一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法

摘要

本发明提供了一种提高铸造Al‑Si合金低温力学性能的方法，属于铝合金技术领域。本发明提供的方法包括以下步骤：提供Al‑Si合金的熔融料液，记为第一熔体；在650～680℃条件下，将所述第一熔体、Al‑Sr中间合金与Al‑10RE中间合金混合，保温至所述Al‑Sr中间合金与Al‑10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体；所述Al‑Sr中间合金中Sr的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.4％，所述Al‑10RE中间合金中RE的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.8％；将所述第二熔体依次进行除气精炼和浇铸成型。采用本发明提供的方法对铸造Al‑Si合金进行处理，能够提高铸造Al‑Si合金低温力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法。

背景技术

铝合金根据工艺特点可分为变形铝合金和铸造铝合金。铸造铝合金与变形铝合金相比，具有生产周期短以及生产成本低的优势。其中，铸造Al-Si合金具有高比强度、低密度、良好耐蚀性及加工性能等优点，广泛应用于汽车、航空航天等领域。随着科技的进步，铸造Al-Si合金更是逐步应用于低温环境中，因而对铸造Al-Si合金在低温环境中的力学性能要求越来越高。采用传统熔炼浇铸法直接获得的铸造Al-Si合金，在低温环境中的强度较高，但是塑性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法，采用本发明提供的方法对铸造Al-Si合金进行处理，能够提高铸造Al-Si合金低温力学性能，尤其是低温塑性，满足低温环境使用要求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法，包括以下步骤：

提供Al-Si合金的熔融料液，记为第一熔体；

在650～680℃条件下，将所述第一熔体、Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金混合，保温至所述Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体；其中，所述Al-Sr中间合金中Sr的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.4％，所述Al-10RE中间合金中RE的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.8％；

将所述第二熔体依次进行除气精炼和浇铸成型。

优选地，所述Al-Si合金为Al-Si-Mg合金。

优选地，所述Al-Si-Mg合金的组分包括：硅7.0～7.5wt％，镁0.30～0.35wt％，铁0.11～0.16wt％，余量为Al。

优选地，所述Al-10RE中间合金中RE包括La和Ce，所述La和Ce的摩尔比为(1～1.5)：(1～2)。

优选地，所述除气精炼包括：

在720～750℃条件下，将所述第二熔体、精炼剂与细化剂混合，保温进行除气精炼。

优选地，所述精炼剂为C

优选地，所述细化剂为Al-Ti-B，所述细化剂的质量为所述第二熔体质量的0.3～0.5％。

优选地，所述除气精炼在搅拌条件下进行，所述除气精炼的时间为10～15min。

优选地，所述浇铸成型所用模具为金属型模具，所述金属型模具在使用前预热至200～300℃。

优选地，所述浇铸成型的冷却方式为自然冷却。

本发明提供了一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法，包括以下步骤：提供Al-Si合金的熔融料液，记为第一熔体；在650～680℃条件下，将所述第一熔体、Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金混合，保温至所述Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体；其中，所述Al-Sr中间合金中Sr的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.4％，所述Al-10RE中间合金中RE的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.8％；将所述第二熔体依次进行除气精炼和浇铸成型。本发明以Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金为变质剂，在650～680℃条件下将变质剂与第一熔体混合，完全熔化后经除气精炼和浇铸成型，所述变质剂可以细化α-Al晶粒并改善Si相形貌，使Si相由原先粗大长条状或板片状变为细小的短棒状，且所得Al-Si合金组织均匀性好，有效解决了铸造Al-Si合金晶粒粗大、不均匀的问题，提高了铸造Al-Si合金的低温力学性能，尤其是低温塑性，能够满足低温环境使用要求。

附图说明

图1为实施例1中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；

图2为实施例2中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；

图3为实施例3中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；

图4为实施例4中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；

图5为对比例1中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；

图6为对比例3中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种提高铸造Al-Si合金低温力学性能的方法，包括以下步骤：

提供Al-Si合金的熔融料液，记为第一熔体；

在650～680℃条件下，将所述第一熔体、Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金混合，保温至所述Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体；其中，所述Al-Sr中间合金中Sr的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.4％，所述Al-10RE中间合金中RE的质量为所述第一熔体质量的0.2～0.8％；

