一种抑制过共晶铝硅合金硅宏观偏析的合金化方法

摘要

一种抑制过共晶铝硅合金硅宏观偏析的合金化方法，在过共晶铝硅合金熔体中添加Cr元素，添加量为熔体总重量的0.8％－1.5％，添加Cr元素的熔体温度为750℃－770℃，Cr元素以Cr剂或以Al－Cr中间合金形式添加到熔体中。本发明方法简单，操作方便，易于掌握，效果明显；与快凝技术相比较，合金化方法成本低；合金化方法易于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于金属熔炼技术领域，特别是涉及一种抑制过共晶铝硅合金硅宏观偏析的合金化方法。

背景技术

过共晶Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐热性，而且热裂倾向小，体积稳定性高，是制造汽车活塞、缸体等耐磨零件的首选材料。但是在含硅较高的过共晶Al-Si合金中，往往初生Si颗粒偏聚现象比较严重，造成材料性能的不均匀，严重影响其使用性能。一般说来，具有细小、分散而形状圆钝化初晶Si的合金有比较好的切削性能。因此，制备初生Si颗粒分布均匀的过共晶Al-Si合金是提高其性能、扩大其应用范围的重要措施。

为了抑制过共晶Al-Si合金凝固组织中硅的宏观偏析，人们采用了各种方法，如块凝技术、机械搅拌、电磁搅拌和强磁处理。采用块凝技术，由于熔体的凝固速度相当快，冷却速度通常在104℃/S以上，从而可以获得传统铸件或铸锭所不能获得的少偏析或无偏析的均匀的微观组织。快速凝固法，虽然效果不错，但成本过高。而其它的方法，效果不够理想或无法实现工业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供一种抑制过共晶铝硅合金硅宏观偏析的合金化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在常规过共晶系铝硅合金中，加入熔体总重量的0.8％以上的Cr元素，以改善过共晶系铝硅合金熔体凝固过程中因初生硅颗粒与熔体密度差所引起的比重偏析，从而获得少偏析或无偏析的均匀的微观组织，达到改善硅元素分布均匀的目的。

本发明方法包括以下工艺步骤：

1、按照常规方法熔炼过共晶铝硅合金；

2、在熔体温度为750℃-770℃时，向熔体中添加熔体总重量的0.8％-1.5％的Cr元素，Cr元素以Cr剂或以Al-Cr中间合金形式添加到熔体中；

3、添加合金元素后，使熔体温度保持在740℃-770℃，向熔体中充入六氯乙烷或氩气，对合金熔液进行除气处理；

4、铸造。

过共晶铝硅合金凝固组织中存在的硅的宏观偏析，属于比重偏析。它是由于领先析出相——初生硅相的比重大于熔体的比重所引起。在铝硅合金中加入少量的Cr元素，可以改变合金熔体的凝固过程，在凝固过程中，初生硅已经不再是领先析出相，领先析出相变成了Al₁₃Cr₄Si₄相。在凝固过程中，由于Al₁₃Cr₄Si₄相的领先析出，使得其周围熔体中Si组元的含量降低，导致初生Si相的析出温度下降，这将降低初生Si颗粒的密度，使其与熔体的密度相近，从而改善了初生Si颗粒的宏观偏析，抑制了Si元素的宏观偏析。

本发明的优点为Cr元素可以改善过共晶Al-Si合金凝固组织中初生Si颗粒的宏观偏聚现象，随着Cr元素含量的增加，其效果也越来越显著，当Cr元素含量达到0.8wt％-1.5wt％时Si元素的宏观偏析基本可以消除。

在图2中，从铸锭底部向上到3.2cm左右以及4.4cm以上的两个区域内，灰白色基底上分布着诸多黑色颗粒；而在3.2cm至4.4cm的区域之间，则呈现为灰白色，基本上无黑色颗粒物。通过金相观察可知，铸锭底部和顶部灰白色基底上分布着诸多黑色颗粒的区域为初生Si颗粒大量析出的区域，而铸锭中间灰白色区域为初生Si颗粒析出很少的区域。图3为经图像分析软件定量分析后，所得到的初生Si颗粒在凝固组织中所占比例的统计结果。由图3可见，在未添加Cr元素的Al-20％Si合金的凝固组织中，初生Si颗粒沿纵向的分布很不均匀，硅元素的偏析现象非常明显。

在图4、图5中，Al-20％Si合金的宏观组织随着Cr添加量的增加发生了显著的变化。当Cr元素的加入量为0.2wt％时，贫Si带出现在距铸锭底部15mm-27mm之间，宽12mm的范围之内；当Cr元素的加入量为0.4wt％时，贫Si带向上移动并变窄，出现在距铸锭底部18mm-25mm之间，宽7mm-8mm的范围之内；当Cr的加入量为0.6wt％时，贫Si带继续向上移动并变窄，出现在距铸锭底部25mm-30mm之间，宽5mm的范围之内；当Cr元素的添加量达到0.8wt％时，铸锭中的贫Si带基本消失。

