一種過共晶鋁矽合金變質劑及其製備方法
2023-05-21 18:58:26
專利名稱：一種過共晶鋁矽合金變質劑及其製備方法
技術領域：
一種過共晶鋁矽合金變質劑及其製備方法，涉及一種用於細化過共晶鋁矽合金的新型變質劑及其製備方法。
背景技術：
過共晶型鋁矽合金含矽量高達17%16%，是一種複合良好的自生矽顆粒增強基複合材料，因其合金密度小，線膨脹係數低，抗磨性好，體積穩定性高及鑄造性能好等諸多優點，在工業上得到越來越廣闊的發展。特別是隨著大功率高壓內燃機的出現，過共晶鋁矽合金成為大家關注的焦點。由於過共晶鋁矽合金中初生矽容易呈粗大的板塊狀和五瓣星狀， 惡化了合金的性能，因此細化初生矽成為改善合金力學性能的重要途徑。目前國內外大多採用含磷類變質劑來細化初晶矽，最早採用的是赤磷。雖然細化效果比較明顯，但是由於磷的燃點低，不便於運輸，且在高溫時反應劇烈，吸收率低，反應過程中發出大量的有毒氣體，汙染環境，因此赤磷逐漸被淘汰。隨後出現了一種含磷的中間合金，比如含Cu的活塞合金中就採用Cu-P變質劑。這種中間合金優點是方便運輸，汙染少， 變質效果明顯，但是由於其變質溫度比較高，難熔，易產生偏析，且製備需要能耗大，增加了 Cu等元素，限制了一些合金的使用。於是，一些廠家開始用含磷的化合物來變質初晶矽，如 P205+A1P04、氟鈦酸鉀、氯化鈉等的化合物，這些化合物雖然變質效果良好，但是變質過程中產生很多渣和煙氣，汙染環境，且變質不穩定，不利於工業生產。近年來，國內一些專家研製出AlP合金，如山東大學劉相法(專利批准號CN1410565)研製出《一種鋁磷中間合金及其製備方法》，這種物質變質效果好，添加量小，穩定且汙染小，但是由於其製備過程複雜，價格昂貴，且有劇毒，存在很大的安全問題，因此其應用也受到很大程度的限制。
發明內容
本發明目的在於克服上述已有技術存在的不足，提供一種綠色、無汙染、高效、穩定，成本低廉的過共晶鋁矽合金變質劑及其製備方法。一種過共晶鋁矽合金變質劑，其特徵在於其過共晶鋁矽合金變質劑的質量百分比為Al 10% 50%、P :1% 10%、Cu :20% 50%、Fe < 0. 5%、Re < 0. 5%、其他< 0. 5%。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於其製備過程的步驟依次包括
(1)製備Al-Cu-P複合粉末，
(2)將Al-Cu-P複合粉末模具中壓製成型；
(3)將成型的Al-Cu-P進行燒結，製成過共晶鋁矽合金變質劑。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(1)製備Al-Cu-P複合粉末過程是將100 300目的Al粉、Cu粉和P粉或CuP粉，按過共晶鋁矽合金變質劑比例加入球磨罐，按球料比為5 20:1的比例加入不鏽鋼球，然後通入氬氣保護氣氛，在行星式球磨機上球磨，球磨轉速為60 150r/min，每30min換向一次，球磨時間為廣4h ；待冷卻後用篩網篩好後在真空環境下保存。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(2)將 Al-Cu-P複合粉末模具中壓製成型過程是將製備好的Al-Cu-P粉末放入模具中緩慢加壓至 5(Γ100ΚΝ，保壓5 IOmin後，脫模後密封保存。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(3)將成型的Al-Cu-P進行燒結過程是將壓制好的Al-Cu-P塊放入真空燒結爐中燒結，燒結溫度為400 550°C，燒結時間為1 3h，在真空下隨爐冷卻至室溫。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑，採用機械合金化和粉末燒結的形式，使之形成AlP這種物質，由於AlP粒子和Si都是金剛石型晶體結構，且晶格常數相近，因此凝固時AlP可以作為異質核心，從而細化初晶矽，使初晶矽有原來的100 μ m細化到25 μ m左右。本發明的一種過共晶鋁矽合金變質劑，添加量少，變質時間短，變質溫度低，可以實現在線變質，並且加入時無煙氣和渣產生，磷吸收率高，這樣降低了生產成本，減少了環境汙染，簡化了生產工藝，改善了工作環境，是一種真正綠色、環保、高效的新型變質劑。具有良好的經濟效益，以及良好的推廣價值和應用前景。
