[发明专利]铝铸造合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝铸造合金，更具体而言涉及一种用在成形铸造(shape casting)中的亚共晶硅铝合金。

技术背景

含有少于约12％硅的硅铝合金被称为亚共晶合金。除了减少了缺陷例如由于收缩和气体引起的热拉裂和孔隙的形成以及最小化夹杂物的存在外，两种能够提高铝铸造合金的强度、延性和性能的非常重要的途径是铝初生相的晶粒细化作用和共晶Al+Si结构的改变。当冷却熔融亚共晶合金时，铝晶体首先经过成核和生长而形成，随后第二重要的事件是Al+Si共晶混合物的形成。应当理解，(Al+Si)共晶是一种不规则耦合(coupled)的共晶，并且其以共晶团形式生长，同时硅从单个成核点辐射生长，并且硅片(plates)的尖端(tip)先于铝生长，进入冷却中的液体。已经证明(Al+Si)共晶可以在熔体中存在的铝枝状晶体或基底(substrate)颗粒上成核，例如AIP、AlSiNa、Al₂Si₂Sr和其它未确定的颗粒。

初生铝的晶粒细化简言之就是在浇注之前将具有强的成分过冷效应的溶质和晶核添加到熔体中的过程，使得在凝结过程(即凝固)中铸造(casting)将会快速生成具有小的等轴铝晶体的细化显微组织。通常通过向熔体中添加含钛和/或硼的母合金来实现铝初晶的晶粒细化。

另一方面共晶变性是改变铸造组织的形态，尤其是临近凝固结束时凝结为铝和硅的共晶混合物的铸造组织部分的形态。未变性的亚共晶硅合金是相对非延性或脆性的，并且由初生铝枝状晶体组成，同时共晶包含铝基体中粗大针状或片状硅相。可以通过向熔体中添加少量例如钠、锶或锑的元素改变在共晶混合物中这些富硅晶体的形态，以改变共晶组织和产生具有精细、纤维状结构的富硅晶体。然而，已经发现，添加变性剂消弱了熔体中共晶团的有效核(potent nuclei)导致了在共晶成核中过冷明显增加和降低共晶生长温度的抑止。这进而增加共晶晶粒尺寸和降低在形成变性的铝硅合金中成核频率(nucleation frequency)。而且，据报道，铝硅合金的变性导致孔隙的再分布并且增加了铸件孔隙度。

本发明的目的是提供具有改进的显微组织的亚共晶铝硅合金，具有良好的铸造性能和改进的多孔特性。

发明内容

因此，一方面，本发明提供了亚共晶铝硅合金，其中共晶通过由选自以下元素组成的母合金而变性：锶、钠、锑、钡、钙、钇、锂、钾、镱和稀土元素如铕、混合稀土合金(mischmetal)如镧、铈、镨和钕，然后通过添加含有用于共晶团的成核颗粒的母合金进一步细化。优选成核颗粒选自TiSi_x、MnC_x、AlP、AlB_x和CrB_x，其作为颗粒加入或在熔体中原位形成。这些成核颗粒促进了小共晶晶粒尺寸，而没有改变细纤维硅晶体组织。

在本发明的优选实施方案中，成核颗粒具有小于100μm的颗粒尺寸，优选小于10μm。优选通过将含有成核颗粒的母合金添加到熔体中，或通过优选的反应在熔体中原位形成成核颗粒，例如通过熔体和母合金之间的反应。

在本发明的一方面，提供了一种形成亚共晶铝硅合金的方法，包括以下步骤：

形成铝熔体，该熔体包括大于0和小于约12wt％的硅、20-3000ppm、优选150-3000ppm的共晶变性元素，该元素选自锶、钠、锑、钡、钙、钇、锂、钾、镱、铕、和混合稀土合金如镧、铈、镨和钕，当共晶变性元素为钠时更优选20-300ppm，当共晶变性元素为锶时更优选50-300ppm，当共晶变性元素为锑时更优选1000-3000ppm；以及

添加成核颗粒和/或促使成核颗粒在熔体中形成，成核颗粒选自TiSi_x、MnC_x、AlP、AlB_x和CrB_x，其中x是整数1或2。

本申请人已经发现，通过向利用上述元素变性处理的亚共晶铝硅合金中添加或在其中原位形成这些成核颗粒，产生具有降低孔隙度的变性铝硅合金。而且，产生具有纤维共晶组织的精细富硅晶体。

在CrB_x的情况下，向熔体中添加这些颗粒的比例优选大于2wt％。