[发明专利]同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法，尤其是一种同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，属于金属材料改性加工技术领域。

背景技术

铸造铝硅合金的微观组织中通常存在针状共晶硅相、粗大的板片状初生硅颗粒。它们通常成为材料失效时裂纹的发源地，使材料的塑性、韧性和疲劳强度较低。使硅相细化和球化，是长期以来针对铝硅合金研究的重要问题。

铝硅合金是最重要的铝基结构材料之一，是主要的铸造合金体系。除了具有一般铝合金比重低、传热好的特点外，较高硅含量的铝硅合金还可以看作一种自生复合材料，有较高的室温综合力学性能(强度，耐磨性，延伸率)和高温性能，成型性能也好；同时由于铝、硅元素的相互固溶度较低，所以回收利用方便，是一种具有可持续发展性的绿色材料。所以，它在汽车、航空航天、电子等领域的应用越来越广泛[1-3]。

铸造铝硅合金主要的不足之处是其微观组织中通常存在针状共晶硅相、粗大的板片状初生硅颗粒。它们一方面质脆，易碎，同时其尖角会引起应力集中，通常成为材料失效时裂纹的发源地，所以材料的塑性、韧性和疲劳强度较低[3]。高硅含量(≥共晶成分点11.8％)铝合金由于初生硅颗粒的大量存在，对材料上述性能的影响尤其大。所以，解决硅相组织的形态缺陷，使硅相细化和球化，是长期以来针对铝硅合金的重要问题。

目前对铝硅合金硅相进行细化和(或)球化的技术可以分成为液态、半固态和固态技术三个大类。其中，变质处理[4]，快速凝固[5]，喷射成形[6，7]等技术属于液态技术，球化热处理(SST)[8，9]、轧制[10]、剧烈塑性变形(SPD)[11]等属于固态技术，半固态技术包括各种搅拌、振动等制备半固态浆料的技术[12-17]。

在液态技术中，变质是一种常用和简便的技术，通过各种变质剂对硅形核和生长过程进行的影响，以改变硅相颗粒的大小和形态。其中，变质剂通常只对初生硅(如P)和共晶硅(如Na，Sr等)分别有效；目前只能够使硅相颗粒细化到20～50μm范围，在硅含量超过30％情况下效果较差。而且，变质剂对硅相球化的作用不显著，基本上只能获得多边形状的硅相。其他液态技术如快速凝固，喷射成形等则成本较高，更适合低维度材料生产。

半固态技术[12-17]主要利用各种搅拌或激冷方法使半固态浆料中硅相发生断裂或大量形核等，并通过液相成分场和温度场的均匀化来控制固相颗粒的生长，从而实现硅相的细化。一般只能使初生硅细化到30～50微米范围，在硅含量超过30％情况下效果较差。硅相颗粒通常通过聚集和相互摩擦来实现球化[12]，从而导致粗大。所以，在半固态技术中也不易实现硅相颗粒的同时细化和球化。同时，还容易使硅相出现偏析。

固态技术一般通过基体的塑性变形来剪切破碎硅相，随着塑性变形程度增大，硅相细化程度也增加，通常细化效果好于液态和半固态技术。例如SPD技术中的等通道转角挤压技术可以使硅相细化达几百纳米[11]。但它们不能使硅相获得球化。

SST技术是固态技术中特殊的一个，其通过硅元素在铝中的扩散、固溶和重新析出，实现硅相的球化和细化，但是基本只对共晶硅起作用，对初生硅效果不明显。

近年来，摩擦搅拌焊(FSW)/摩擦搅拌加工(FSP)技术的出现提供了一种新颖的材料组织细化方法[18]。该技术是1991年英国焊接研究所发明的一种固态焊接技术，其原理(如图1)是：将一个高速旋转的带轴肩的销钉，逐渐插入待焊接的两板的接缝处，同时沿接缝运动。通过销钉的高速运动，一方面与焊接材料摩擦产生一定高温，另一方面带动销钉周围经高温软化了的两工件的材料产生旋转和其它复杂运动(搅拌)，发生强烈的塑性流动和复杂的混合，形成一个整体，从而达到焊接两工件的目的。通常，搅拌区材料始终处于固态，组织由再结晶形成的细小等轴晶粒组成，这决定了焊缝优异的力学性能。

基于FSW技术对材料组织的强烈细化的原理，又出现了摩擦搅拌加工(FSP)技术，它是在同一材料表面对材料组织进行改性或制备表面复合材料的一种技术。与普通剧烈塑性变形(SPD)技术相比，FSP技术的特点是对材料局部地，由内而外地进行快速强烈塑性加工，而非普通SPD技术由表及里的施压。由于FSP技术瞬时加工区域小，对设备功率要求较小，同时还能使材料组织强烈混合和均匀化，所以具有工艺简捷高效，性能稳定易控制，设备要求低等优势。