一种能提高多元亚共晶铝硅合金力学性能的工艺方法

摘要

一种能提高多元亚共晶铝硅合金力学性能的工艺方法，属于铝合金熔铸技术领域，其特征为：以Al-10Sr中间合金为变质剂，以多元亚共晶铝硅合金为变质对象，在熔炼Al-10Sr中间合金的步骤中，设定输出电流为80A，工作频率为17.3KHZ，熔炼时间为3min，得到经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金，按经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金加入量为多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.10%-0.50%对多元亚共晶铝硅合金进行细化变质处理，细化变质后多元亚共晶铝硅合金的组织及性能都显著改善提高。

说明书

技术领域    

本发明属于铝合金熔铸技术领域，特指一种能提高多元共晶铝硅合金力学性能的工艺方法。

背景技术

多元亚共晶铝硅合金是应用最广泛的铝合金，具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小，较高的比强度和较好的铸造性能，广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等工业，但未经变质处理的多元亚共晶铝硅合金中，Si相呈现出粗大的针片状，使合金的基体受到严重割裂，并在硅相的尖端和棱角处易造成应力集中，使材料强度、塑性、切削加工性显著降低；因此，为提高多元亚共晶铝硅合金的机械性能，改善多元亚共晶铝硅合金的加工工艺性能，需对多元亚共晶铝硅合金进行变质处理；由于Al-10Sr中间合金对共晶硅相的变质效果远好于其他金属及合金，目前工业上普遍采用Al-10Sr中间合金对多元亚共晶铝硅合金进行变质处理，经Sr变质共晶硅颗粒细小，可以显著改善其加工工艺性能，提高多元亚共晶铝硅合金的品质，但由于Al-10Sr中间合金组织形态不同，在加入Sr量相同的情况下，对多元亚共晶铝硅合金细化变质效果产生明显不同的影响，Al-10Sr中间合金中的第二相主要是由呈板片状分布的Al₄Sr相以及在基体上呈条状簇分布的(Al+Al₄Sr) 共晶相组成，A1₄Sr化合物中的Sr 只有转化为游离态的Sr 后, 才可发挥其细化变质作用；弥散细小的A1₄Sr相由于比表面积较大, 表面能较高，其溶解速度较快，使Sr 原子易从中游离出来，降低表面能，使Sr 具有很好的细化变质效果，而粗大片状的A1₄Sr相，分布不均匀，则不易使Sr原子从中游离出来，细化变质效果不好，即加入的Al-10Sr中间合金中的第二相形态、大小、分布及表面状态和能量对多元亚共晶铝硅合金细化变质效果产生直接的影响；Al-10Sr中间合金在熔炼制备过程中，熔体凝固条件的不同将直接导致所形成的第二相形态的不同，对熔体进行强力搅拌、振动，可从外界输入能量促使晶核提前形成，同时采取一定的工艺措施，增大过冷度，使液穴中的熔体温度降低，破碎结晶前沿的骨架，出现大量可作为非均匀形核的物质—枝晶碎块，从而使形核率大大增加，熔体凝固后单位体积中的晶粒数也随之明显增加，可获得Al-10Sr中间合金上分布更为弥散细小的第二相粒子，把一定量的Al-10Sr中间合金加入到待细化变质的多元亚共晶铝硅合金后，由于Al-10Sr中间合金自身组织形态有遗传性，其组织形态将对铝硅合金结晶组织有遗传影响，即Al-10Sr中间合金细化变质效果有组织遗传效应，这说明，Al-10Sr中间合金是一种具有遗传效应的中间合金。

