）采用本发明的变质剂丝材变质处理亚共晶铝硅合金后电导率提升明显，以ZL101合金为例，采用此变质剂变质处理后合金电导率达到40.80%IACS，较未变质提高了19.75%，较其它变质处理提高了10.12%~14.09%；

（4）采用本发明的变质剂丝材变质处理ZL101合金，共晶硅由粗大的板片状转变为细小的纤维状，大大减小硅相对基体的割裂作用从而显著提升合金的力学性能，合金抗拉强度较未变提高了15.55%，较其它变质处理提高了5%~11%，伸长率较未变质提高了94.4%，较其它变质处理提高了6%~17%。

附图说明

图1是采用本发明实施例1制备的变质剂变质处理ZL101合金的SEM图；

其中：a：是未经变质处理的ZL101合金轻腐蚀条件下的SEM图；b：经变质处理的ZL101合金轻腐蚀条件下的SEM图；c：未经变质处理的ZL101合金深腐蚀SEM图；d：经变质处理的ZL101合金深腐蚀SEM图；

图2是制备该变质剂中间合金的工艺流程图；

图3是使用该变质剂变质处理亚共晶铝硅合金的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例中的除渣剂是由四川兰德高科技产业有限公司生产的ZS-AJ02c除渣剂。

实施例1

20Kg复合变质剂中间合金，其成分按照质量百分比为：Sr：3%，富镧铈混合稀土：18%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）配料：按照质量百分比为：Sr：3%，富镧铈混合稀土：18%，余量为Al的比例称取Al-Sr合金、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料，其中Al-10Sr 6Kg，Al-30富镧铈混合稀土12Kg，纯Al 2Kg；

（2）熔炼：将纯Al锭和富镧铈混合稀土锭加热到740℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温10min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至720℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温15min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至250℃，挤压力400MPa，保压时间30s，使其在挤压力条件下凝固成型，得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至400℃，将热挤压模具预热至420℃，在卧室挤压机上进行热挤压制备变质剂丝材，丝材直径10mm，挤压比为50，挤压速度7mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，最终得到提高亚晶铝硅合金电导率的长效变质剂产品，经检测，变质剂合金相中第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中。

将配制好的ZL101合金熔化后进行第一次精炼处理，加入占ZL101合金重量1%的变质剂丝材，充分熔化后保温30min，进行第二次精炼处理，将得到的变质处理好的合金液倒入模具中，并在电磁搅拌条件下凝固。

凝固后的ZL101合金铸态电导率为40.80%IACS，布氏硬度为59.9HB，抗拉强度为158.7MPa，伸长率为4.88%，变质处理5小时后测得合金电导率、硬度、抗拉强度和伸长率无明显变化，说明本实施例的变质剂的作用时间长达5h；

将ZL101合金经0.5%HF酸腐蚀10s，如图1（b）所示，经20%HF酸腐蚀20min，如图1（d）所示，与未经本变质剂变质处理ZL101合金相比，共晶硅由粗大的片状转变为细小的纤维状，共晶组织与基体界面变的光滑圆整，并在共晶组织中形成富稀土相，从而提高了合金的电导率。

 

实施例2

10Kg复合变质剂中间合金，其成分及重量比为：Sr：2.0%，富镧铈混合稀土：15.0%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）配料：按照质量百分比为：Sr：2%，富镧铈混合稀土：15%，余量为Al的比例称取Al-Sr合金、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料，其中Al-10Sr 2Kg，Al-30富镧铈混合稀土5Kg，纯Al 3Kg；

（2）熔炼：将纯Al锭和Al-富镧铈混合稀土锭加热到730℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温8min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至700℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温10min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至300℃，控制挤压力500MPa，使其在热条件下凝固成型，保压时间20s，得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至450℃，将热挤压模具预热至480℃，进行热挤压，制备变质剂丝材，丝材直径16mm，挤压比为30，挤压速度12mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，最终得到提高亚晶铝硅合金电导率的长效变质剂产品，经检测，变质剂合金相中第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中。

对配制好的ZL104合金在熔炼后进行第一次精炼处理，加入占ZL104合金重量0.5%的变质剂丝材，充分熔化后保温30min进行第二次精炼处理，将变质处理好的合金液倒入模具中，并在电磁搅拌条件下凝固，凝固后其铸态电导率为35.88%IACS，布氏硬度为到69.5HB，抗拉强度为174.3MPa，伸长率为7.5%，变质处理5小时后测得合金电导率、硬度、抗拉强度和伸长率无明显变化，说明本实施例的变质剂的作用时间长达5h。

 

实施例3

10Kg复合变质剂中间合金，其成分及重量比为：Sr：1.0wt.%，富镧铈混合稀土：10wt.%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）配料：按照质量百分比为： Sr ：1wt.%，富镧铈混合稀土：10 wt.%，余量为Al的比例称取Al-Sr合金、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料，其中Al-10Sr 1Kg，Al-30富镧铈混合稀土3.3Kg，纯Al 5.7Kg；

