一种新型粒化过共晶Al-Si合金的制备方法

摘要

一种新型粒化过共晶Al-Si合金的制备方法，其步骤是：(1)将Si含量为15％～30％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1000℃～1100℃，精炼，静止10min～15min；加入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温10min～15min；(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的2.5％～3.5％，保温20min～30min；进行第二次精炼，保温10min～15min；(3)待溶液温度降至800℃～900℃时浇注到水冷金属型内。其工艺简单，操作方便，容易实现，所制备的过共晶铝硅合金凝固组织中共晶硅呈细小颗粒状。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金材料制备方法，尤其是涉及一种新型粒化过共晶Al-Si合金的制备方 法。

背景技术

过共晶Al-Si合金具有低密度、高硬度、耐高温、耐磨、低热膨胀系数的特点，最适合 制造高性能汽车发动机的气缸、活塞等零件，所以自出现之日起就备受重视，并且发展非常 迅速。近十年来，形成了很多变质处理、外场处理等新技术，使过共晶Al-Si合金向实际应 用不断靠近。

由于过共晶Al-Si合金组织中有大块初生硅的存在导致材料很脆，无法直接应用。为了 使这种优秀的材料能够应用，人们开始从改善初生硅形态与细化初生硅晶粒入手，展开了大 量的研究工作，可以将初生Si的尺寸控制在20μm左右。

过共晶Al-Si合金Sr变质可以得到粒状共晶Si，但Sr恶化P的变质效果，重新使初生 Si粗化。喷射成型、雾化沉积和快速凝固方法也可以得到粒状共晶Si，但设备与工艺比较 复杂、成本较高。磁场和超声波处理方法处理后对于改变共晶Si形态的效果也不明显。

过共晶Al-Si合金初生硅细化与改变形态的效果基本稳定，简单实用的方法是变质处理， 比较好的变质剂为P+Sr+Ti+B，变质处理后能够得到细小、块状、均匀分布的初生硅。要想 方便、稳定地得到球状初生硅，难度大，目前没有成熟的制备方法。

过共晶Al-Si合金在特殊铸造条件下，初生硅并没有达到球状的程度，但其延伸率偶尔 也能够达到15％，说明过共晶Al-Si合金具有高延伸率的潜在能力，但到目前为止使过共晶 Al-Si合金稳定地获得高的延伸率还没有实质性进展。

发明内容

本发明是要解决现有技术存在的上述问题，提供一种一种新型粒化过共晶Al-Si合金的 制备方法，其工艺简单，操作方便，容易实现，所制备的过共晶铝硅合金凝固组织中共晶硅 呈细小颗粒状。

为了实现本发明的目的，采用的技术解决方案是：

(1)将Si含量为15％～30％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1000℃～1100℃，精炼， 静止10min～15min；加入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温 10min～15min；

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的2.5％～3.5％，保温20min ～30min；进行第二次精炼，保温10min～15min；

(3)待溶液温度降至800℃～900℃时浇注到水冷金属型内。

本发明的有益效果是：Al-Si合金中，硅相是裂纹扩展首选路径，并且几乎无阻挡裂纹 扩展的能力。对于过共晶Al-Si合金而言，在初生硅数量、大小、形状一定的条件下，共晶 硅成为限制韧性提高的关键因素，即共晶硅数量越少、形状越圆整，过共晶Al-Si合金的韧 性就越高。为此，在初生硅为细小、块状、均匀分布的基础上，减少或消灭片层状共晶组织 是现阶段提高过共晶Al-Si合金延伸率的另一有效途径。为此本发明将Al-Zr加入到经过P 变质后的过共晶Al-Si合金熔体中，则熔体中的ZrAl₃与变质处理时形成的AlP反应形成的 ZrP，而后ZrP与Si反应生成ZrSi₂+P，释放出的P与Al反应，形成二次AlP，这个反应直 到凝固结束。二次AlP颗粒小并且弥散分布在熔体之中，在较大过冷度下，这些细小颗粒的 二次AlP，成为硅相的形核核心，Si相在熔体中析出并且自由生长，同时使Si相周围熔体 贫Si而形成α相，α相将Si相包围后Si相基本上停止生长，形成α相包围细小颗粒状Si 相的凝固组织，这个过程直到凝固结束，凝固组织中典型的片层状共晶组织消失，得到类似 于球墨铸铁中石墨球与奥氏体的离异共晶组织。本发明工艺简单，操作方便，容易实现。所 制备的过共晶铝硅合金凝固组织中共晶硅呈细小颗粒状。

附图说明

图1是实施例1过共晶Al-Si变质后加Zr的金相组织图；

图2是实施例2过共晶Al-Si变质后加Zr的金相组织图；

图3是实施例3过共晶Al-Si变质后加Zr的金相组织图；

图4是实施例4过共晶Al-Si变质后加Zr的金相组织图；

图5是实施例5过共晶Al-Si变质后加Zr的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

Al-20％Si合金，用0.1％的P变质，Zr含量3.0％。

(1)将Si含量为20％的过共晶Al-Si的合金熔化，加热到1000℃，精炼，静止10min； 加入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温10min。

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的3.0％，保温25min；进 行第二次精炼，保温15min。

(3)待溶液温度降至850℃时浇注到水冷金属型内，凝固组织如图1所示。

实施例2

Al-25％Si合金，用0.1％的P变质剂，Zr含量3.0％。

(1)将Si含量为25％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1100℃，精炼，静止10min； 加入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温15min。

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的3.0％，保温20min；进 行第二次精炼，保温15min。

(3)待溶液温度降至900℃时浇注到水冷金属型内，凝固组织如图2所示。

实施例3

Al-20％Si合金，用0.1％的P变质，Zr含量3.5％。

(1)将含量为20％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1000℃，精炼，静止10min；加 入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温10min。

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的3.5％，保温25min；进 行第二次精炼，保温15min。

(3)待溶液温度降至850℃时浇注到水冷金属型内，凝固组织如图3所示。

实施例4

Al-30％Si合金，用0.12％的P变质，Zr含量3.5％。

(1)将Si含量为30％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1100℃，精炼，静止10min； 加入占过共晶Al-Si合金质量0.12％的P进行变质处理，搅拌，保温15min。

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的3.5％，保温20min；进 行第二次精炼，保温10min。

(3)待溶液温度降至900℃时浇注到水冷金属型内，凝固组织如图4所示。

实施例5

Al-15％Si合金，用0.15％的P变质，Zr含量2.5％。

(1)将Si含量为15％的过共晶Al-Si合金熔化，加热到1050℃，精炼，静止15min； 加入占过共晶Al-Si合金质量0.1％的P进行变质处理，搅拌，保温12min。

(2)加入Al-Zr合金，控制Zr的加入量为Al-Si合金总重量的2.5％，保温30in；进行 第二次精炼，保温12min。

(3)待溶液温度降至800℃时浇注到水冷金属型内，凝固组织如图5所示。

以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。