因此，开发出一种能显著改善Al-10Sr中间合金变质剂组织特征的工艺处理方法，能够显著提高多元亚共晶铝硅合金细化变质效果，进而获得较理想的组织及性能，既可小批量生产又可大规模生产，降低成本，具有重要的理论意义和重大的实际应用价值；采用电磁悬浮熔炼技术可以实现著改善Al-10Sr中间合金变质剂组织特征，其电磁悬浮熔炼基本原理是当线圈中通以高频交变电流后，线圈周围空间将产生高频交变磁场，高频交变磁场在合金内产生感应涡流，感应涡流与外界交变磁场相互作用使合金产生悬浮力，悬浮力与合金的自重平衡使之悬浮，同时涡流回路产生大量的热，使合金被加热和熔化。由于电磁悬浮熔炼使合金在加热、熔化和凝固阶段都不接触坩埚内壁，避免了来自坩埚的污染，采用感应加热，涡流回路短时间内产生大量的热，并缩短熔化时间，达到快速熔化，并通过强烈的电磁搅拌作用，使合金组织成分均匀，被加热或熔化的合金在真空条件下进行,可以对材料充分除气、除出杂质,获得纯净材料，进而实现著改善Al-10Sr中间合金变质剂组织特征。

发明内容

  本发明开发出一种能提高多元亚共晶铝硅合金力学性能的工艺方法，多元亚共晶铝硅合金特征为：Si 6.50%-7.50%，Mg 0.20%-0.40%，Cu≤0.20%，Mn≤0.10%，Zn≤0.10%，Fe≤0.20%，Ti≤0.20%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，其余为Al；以Al-10Sr中间合金为变质剂：其中Sr 9.00％-11.00％，Ti≤0.02%，Si≤0.12%，Fe≤0.06%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，余量为Al；成分按质量百分比计算；变质剂使用量为多元亚共晶铝硅合金质量的0.10%-0.50%。

熔炼工艺为：将Al-10Sr中间合金锭切割成大小适中的块状后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗、烘干、称量；采用ZGXF-0.0005型真空感应悬浮熔炼炉设备对Al-10Sr中间合金进行熔炼，首先用丙酮清洗石英玻璃罩和铜坩埚，尽量避免杂质混入，并保证密封效果，打开水阀门，接通冷却水，确保水压不超过0.3Mpa，水温不超过60℃，接通电源，检查电路系统正常后，启动升降机构，下降物架台，将Al-10Sr中间合金装入铜坩埚内，然后盖上石英玻璃罩并拧紧固定螺帽，上升物架台，使感应线圈套在铜坩埚合适位置，打开机械泵，抽真空，使指针指在真空表盘红色区域内并保持稳定，按加热按钮开始加热同时缓慢调节功率旋钮，输出电流为80A，工作频率为17.3KHZ，熔炼时间为3min，待Al-10Sr中间合金熔炼结束后，旋回功率旋钮，停止加热，保持合金在铜坩埚中自然冷却至室温，然后关掉机械泵和抽真空旋钮，打开放气阀，使真空表盘指针返回到初始位置，下降物架台，取下石英玻璃罩，取出熔炼好的Al-10Sr中间合金并清洁石英玻璃罩和铜坩埚，待Al-10Sr中间合金全部熔炼完毕后，依次关掉电源和冷却水，此工艺称为Al-10Sr中间合金变质剂真空感应悬浮熔炼工艺处理。

变质工艺为：将处理过的多元亚共晶铝硅合金置于内部清理干净并预热石墨坩埚中，置于SG2-7.5-12型电阻炉内升温熔化，待多元亚共晶铝硅合金全部熔化后，升温至740℃-780℃时，用石墨棒强力均匀搅拌熔体1min，保温6min-8min使各元素均匀化，用石墨钟罩压入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.20％脱水的ZnCl₂进行精炼，静置4min-6min、扒渣，往熔体中加入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.10%-0.50%经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂，保温5min使各元素均匀化，强力搅拌、除气、精炼、静置、降温至730℃、扒渣、过滤，分别浇入铸钢模中，制成金相试样，然后再按国家标准规定每组加工3根金属型拉伸试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.05mm/min，相应每组力学性能都取平均值，其数值如表1所示，加入经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度和伸长率，根据室温拉伸力学性能测试数据可知，对经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金随着加入量的增加，合金的抗拉强度，伸长率均呈先上升再减小趋势，当变质剂含量达到多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.30%时，变质后多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度和伸长率都达到最大值，即抗拉强度σ_b达到251.71Mpa，伸长率δ达到7.01%。

