鑄造高矽鋁矽合金的雙重變質劑的製作方法
2023-05-30 17:54:26
專利名稱：鑄造高矽鋁矽合金的雙重變質劑的製作方法
技術領域：
本發明屬於冶金及金屬材料行業中有色金屬合金熔體處理工藝所使用的變質劑。
鋁矽合金的成分按重量百分比，Si＝12.6％時為共晶成分，在組織中是Si與α-Al相的共晶體，此Si稱為共晶Si。含Si量小於12.6％的Al-Si合金為亞共晶Al-Si合金。大於12.6％為過共晶Al-Si合金，在凝固時是先結晶出初晶Si，然後再發生共晶凝固，形成共晶體。因此過共晶Al-Si合金的組織由初晶Si相加上共晶組織(共晶Si+α-Al相)兩部分組成。過共晶Al-Si合金作為鑄造鋁合金中的重要一種，在工業上具有重要的用途。含Si量為16～26％或以上的過共晶鋁矽(Al-Si)合金，實質上是一種複合良好的自生Si顆粒增強鋁基複合材料。Si的硬度雖略低於SiC及Al2O3等陶瓷，但Si的熱膨脹係數更低，導熱係數大，重量輕，與Al液互溶，熔煉及成形都更容易。過共晶Al-Si合金的α基體較軟，而Si相很硬，是典型的軟基體上分布硬質點的耐磨材料，具有高耐磨性、耐熱性及低熱膨脹係數等優點，在汽車等行業中具有廣泛的用途。可利用過共晶Al-Si合金製造摩託車、汽車發動機活塞、汽缸套、油泵外殼和排氣管，以及壓縮機的機體、滑閥，離合器外殼，等等。但是，用鑄造法生產過共晶Al-Si合金鑄件時，凝固過程中容易形成粗大的初晶Si，從而使這種材料的強度很低(金屬型鑄造時σb＝150N/mm2左右)，而且硬質點的粗大初晶Si使切削加工性能很差，加工件的表面粗糙度大。即使合金中Si含量越高耐磨性越好，但Si含量越高初晶Si也越易粗大。即使在澆注前在熔體中加入磷(P)進行變質處理，金屬型時初晶Si的尺寸也一般在40～100μm，難以做到小於30μm，難以達到提高強度及改善加工性的目的。研究已表明，若複合材料中增強顆粒的尺寸小於20μm時，材料的加工性顯著改善，強度明顯提高。
至今為止我國對過共晶Al-Si合金的研究開發較少。現有國家標準的合金牌號的含矽量都較低，如ZL108、ZL109牌號的含Si量最多到13％。因含Si量低，材料的耐熱性及耐磨性較低。其原因是現有的變質技術不能將高Si含量的Al-Si合金的初晶Si細化到容易機械加工的水平，Si顆粒大，難以加工，同時對刀具的磨損也大。
為了改善鋁矽合金材料的加工性能，需要對合金中的初晶Si和共晶Si進行微細化變質處理，能夠使初晶Si細化的初晶矽變質劑，被廣泛應用的是P變質劑，通常以磷銅或磷鹽形式加入。磷變質劑的變質機理，大多認為P與Al形成AlP，起初晶Si的異質核心。但這一類型的變質劑不盡如人意，不僅汙染環境，而且其變質效果也受到一個下限的限制，即對於含矽量16～24％的高矽Al-Si合金，採用磷變質劑，初晶矽尺寸難以達到小於30μm。研究發現，S元素也具有細化初晶矽的作用，變質效果良好，但生產中應用含硫的變質劑會汙染環境，對初晶Si的細化程度與P相當。
對於亞共晶、共晶Al-Si合金的共晶Si的變質元素，目前已被廣泛研究，並被證明行之有效的是Na、Sr、Sb。國內生產中應用最廣泛的是Na變質劑，由鈉鹽和鉀鹽混合而成。與鈉鹽變質劑相比，Sr變質有如下優點長效性和重熔性較好，而且不汙染環境。因而鍶變質工藝得到迅速發展。但鍶變質過程中易於出現鍶吸收率低，潛伏期長，鑄件易於出現氣孔等問題。鍶變質工藝大多以中間合金Al-Sr的形式加入。工業生產中，常用的鍶變質劑為含鍶10％的Al-Sr合金，融化範圍654～770℃，易於吸收，回收率70～80％，易保存。