圖1是含矽為17. 1%的過共晶鋁矽合金沒有通過變質處理，780°C下金屬模具澆注，鑄態組織金相照片。圖2是含矽為17. 1%的過共晶鋁矽合金在800°C加入工廠用普通銅磷變質劑，變質 30min，780°C下金屬模具澆注，鑄態組織金相照片。圖3是含矽為17. 1%的過共晶鋁矽合金在780°C下加入本發明所製備的變質劑，變質30min，780°C金屬模具澆注，鑄態組織金相照片。
具體實施例方式一種過共晶鋁矽合金變質劑，其過共晶鋁矽合金變質劑的質量百分比為A1 10% 50%、P :1% 10%、Cu :209T50%、Fe :< 0. 5%、Re :< 0. 5%、其他< 0. 5%。其製備步驟對粉末球磨或機械合金化、壓制、燒結；其特徵在於將100 300目的Al粉和Cu粉、P粉(或 CuP粉)在保護氣氛下，按球料比為5 20:1的比例加入不鏽鋼球，在60 150r/min轉速下通過球磨機進行球磨，使之充分機械合金化。採用粉末冶金的方法，在5(Γ100ΚΝ下通過模具壓制和真空爐燒結的方式使之能夠生成AlP粒子從而變質過共晶鋁矽合金。實施例1
(1)將200目左右的Al粉和CuP粉(含1 磷)按1:1的比例添加入球磨罐，然後加入不鏽鋼球，其中球料比按10:1的比例添加，將真空球磨罐進氣口通入氬氣，流速為0. 5L/ min排淨空氣後，擰緊出氣口，再通入2min，此時擰緊進氣口。置於行星式球磨機上，轉速為 70r/min，每隔30min換向一次，球磨時間3h，待冷卻後打開球磨罐，用篩網篩好，用真空袋包裝好。(2)將模具塗好脫模劑後，風乾，將球磨好的粉末置於直徑^30mm的金屬圓筒模具中，預壓充分後，加壓至80ΚΝ，在80ΚΝ壓力下保壓5min，換向同樣在80KN壓力下進行雙面壓制，緩慢卸掉壓力，退模，取出壓制好的塊，用真空袋包裝好防止氧化。
4
(3)將壓制好的Al-Cu-P壓塊置於真空燒結爐中，抽真空度為0.09KPa，分階段升溫至500°C，保溫lh，然後在真空下隨爐冷卻至室溫，得到所需Al-Cu-P變質劑。實施例2
(1)將50%的Al粉、40%Cu粉和10%的P粉添加入球磨罐，其粒度均為300目左右，然後按20:1的球料比添加鋼球，將真空球磨罐進氣口通入氬氣，流速為0. 5L/min大約^iin 後，擰緊出氣口，再通入2min，此時擰緊進氣口。置於行星式球磨機上，轉速為90r/min，每隔30min換向一次，球磨時間池，待冷卻後打開球磨罐，用篩網篩好，用真空袋包裝好。(2)塗好脫模劑後，風乾，將球磨好的粉末置於直徑^30mm的金屬圓筒模具中，預壓充分後，加壓至70ΚΝ，在70ΚΝ壓力下保壓8min，換向同樣在70KN壓力下進行雙面壓制， 緩慢卸掉壓力，退模，取出壓制好的塊，用真空袋包裝好防止氧化。(3)將壓制好的Al-Cu-P壓塊置於真空燒結爐中，關好爐門，充入惰性氣體，分階段升溫至500°C，保溫lh，然後在真空下隨爐冷卻至室溫，得到所需Al-Cu-P變質劑。實施例3
(1)將40%的Al粉和60%CuP粉(含8%磷)添加入球磨罐，其粒度為200目左右，然後加入不鏽鋼球，按10 1的球料比添加鋼球，將真空球磨罐進氣口通入氬氣，流速為0. 5L/ min大約;3min後，擰緊出氣口，再通入2min，此時擰緊進氣口。置於行星式球磨機上，轉速為lOOr/min，每隔30min換向一次，球磨時間2h，待冷卻後打開球磨罐，用篩網篩好，用真空袋包裝好。(2)塗好脫模劑後，風乾，將球磨好的粉末置於直徑^30mm的金屬圓筒模具中，預壓充分後，加壓至70ΚΝ，在70ΚΝ壓力下保壓8min，換向同樣在70KN壓力下進行雙面壓制， 緩慢卸掉壓力，退模，取出壓制好的塊，用真空袋包裝好防止氧化。(3)將壓制好的Al-Cu-P壓塊置於真空燒結爐中，關好爐門，抽真空至真空度表為 0. 09KPa,分階段升溫至500°C，保溫lh，然後在真空下隨爐冷卻至室溫，得到所需Al-Cu-P 變質劑。實施例4