表1 加入真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质

多元亚共晶铝硅合金的力学性能

Al-10Sr中间合金质量分数，%0.00%0.10%0.20%0.30%0.40%0.50%抗拉强度σ_b>182.56234.87239.83251.71244.49237.40伸长率 δ(%)1.094.625.677.016.125.81

未经细化变质的多元亚共晶铝硅合金中的共晶硅相形貌为细长的板片状或长针片状，形态差异较大，在铝基体中分布没有方向性，也不规则，边缘带有锋利的尖角，如图1所示，严重影响基体的连续性，割裂基体，力学性能较低；随着变质剂的加入使多元亚共晶铝硅合金中α相晶粒细化，共晶硅相形态发生变化，从而提高了合金的综合力学性能，但由于Al-10Sr中间合金是一种具有遗传效应的中间合金，组织形态对铝硅合金结晶组织有重要的遗传影响，未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂上分布着粗大片状的A1₄Sr，不易使Sr原子从中游离出来，如图2所示；当加入未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂使用量为多元亚共晶铝硅合金质量的0.30%时，尽管共晶硅形貌大多数发生了变化，变成了的珊瑚状，但还有少数为颗粒状，如图3所示，故细化变质效果还有很大的提升空间；在变质剂加入量相同情况下，经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金上分布着弥散细小的A1₄Sr，由于比表面积较大, 表面能较高，其溶解速度较快，使Sr 原子易从中游离出来，如图4所示；当真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂加入量为多元亚共晶铝硅合金质量为0.30%时，使Sr 具有较好的细化变质效果，共晶硅相几乎都变成了非常弥散、细小的颗粒、球形度较高、轮廓清晰，主要均匀地集中分布在晶界处，如图5所示。

本发明所要解决的技术问题是克服工业生产中常用未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂变质多元亚共晶铝硅合金组织及性能的不足，提供将Al-10Sr中间合金经真空感应悬浮熔炼工艺处理后，显著改善其细化变质合金的组织形貌特征及有效的提高多元亚共晶铝硅合金的强度和塑性等。

附图说明：

    图1 未细化变质的多元亚共晶铝硅合金显微组织示意图。 

    图2 未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金显微组织示意图。

    图3 加入量为多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.30%未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质的多元亚共晶铝硅合金显微组织示意图。

    图4经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金显微组织示意图

  图5加入量为多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.30%经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金显微组织示意图。

具体实施方式

实施例1 

以Al-10Sr中间合金为变质剂：其中 Sr 10.00％，Ti≤0.02%，Si≤0.12%，Fe≤0.06%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，余量为Al，变质对象为多元亚共晶铝硅合金，其中Si 7.00%，Mg 0.30%，Cu≤0.20%，Mn≤0.10%，Zn≤0.10%，Fe≤0.20%，Ti≤0.20%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，其余为Al，成分按质量百分比计算，变质剂使用量为多元亚共晶铝硅合金质量的0.10%。

熔炼工艺为：将Al-10Sr中间合金锭切割成大小适中的块状后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗、烘干、称量；采用ZGXF-0.0005型真空感应悬浮熔炼炉设备对Al-10Sr中间合金进行熔炼，首先用丙酮清洗石英玻璃罩和铜坩埚，尽量避免杂质混入，并保证密封效果，打开水阀门，接通冷却水，水压0.2Mpa，水温50℃，接通电源，检查电路系统正常后，启动升降机构，下降物架台，将Al-10Sr中间合金装入铜坩埚内，然后盖上石英玻璃罩并拧紧固定螺帽，上升物架台，使感应线圈套在铜坩埚合适位置，打开机械泵，抽真空，使指针指在真空表盘红色区域内并保持稳定，按加热按钮开始加热同时缓慢调节功率旋钮，输出电流为80A，工作频率为17.3KHZ，熔炼时间为3min，待Al-10Sr中间合金熔炼结束后，旋回功率旋钮，停止加热，保持合金在铜坩埚中自然冷却至室温，然后关掉机械泵和抽真空旋钮，打开放气阀，使真空表盘指针返回到初始位置，下降物架台，取下石英玻璃罩，取出熔炼好的Al-10Sr中间合金并清洁石英玻璃罩和铜坩埚，待Al-10Sr中间合金全部熔炼完毕后，依次关掉电源和冷却水。