本发明还具有以下积极效果：

(1)方法简单，操作简便，易于掌握，效果明显；

(2)与快凝技术相比较，合金化方法成本低；

(3)合金化方法易于工业化生产。

附图说明

图1是铸造装置示意图

图中：1螺杆，2熔体，3压板，4保温材料，5压板，6铜板，7冷却水，8电阻丝

图2是未添加Cr元素的Al-20％Si合金的宏观组织照片

图3是未添加Cr元素的初生Si颗粒在凝固组织中的分布数据图

图4是添加Cr元素的Al-20％Si合金宏观组织照片

图中：a：添加0.2wt％的Cr元素  b：添加0.4wt％的Cr元素  c：添加0.6wt％的Cr元素  d：添加0.8wt％的Cr元素

图5是Cr元素含量对Al-20％Si合金铸锭中初生Si颗粒分布影响的数据图

具体实施方式

采用Al-20wt％Si合金(添加Cr元素)

实施例1

在Al-20wt％Si合金中，分别添加熔体总重量的0.8％的Cr元素，考察初生Si颗粒在凝固组织中的分布情况。步骤如下：

1、Al-20wt％Si合金在碳棒炉内加热熔化，熔化温度为900℃，保温10min；

2、当熔体温度为750-770℃时，向熔体中添加Cr元素；

3、在添加合金元素后，熔体温度为750℃左右时，用六氯乙烷或氩气对合金熔液进行除气处理；

4、铸造。

为了保证结果不受其它因素的影响，铸造采用定向凝固方式进行，其装置的示意图如图1所示。熔体结晶的坩埚由壁厚30mm、φ100×70mm的保温桶，与厚4mm的铜板组成，用压板压紧。在保温桶外缠绕功率为3Kw的电阻丝用以加热坩埚，在铜板下方布置冷却水管，使凝固过程中冷却水可以直接浇在铜板上。

由图4、图5可见，Al-20％Si合金的宏观组织随着Cr添加量的增加发生了显著的变化。当Cr元素的加入量为0.2wt％时，贫Si带出现在距铸锭底部15mm-27mm之间，宽12mm的范围之内；当Cr元素的加入量为0.4wt％时，贫Si带向上移动并变窄，出现在距铸锭底部18mm-25mm之间，宽7mm-8mm的范围之内；当Cr的加入量为0.6wt％时，贫Si带继续向上移动并变窄，出现在距铸锭底部25mm-30mm之间，宽5mm的范围之内；当Cr元素的添加量达到0.8wt％时，铸锭中的贫Si带基本消失。因此，Cr元素可以改善过共晶Al-Si合金凝固组织中初生Si颗粒的宏观偏聚现象，随着Cr元素含量的增加，其效果也越来越显著，当Cr元素含量达到0.8wt％时Si元素的宏观偏析基本可以消除。

实施例2

在Al-20wt％Si合金中，添加熔体总重量的1.0％的Cr元素，考察初生Si颗粒在凝固组织中的分布情况。步骤如下：

1、Al-20wt％Si合金在碳棒炉内加热熔化，熔化温度为900℃，保温10min；

2、当熔体温度为750-770℃时，向熔体中添加Cr元素；

3、在添加合金元素后，熔体温度为750℃左右时，用六氯乙烷或氩气对合金熔液进行除气处理；

4、铸造。

为了保证结果不受其它因素的影响，铸造采用定向凝固方式进行，其装置的示意图如图1所示。熔体结晶的坩埚由壁厚30mm、φ100×70mm的保温桶，与厚4mm的铜板组成，用压板压紧。在保温桶外缠绕功率为3Kw的电阻丝用以加热坩埚，在铜板下方布置冷却水管，使凝固过程中冷却水可以直接浇在铜板上。

当Cr元素的添加量达到1.0wt％时，铸锭中的贫Si带消失，从铸锭底部到顶部的Si元素分布均匀。因此，随着Cr元素含量的增加，Cr元素可以有效地改善过共晶Al-Si合金凝固组织中初生Si颗粒的宏观偏聚现象，其改善硅均匀分布的效果也较0.8wt％时更为显著。

实施例3

在Al-20wt％Si合金中，添加熔体总重量的1.5％的Cr元素，考察初生Si颗粒在凝固组织中的分布情况。步骤如下：

1、Al-20wt％Si合金在碳棒炉内加热熔化，熔化温度为900℃，保温10min；

2、当熔体温度为750-770℃时，向熔体中添加Cr元素；

3、在添加合金元素后，熔体温度为750℃左右时，用六氯乙烷或氩气对合金熔液进行除气处理；

4、铸造。

为了保证结果不受其它因素的影响，铸造采用定向凝固方式进行，其装置的示意图如图1所示。熔体结晶的坩埚由壁厚30mm、φ100×70mm的保温桶，与厚4mm的铜板组成，用压板压紧。在保温桶外缠绕功率为3Kw的电阻丝用以加热坩埚，在铜板下方布置冷却水管，使凝固过程中冷却水可以直接浇在铜板上。

当Cr元素的添加量达到1.5wt％时，铸锭中的贫Si带消失，从铸锭底部到顶部的Si元素分布十分均匀。因此，随着Cr元素含量不断的增加，Cr元素可以有效地改善过共晶Al-Si合金凝固组织中初生Si颗粒的宏观偏聚现象，其改善硅均匀分布的效果也较1.0wt％时更为显著。