對於過共晶Al-Si合金，理想的變質劑是既能使初晶Si細化又對共晶Si具有變質效果，即雙重變質。國內曾有人試驗過P-RE複合變質劑(張衛文等，中國有色金屬學報，1995(1)59；宋勇敏等，兵器材料科學與工程，1994(2)37)，但稀土(RE)對共晶Si的變質作用很小，且加入量大。加入稀土的主要目的是提高耐熱性，初晶Si＞30μm。
也有人試驗過P-S(0.1％P-0.5％S)複合變質劑(全燕鳴，輕合金加工技術，1996(2)26)，具有雙重變質的效果。但這種方法並不能使初晶Si細化到小於30μm的程度，而關鍵的問題是，在環保要求越來越嚴的今天，以不用S為好。
日本人最先試驗P-Na複合變質劑(大參等，《輕金屬》，1992(3)132)，具有一定的雙重變質效果。但仍然存在著P變質的缺陷，並且過共晶Al-Si合金的處理溫度較高，Na的共晶Si變質效果大受影響，且衰退很快。
本發明的目的是找到一種變質劑，以獲得比傳統的變質方法更細的初晶Si，同時能夠細化共晶Si，以顯著提高該種材料的強度及加工性。本發明通過提供一種含有磷(P)、鍶(Sr)、氧(O)的變質劑達到上述目的。
本發明的鑄造高矽鋁矽合金的雙重變質劑，含有鍶，其特徵為(1)其組成成分的重量百分比中P＝10～30％，Sr＝10～40％，O＝5～40％，餘為滷化物緩衝熔劑，(2)所述組成成分P以單質或磷鹽形式提供，組成成分Sr以SrCl2或SrO2形式提供，(3)所述組成成分O以氧化物形式提供，其中被氧化元素和氧的親合力比鋁氧親合力低，(4)組成成分諸原料經過烘乾去除水分後機械混合。
所述的雙重變質劑，其進一步的特徵為(1)所述磷鹽可以是PCl5或者PNCl2，(2)所述氧化物可以從下述氧化物中選擇V2O5、TiO2、Cr2O3、CuO、ZnO、SiO2，(3)所述滷化物緩衝熔劑可以是Na2SiF6、Na3AlF6或KCl。
上述的雙重變質劑，所述烘乾溫度可以是(200±20)℃、烘乾時間可以為1-2小時。
本發明的變質劑主要用於含Si 12-30％以至更高含量的高矽Al-Si合金的變質處理，變質劑用量為金屬液重量的1～2.5％，其使用工藝一般為將Al-Si合金熔化並調整好成分後，先進行除氣處理，然後在820～860℃加入變質劑。停留10～20分鐘後，在800～850℃澆注鑄件。
採用本發明的雙重變質劑後，與傳統的P變質工藝相比，可使含矽16～26％的過共晶Al-Si合金的初晶矽的平均尺寸細化到小於20μm，同時能夠對共晶Si進行變質。
圖1所示為Al-20％Si-0.4％Mg合金無任何變質時的金相組織，澆注的試樣為直徑20mm、長100mm的金屬型試樣，澆注溫度為820℃。由圖可見，初晶Si最大的尺寸可達100μm，平均為70～80μm左右；共晶Si呈粗大的板條狀。圖2為相同的Al-20％Si-0.4％Mg合金，採用傳統的磷銅(Cu-10％P)變質時的金相組織，此時雖然初晶Si被細化，但大小仍在40～50μm；而且，共晶Si仍然呈現板條狀。圖3所示為同樣的Al-20％Si-0.4％Mg合金，採用本發明的雙重變質劑(P-Sr-O變質劑)時，初晶Si平均尺寸細化到小於20μm，共晶Si也變成了粒狀，為典型的共晶Si變質組織。
採用本發明的雙重變質劑，與傳統的P變質工藝相比，材料的抗拉強度可以提高10～20％，延伸率提高5～20％。對於Al-20％Si-0.4％Mg合金，採用本發明的雙重變質劑時，金屬型試樣經過T6熱處理後，抗拉強度σb可達230～250MPa，而傳統的P變質處理的抗拉強度一般小於200MPa。對性能的提高效果還可參見後面的實施例。