变质工艺为：将处理过的多元亚共晶铝硅合金置于两个内部清理干净并预热石墨坩埚中，依次置于SG2-7.5-12型电阻炉内升温熔化，待多元亚共晶铝硅合金全部熔化后，升温至760℃时，用石墨棒强力均匀搅拌熔体1min，保温7min，用钟罩压入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.20％脱水的ZnCl₂进行精炼，静置5min、扒渣，往其中一个熔体中加入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.10%经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂，往另一个熔体中加入量也是多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.10%未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂，保温5min使各元素均匀化，强力搅拌、除气、精炼、静置、降温至730℃、扒渣、过滤，分别浇入铸钢模中，制成金相试样，再按国家标准规定每组加工3根金属型拉伸试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.05mm/min，相应每组力学性能都取平均值；此时，经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为234.87Mpa、伸长率为4.62%，较未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为208.16Mpa、伸长率为3.73%，分别提高12.83%、23.86%。

实施例2

以Al-10Sr中间合金为变质剂：其中 Sr 10.00％，Ti≤0.02%，Si≤0.12%，Fe≤0.06%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，余量为Al，变质对象为多元亚共晶铝硅合金，其中Si 7.00%，Mg 0.30%，Cu≤0.20%，Mn≤0.10%，Zn≤0.10%，Fe≤0.20%，Ti≤0.20%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，其余为Al，成分按质量百分比计算，变质剂使用量为多元亚共晶铝硅合金质量的0.30%。

熔炼工艺为：将Al-10Sr中间合金锭切割成大小适中的块状后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗、烘干、称量；采用ZGXF-0.0005型真空感应悬浮熔炼炉设备对Al-10Sr中间合金进行熔炼，首先用丙酮清洗石英玻璃罩和铜坩埚，尽量避免杂质混入，并保证密封效果，打开水阀门，接通冷却水，水压0.2Mpa，水温50℃，接通电源，检查电路系统正常后，启动升降机构，下降物架台，将Al-10Sr中间合金装入铜坩埚内，然后盖上石英玻璃罩并拧紧固定螺帽，上升物架台，使感应线圈套在铜坩埚合适位置，打开机械泵，抽真空，使指针指在真空表盘红色区域内并保持稳定，按加热按钮开始加热同时缓慢调节功率旋钮，输出电流为80A，工作频率为17.3KHZ，熔炼时间为3min，待Al-10Sr中间合金熔炼结束后，旋回功率旋钮，停止加热，保持合金在铜坩埚中自然冷却至室温，然后关掉机械泵和抽真空旋钮，打开放气阀，使真空表盘指针返回到初始位置，下降物架台，取下石英玻璃罩，取出熔炼好的Al-10Sr中间合金并清洁石英玻璃罩和铜坩埚，待Al-10Sr中间合金全部熔炼完毕后，依次关掉电源和冷却水。

变质工艺为：将处理好的多元亚共晶铝硅合金置于两个内部清理干净并预热石墨坩埚中，再置于SG2-7.5-12型电阻炉内升温熔化，待合金全部熔化后，升温至760℃时，用石墨棒强力均匀搅拌熔体1min，保温7min，用钟罩压入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.20％的脱水ZnCl₂进行精炼，静置5min后，扒渣，往其中一个熔体中加入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.30%经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂，往另一个熔体中加入量也是多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.30%未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金锭变质剂，保温5min使各元素均匀化，强力搅拌、除气、精炼、静置，降温至730℃、扒渣、过滤，分别浇入铸钢模中，制成金相试样，再按国家标准规定每组加工3根金属型拉伸试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.05mm/min，相应每组力学性能都取平均值；此时，经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为251.71Mpa、伸长率为7.01%，较未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为222.97Mpa、伸长率为5.47%，分别提高12.89%、28.15%。