将所述第二熔体依次进行除气精炼和浇铸成型。

在本发明中，铸造Al-Si合金的力学性能受Al-Si合金组织中初生α-Al相、共晶硅相的形貌及大小的影响，采用本发明提供的方法能够获得细小且分布均匀的Al-Si合金组织，从而提高铸造Al-Si合金的低温力学性能。具体的，本发明采用Al-10RE作为变质剂，其不仅可以细化初生α-Al相，还能够对共晶硅相进行变质，提高铸造Al-Si合金的综合性能。另外，稀土元素RE具有活泼化学性质和降低表面张力的作用，一方面对合金基体中的针片状共晶硅起到变质作用，改善了这些Si相在基体中的分布形态；另一方面，其在α-Al中非常小的固溶度使其富集于固液界面前沿中的液相边界层中，阻碍了Al原子的扩散，其引起的成分过冷作用也细化了晶粒。而且，在添加稀土元素RE的同时添加元素Sr，可以更好地改善Al-Si合金组织、细化晶粒，从而进一步提高Al-Si合金的低温力学性能。

本发明提供Al-Si合金的熔融料液，记为第一熔体。在本发明中，所述Al-Si合金优选为Al-Si-Mg合金，更优选为Al-7Si-0.3Mg合金；所述Al-Si-Mg合金的组分优选包括：硅7.0～7.5wt％，镁0.30～0.35wt％，铁0.11～0.16wt％，余量为Al，更优选包括：硅7.0wt％，镁0.30wt％，铁0.13wt％，余量为Al。本发明对所述第一熔体的制备方法没有特殊限定，具体的，可以直接按照Al-Si合金所需原料配料后经熔融处理得到。在本发明中，以Al-7Si-0.3Mg合金为例，具体是将纯Al、纯Mg、Al-Si中间合金和Al-50Fe中间合金进行熔融处理，得到第一熔体。在本发明中，所述熔融处理的温度优选为700～750℃，更优选为730～750℃。在本发明的实施例中，具体是将纯Al与Al-Si中间合金置于石墨坩埚中，将所述石墨坩埚置于RGL-15-8型井式电阻炉中，将电阻炉温度设定为700～750℃，保温进行熔融处理，至纯Al与Al-Si中间合金完全熔化，将纯Mg和Al-50Fe中间合金用钟罩压入所得熔融体系中，待纯Mg和Al-50Fe中间合金完全熔化后，得到第一熔体。

得到第一熔体后，本发明在650～680℃条件下，将所述第一熔体、Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金混合，保温至所述Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体。在本发明中，所述Al-10RE中间合金中RE优选包括La和Ce，所述La和Ce的摩尔比优选为(1～1.5)：(1～2)，更优选为1：2。在本发明中，所述Al-Sr中间合金中Sr的质量优选为所述第一熔体质量的0.2～0.4％，具体可以为0.2％、0.3％或0.4％；所述Al-10RE中间合金中RE的质量优选为所述第一熔体质量的0.2～0.8％，具体可以为0.2％、0.4％、0.6％或0.8％。本发明利用Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金作为变质剂，将二者的含量控制在上述范围内，有利于晶粒的细化，改善Si相形貌，从而提高合金的强度，同时塑性也随之升高。本发明在650～680℃(优选为670～680℃)条件下将第一熔体、Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金混合，Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金能够快速熔化与第一熔体混合，进而能够充分的发挥变质作用，有利于改善Si相形貌，提高α-Al枝晶的圆整度；若温度过高会降低变质剂(即Sr和RE)的变质效果，变质剂发挥变质作用的时间缩短；若温度过低，变质剂需要较长的时间才能发挥变质作用，效率底，同时也会浪费能源。在本发明的实施例中，具体是将第一熔体的温度控制在650～680℃，然后向所述第一熔体中加入Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金，保温至所述Al-Sr中间合金与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体。

得到第二熔体后，本发明将所述第二熔体依次进行除气精炼和浇铸成型。在本发明中，所述除气精炼优选包括：在720～750℃条件下，将所述第二熔体、精炼剂与细化剂混合，保温进行除气精炼。在本发明中，所述精炼剂优选为C