採用本發明雙重變質劑後，高Si含量的過共晶Al-Si合金材料的切削加工性能明顯改善，採用普通刀具就可進行加工，對刀具的磨損大幅減少。
本發明的雙重變質劑的使用方法和傳統的變質劑的使用方法相同，工藝簡單，操作方便。
圖1，Al-20％Si-0.4％Mg合金無變質處理的金相組織圖。
圖2，Al-20％Si-0.4％Mg合金P變質處理的金相組織圖。
圖3，Al-20％Si-0.4％Mg合金使用本發明變質劑處理的金相組織圖。
實施例1按重量百分比雙重變質劑的成分選擇為P＝20％，Sr＝30％，O＝30％，提供組成成分P的原料為PCl5，提供組成成分Sr的原料為SrCl2，提供組成成分氧的原料為氧化銅，餘為緩衝熔劑氟矽酸鈉，原料經200℃烘烤1小時後，機械混合，備用。
過共晶Al-Si合金的化學成分選擇如下Si24％；Cu1％；Mn0.5％；Mg0.4％；Fe，＜0.25％；餘為Al。
合金錠在電阻坩堝爐內熔化後，700℃左右加入Mg。780℃左右加入無毒精煉劑(市售)除氣後，迅速升溫至850℃。加入P-Sr-O雙重變質劑，加入量為鋁液重量的1.5％。稍微攪拌後，靜置15分鐘。在830℃下澆注試樣。抗拉試樣等的金屬型先預熱到200℃左右。
上述過共晶Al-Si合金的金相檢驗及機械性能檢驗結果如下表。
實例例2按重量百分比雙重變質劑的成分選擇為，P＝15％，Sr＝25％，O＝20％，提供組成成分P的原料為單質P，提供組成成分Sr的原料為SrO2，提供組成成分氧的原料為二氧化矽，餘為緩衝熔劑氯化鉀。
原料經180℃烘烤2小時後，機械混合，備用。
過共晶Al-Si合金的化學成分選擇如下Si16％；Cu0.5％；Mn0.3％；Mg0.4％；Fe，＜0.25％；餘為Al。
按上述合金成分，配料重量為5kg。合金錠在電阻坩堝爐內熔化後，700℃左右加入Mg0.4％。780℃左右利用Ar氣，經過旋轉除氣裝置對鋁液除氣後，迅速升溫至830℃。加入P-Sr-O雙重變質劑，加入量為60g，即為鋁液重量的1.2％。稍微攪拌後，靜置15分鐘。在820℃下澆注試樣。抗拉試樣等的金屬型先預熱到200℃左右。
上述過共晶Al-Si合金的金相檢驗及機械性能檢驗結果如下表。
權利要求
1.一種鑄造高矽鋁矽合金的雙重變質劑，含有鍶，其特徵為(1)其組成成分的重量百分比中P＝10～30％，Sr＝10～40％，O＝5～40％，餘為滷化物緩衝熔劑，(2)所述組成成分P以單質或磷鹽形式提供，組成成分Sr以SrCl2或SrO2形式提供，(3)所述組成成分O以氧化物形式提供，其中被氧化元素和氧的親合力比鋁氧親合力低，(4)組成成分諸原料經過烘乾去除水分後機械混合。
2.如權利要求1所述的雙重變質劑，其特徵為(4)所述磷鹽可以是PCl5或者PNCl2，(5)所述氧化物可以從下述氧化物中選擇V2O5、TiO2、Cr2O3、CuO、ZnO、SiO2，(6)所述滷化物緩衝熔劑可以是Na2SiF6、Na3AlF6或KCl。
3.如權利要求1或2所述的雙重變質劑，其特徵為所述烘乾溫度可以是(200±20)℃、烘乾時間可以為1-2小時。
全文摘要
鑄造高矽鋁矽合金的雙重變質劑,其組成成分按重量百分比為P10～30%、Sr10～40%、O5～40%,餘為緩衝熔劑,組成成分P以單質或磷鹽形式提供,Sr以SrCl
文檔編號C22C1/00GK1308142SQ0013119
公開日2001年8月15日 申請日期2000年11月30日 優先權日2000年11月30日
發明者吳樹森, 吳廣忠 申請人:華中科技大學