实施例3     

以Al-10Sr中间合金为变质剂：其中 Sr 10.00％，Ti≤0.02%，Si≤0.12%，Fe≤0.06%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，余量为Al，变质对象为多元亚共晶铝硅合金，其中Si 7.00%，Mg 0.30%，Cu≤0.20%，Mn≤0.10%，Zn≤0.10%，Fe≤0.20%，Ti≤0.20%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，其余为Al，成分按质量百分比计算，变质剂使用量为多元亚共晶铝硅合金质量的0.50%。

熔炼工艺为：将Al-10Sr中间合金锭切割成大小适中的块状后，进行打磨、抛光以除去表面的氧化皮，用丙酮在超声波震荡器中进行清洗、烘干、称量；采用ZGXF-0.0005型真空感应悬浮熔炼炉设备对Al-10Sr中间合金进行熔炼，首先用丙酮清洗石英玻璃罩和铜坩埚，尽量避免杂质混入，并保证密封效果，打开水阀门，接通冷却水，确保水压0.2Mpa，水温50℃，接通电源，检查电路系统正常后，启动升降机构，下降物架台，将Al-10Sr中间合金装入铜坩埚内，然后盖上石英玻璃罩并拧紧固定螺帽，上升物架台，使感应线圈套在铜坩埚合适位置，打开机械泵，抽真空，使指针指在真空表盘红色区域内并保持稳定，按加热按钮开始加热同时缓慢调节功率旋钮，输出电流为80A，工作频率为17.3KHZ，熔炼时间为3min，待Al-10Sr中间合金熔炼结束后，旋回功率旋钮，停止加热，保持合金在铜坩埚中自然冷却至室温，然后关掉机械泵和抽真空旋钮，打开放气阀，使真空表盘指针返回到初始位置，下降物架台，取下石英玻璃罩，取出熔炼好的Al-10Sr中间合金并清洁石英玻璃罩和铜坩埚，待Al-10Sr中间合金全部熔炼完毕后，依次关掉电源和冷却水。

变质工艺为：将处理过的多元亚共晶铝硅合金置于两个内部清理干净并预热石墨坩埚中，再置于SG2-7.5-12型电阻炉内升温熔化，待多元亚共晶铝硅合金全部熔化后，升温至760℃时，用石墨棒强力均匀搅拌熔体1min，保温7min，用钟罩压入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.20％的脱水ZnCl₂进行精炼，静置5min后，扒渣，往其中一个熔体中加入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.50%经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质剂，往另一个熔体中加入量也是多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.50%未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金锭变质剂，保温5min使各元素均匀化，强力搅拌、除气、精炼、静置，降温至730℃，扒渣、过滤，分别浇入铸钢模中，制成金相试样，再按国家标准规定每组加工3根金属型拉伸试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.05mm/min，相应每组力学性能都取平均值；此时，经真空感应悬浮熔炼工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为237.40Mpa、伸长率为5.81%，较未经任何工艺处理的Al-10Sr中间合金变质多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为213.65Mpa、伸长率为4.98%，分别提高10.00%、16.67%。

对比例

以铸态多元亚共晶铝硅合金为原料：其中Si 7.00%，Mg 0.30%，Cu≤0.20%，Mn≤0.10%，Zn≤0.10%，Fe≤0.20%，Ti≤0.20%，其余杂质元素含量每个不大于0.05%，其余为Al，成分按质量百分比计算，将处理过的多元亚共晶铝硅合金置于内部清理干净并预热石墨坩埚中，再置于SG2-7.5-12型电阻炉内升温熔化，待多元亚共晶铝硅合金全部熔化后，升温至760℃时，用石墨棒强力均匀搅拌熔体1min，保温7min，用钟罩压入多元亚共晶铝硅合金熔体质量的0.20％的脱水ZnCl₂进行精炼，静置5min后，扒渣，过滤，浇入至铸钢模中，制成金相试样，再按国家标准规定每组加工3根金属型拉伸试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.05mm/min，相应每组力学性能都取平均值。此时，经熔炼浇铸的多元亚共晶铝硅合金的抗拉强度为182.56MPa，伸长率为1.09%。