在本发明中，所述除气精炼后所得熔体记为第三熔体，将所述第三熔体进行浇铸成型。在本发明中，所述浇铸成型所用模具优选为金属型模具，所述金属型模具在使用前优选预热至200～300℃，更优选预热至220～230℃。在本发明中，所述浇铸成型的冷却方式优选为自然冷却。

在本发明中，经上述方法处理后，所得铸造Al-Si合金具有较好的低温力学性能，尤其是低温塑性，满足低温环境使用要求。具体的，经上述方法处理后，所得铸造Al-Si合金在-60℃条件下的抗拉强度为201～249MPa，屈服强度为177～199MPa，伸长率为6.55～8.33％。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将纯Al及Al-Si中间合金放入石墨坩埚中，将所述石墨坩埚置于RGL-15-8型井式电阻炉中，将电阻炉温度设定为750℃，保温至纯Al及Al-Si中间合金完全熔化，将纯Mg和Al-50Fe中间合金用钟罩压入所得熔融体系中，保温10min，纯Mg和Al-50Fe中间合金完全熔化，得到第一熔体，所述第一熔体的组分包括：硅7.0wt％，镁0.30wt％，铁0.13wt％，余量为Al；

将所述第一熔体降温至680℃，向所述第一熔体中加入Al-Sr中间合金和Al-10RE中间合金，使Sr添加量为所述第一熔体质量的0.3％，RE添加量为所述第一熔体质量的0.2％(所述RE包括La和Ce，所述La和Ce的摩尔比为1：2)，加毕保温至Al-Sr中间合与Al-10RE中间合金完全熔化，得到第二熔体；

将所述第二熔体升温至720℃，在搅拌条件下，向所述第二熔体中加入细化剂Al-Ti-B，保温10min；之后加入部分精炼剂C

将所述第三熔体浇铸到预热至230℃的金属型模具中，在自然冷却条件下凝固后得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金。

实施例2

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于RE添加量为第一熔体质量的0.4％。

实施例3

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于RE添加量为第一熔体质量的0.6％。

实施例4

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于RE添加量为第一熔体质量的0.8％。

对比例1

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于RE添加量为第一熔体质量的1.0％。

对比例2

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于Sr添加量为第一熔体质量的0.1％。

对比例3

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于不添加Al-10RE中间合金，即仅采用Al-Sr中间合金作为变质剂。

对比例4

按照实施例1的方法对Al-7Si-0.3Mg合金进行变质处理，得到变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，不同之处在于不添加Al-Sr中间合金，即仅采用Al-10RE中间合金作为变质剂。

对比例5

未进行变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金，即按照实施例1的方法制备Al-7Si-0.3Mg合金，不添加Al-Sr中间合金和Al-10RE中间合金。

表征和性能测试：

图1～4依次为实施例1～4中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图；图5～6分别为对比例1和对比例3中变质处理的Al-7Si-0.3Mg合金的显微组织图。由1～6图可知，未加RE的合金(图6)组织分布不均匀，α-Al相的尺寸分布不均匀；加入0.2％RE的合金(图1)组织得到明显的细化，合金晶粒的尺寸最为细小，晶粒的圆整度为0.62～0.73；加入0.4～0.8％RE的合金(图2～4)组织与图6相比，α-Al枝晶得到一定程度的细化，晶粒尺寸较为细小；而加入1.0％RE的合金组织细化不明显，晶粒尺寸有增大的趋势，即加入过剩的RE不利于组织的细化。

按照GB/T13239-2006中方法利用线切割制备金属型拉伸片试样，室温(20℃)拉伸实验和低温(-60℃)拉伸实验均在WGW-100H型微机控制电子万能材料试验机上进行，拉伸前要标注原始标距L

表1室温(20℃)拉伸实验测试结果

表2低温(-60℃)拉伸实验测试结果

由表1～2可知，室温条件下同时加入Sr和RE变质的合金力学性能较单独加入或未加入Sr以及RE变质的合金的力学性能相比有较大幅度的提高，而且，低温条件下同时加入Sr和RE变质的合金力学性能较单独加入或未加入Sr以及RE变质的合金的力学性能相比也有较大幅度的提高，尤其是可以提高合金的低温塑性，满足低温环境使用要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。