(1)將30%的Al粉和70%CuP粉(含10%磷)添加入球磨罐，其粒度為100目左右，然後加入不鏽鋼球，其中球料比按5:1的比例添加，將真空球磨罐進氣口通入氬氣，流速為0. 5L/ min排淨空氣後，擰緊出氣口，再通入2min，此時擰緊進氣口。置於行星式球磨機上，轉速為 120r/min，每隔30min換向一次，球磨時間池，待冷卻後打開球磨罐，用篩網篩好，用真空袋包裝好。(2)塗好脫模劑後，風乾，將球磨好的粉末置於直徑Φ30的金屬圓筒模具中，預壓充分後，加壓至65KN，在65KN壓力下保壓IOmin，換向同樣在65KN壓力下進行雙面壓制，緩慢卸掉壓力，退模，取出壓制好的塊，用真空袋包裝好防止氧化。(3)將壓制好的Al-Cu-P壓塊置於真空燒結爐中，抽真空度為0. 09KPa,分階段升溫至500°C，保溫lh，然後在真空下隨爐冷卻至室溫，得到所需Al-Cu-P變質劑。
權利要求
1.一種過共晶鋁矽合金變質劑，其特徵在於其過共晶鋁矽合金變質劑的質量百分比為Al 10% 50%、P :1% 10%、Cu :20% 50%、Fe :< 0. 5%、Re :< 0. 5%、其他< 0. 5%。
2.根據權利要求1所述的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於其製備過程的步驟依次包括(1)製備Al-Cu-P複合粉末，(2)將Al-Cu-P複合粉末模具中壓製成型；(3)將成型的Al-Cu-P進行燒結，製成過共晶鋁矽合金變質劑。
3.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(1)製備Al-Cu-P複合粉末過程是將100 300目的Al粉、Cu粉和P粉或CuP粉，按過共晶鋁矽合金變質劑比例加入球磨罐，按球料比為5 20:1的比例加入不鏽鋼球，然後通入氬氣保護氣氛，在行星式球磨機上球磨，球磨轉速為60 150r/min，每30min換向一次，球磨時間為廣4h ；待冷卻後用篩網篩好後在真空環境下保存。
4.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(2)將Al-Cu-P複合粉末模具中壓製成型過程是將製備好的Al-Cu-P粉末放入模具中緩慢加壓至5(Γ100ΚΝ，保壓5 IOmin後，脫模後密封保存。
5.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金變質劑的製備方法，其特徵在於所述的步驟(3 )將成型的Al-Cu-P進行燒結過程是將壓制好的Al-Cu-P塊放入真空燒結爐中燒結， 燒結溫度為400 550°C，燒結時間為1 池，在真空下隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
一種過共晶鋁矽合金變質劑及其製備方法，涉及一種用於細化過共晶鋁矽合金的新型變質劑及其製備方法。其特徵在於其過共晶鋁矽合金變質劑的質量百分比為Al10%~50%、P1%~10%、Cu20%~50%、Fe＜0.5%、Re＜0.5%、其他＜0.5%；其製備過程的步驟依次包括(1)製備Al-Cu-P複合粉末；(2)將Al-Cu-P複合粉末模具中壓製成型；(3)將成型的Al-Cu-P進行燒結，製成過共晶鋁矽合金變質劑。本發明所製備的變質劑，變質溫度低，變質時間短，可以實現在線變質，添加量少，並且加入時無煙氣產生，磷吸收率高，汙染性氣體少，生產工藝簡單，經濟效益明顯，是一種綠色、無汙染、高效、穩定，成本低廉的新型過共晶鋁矽合金變質劑。
文檔編號C22C30/02GK102560221SQ201110372148
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者張道, 朱君罡, 王松森, 肖陽 申請人:中國鋁業股份有限公司