（2）熔炼：将纯Al锭和Al-富镧铈混合稀土锭加热到750℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温15min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至710℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温20min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至350℃，控制挤压力250MPa，使其在热条件下凝固成型，保压时间60s，得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至500℃，将热挤压模具预热至400℃，进行热挤压，制备变质剂丝材，丝材直径5mm，挤压比为150，挤压速度2mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，最终得到提高亚晶铝硅合金电导率的长效变质剂产品，经检测，变质剂合金相中第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中。

对配制好的ZL102合金在熔炼后进行第一次精炼处理，加入占ZL102合金重量2.5%的变质剂丝材，充分熔化后保温1.5h进行第二次精炼处理，将变质处理好的合金液倒入模具中，并在电磁搅拌条件下凝固，凝固后其铸态电导率为32.65%IACS，布氏硬度为到74.1HB，抗拉强度为219.5MPa，伸长率为3.2%，变质处理5小时后测得合金电导率、硬度、抗拉强度和伸长率无明显变化，说明本实施例的变质剂的作用时间长达5h。

 

实施例4

10Kg复合变质剂中间合金，其成分及重量比为：Sr：4.0%，富镧铈混合稀土：20%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）配料：按照质量百分比为：Sr ：4%，富镧铈混合稀土：20%，余量为Al的比例称取Al-Sr合金、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料，其中Al-10Sr 4Kg，Al-30富镧铈混合稀土3.3Kg，纯Al 2.7Kg；

（2）熔炼：将纯Al锭和Al-富镧铈混合稀土锭加热到750℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温12min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至715℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温18min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至310℃，控制挤压力200MPa，使其在热条件下凝固成型，保压时间40s，得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至480℃，将热挤压模具预热至400℃，进行热挤压，制备变质剂丝材，丝材直径10mm，挤压比为120，挤压速度8mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，最终得到提高亚晶铝硅合金电导率的长效变质剂产品，经检测，变质剂合金相中第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中。

对配制好的ZL102合金在熔炼后进行第一次精炼处理，加入占ZL104合金重量1.2%的变质剂丝材，充分熔化后保温1h进行第二次精炼处理，将变质处理好的合金液倒入模具中，并在电磁搅拌条件下凝固，凝固后其铸态电导率为33.78%IACS，布氏硬度为到75.5HB，抗拉强度为220.3MPa，伸长率为3.4%，变质处理5小时后测得合金电导率、硬度、抗拉强度和伸长率无明显变化，说明本实施例的变质剂的作用时间长达5h。

 

实施例5

10Kg复合变质剂中间合金，其成分及重量比为：Sr：1.0%，富镧铈混合稀土：5.0%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）配料：按照质量百分比为：Sr ：1.0%，富镧铈混合稀土：5.0%，余量为Al的比例称取Al-Sr合金、Al-富镧铈混合稀土锭和纯Al锭进行配料，其中Al-10Sr 1Kg，Al-30富镧铈混合稀土1.7Kg，纯Al 7.3Kg；

（2）熔炼：将纯Al锭和Al-富镧铈混合稀土锭加温到730℃熔化，通入Ar气并加入除渣剂，进行第一次除气除渣处理，保温10min后扒渣；

（3）合金化：将温度降低至700℃，加入Al-Sr合金锭至其完全熔化并将熔体搅拌均匀，通入Ar气并加入除渣剂，进行第二次除气除渣处理，同时进行电磁搅拌处理，保温18min后扒渣，得到合金液；

（4）挤压铸造制备热挤压坯锭：将合金液倒入挤压模具内，挤压模具预热至320℃，控制挤压力300MPa，使其在热条件下凝固成型，保压时间50s，得到合金坯锭；

（5）热挤压制备变质剂丝材：将合金坯锭加热至450℃，将热挤压模具预热至400℃，进行热挤压，制备变质剂丝材，丝材直径9mm，挤压比为70，挤压速度10mm/s；

（6）最终成型：对变质剂丝材进行热校正、冷却最后定尺切断包装，最终得到提高亚晶铝硅合金电导率的长效变质剂产品，经检测，变质剂合金相中第二相粒子呈颗粒或球状，粒子大小约为2~20μm，均匀分布于合金中。

对配制好的ZL101a合金在熔炼后进行第一次精炼处理，加入占ZL101a合金重量2.0%的变质剂丝材，充分熔化后保温0.5h进行第二次精炼处理，将变质处理好的合金液倒入模具中，并在电磁搅拌条件下凝固，凝固后其铸态电导率为41.78%IACS，布氏硬度为到63.5HB，抗拉强度为165.3MPa，伸长率为4.7%，变质处理5小时后测得合金电导率、硬度、抗拉强度和伸长率无明显变化，说明本实施例的变质剂的作用时间长达5h。