[发明专利]一种过共晶Al-Si合金的双重变质方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种过共晶Al-Si合金的双重变质方法。

背景技术

过共晶Al-Si合金具有线膨胀系数小、尺寸稳定性高、耐磨、耐蚀性能好、铸造性能好、铸件成本低等一系列优良性能，是一种理想的汽车、船舶等活塞用合金。然而随着合金中硅含量的增加，初晶硅与共晶硅组织变得粗大，特别是呈现粗大块状的初晶硅和长针状共晶硅组织，严重割裂合金基体。并且硅相尖端和棱角部位容易引起应力集中，从而明显降低合金的力学性能，尤其是影响塑性及耐磨性的提高，使合金的切削加工性能变坏。解决这一问题的关键在于如何对合金进行变质处理，同时改善初晶Si和共晶Si形貌。

目前对Si相细化变质处理的方法有：超声波振动、半固态铸造、添加细化剂、快速冷却、熔体处理等。对于过共晶铝硅合金，目前有效的手段是向合金中加入磷及磷化物进行变质处理。Al-P中间合金变质剂，被称为“绿色变质剂”，可使过共晶Al-Si合金初晶Si平均晶粒尺寸细化到50μm以下，但其对共晶Si变质没有作用。近年来，对Al-Si合金的复合变质处理成为研究人员重要的研究课题。重庆大学对磷和稀土双重复合变质处理进行了研究，P+RE复合变质后的过共晶Al-Si合金，初晶Si分布均匀，晶粒平均尺寸由变质前的60μm减小为20μm，共晶Si呈短杆状分布。上海交通大学采用镧、钇稀土变质过共晶Al-Si合金，实现初晶Si和共晶Si的双重变质，其中初晶硅可细化至22μm左右。但是目前对于复合变质还存在元素之间相互反应、变质作用削弱(如：3Na+AlP＝Na₃P+Al，2AlP+3Sr＝Al+Sr₃P₂等冶金反应)、环境污染、效果不稳定等问题。因此，寻求具有良好双重变质效果的变质剂仍是过共晶Al-Si合金研究的热点，也是提高过共晶Al-Si合金性能的关键。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供了一种过共晶Al-Si合金的双重变质方法，采用将相同成分的细晶中间合金加入到过共晶Al-Si合金原始炉料中的工艺，实现初晶Si和共晶Si的双重变质，同时避免现有工艺由于加入细化剂伴随的引入杂质、元素反应问题。

技术方案：本发明提供的一种过共晶Al-Si合金的双重变质方法，其包括以下制备步骤：

(1)利用单辊甩带法制备细晶过共晶Al-Si合金中间合金薄带，所述单辊转速为20～50m/s，瞬时最高温度为1100～1500℃，凝固速度为10⁴～10⁶k/s，所得中间合金薄带宽度为2～3mm，厚度为10μm；

(2)将基体过共晶Al-Si合金放入5kw电阻炉中熔融，升温至750～800℃，保温15min，得到熔融的过共晶Al-Si合金金属液；

(3)将步骤(1)所得细晶过共晶Al-Si合金中间合金薄带加入步骤(2)所得熔融的过共晶Al-Si合金金属液中，所述细晶过共晶Al-Si合金中间合金薄带与熔融的过共晶Al-Si合金金属液质量比为1:(1～9)，机械搅拌3～5min，搅拌速率为100r/min，保温10～25min；然后浇注到预热温度为150℃的铸钢金属模型中，获得合金铸锭。

经典的凝固理论和生产实践证明，金属的遗传性是铸造过程中普遍存在的客观规律，即液固相变前合金熔体的自身特征对最后凝固组织的形成和演化有着十分显著的作用。广义上可以把金属的遗传性理解为在结构上或者物理性质方面，由原始炉料(始态)通过熔体阶段(过渡态)向铸态合金(终态)的信息传递。这是由于液态金属和合金的组成不均匀，结构存在微观不均匀即炉料组织信息的遗传因子所致。对熔体的各种外部作用，例如变质剂处理、温度处理、超声波、搅拌等都是改变遗传因子的结构和组成，从遗传的角度讲，上述作用的实质是相同的。因此，通过向过共晶Al-Si合金中加入相同成分的细晶组织作为中间合金，利用中间合金细化组织的遗传性可以达到初晶Si和共晶Si双重细化变质的目的。

有益效果：(1)本发明加入细晶过共晶Al-Si合金中间合金，与基体合金成分相同，既可以实现初晶Si和共晶Si的双重变质，又可避免产生引入杂质、元素反应问题，工艺简单，操作方便。

(2)变质后过共晶Al-Si合金中初晶Si尺寸由44μm细化为14μm，共晶Si由粗大的针片状变质为高度分枝的纤维状。

附图说明

图1是所得细晶过共晶Al-17％Si合金中间合金薄带宏观形貌；

图2是所得细晶过共晶Al-17％Si合金中间合金薄带显微组织；