一種變質過共晶鋁矽合金及其製備方法與流程
2023-11-09 11:43:53
本發明屬於過共晶鋁矽合金的變質技術領域，尤其涉及一種變質過共晶鋁矽合金及其製備方法。
背景技術：
過共晶鋁矽合金因良好的導熱性、低密度、低的熱膨脹係數及良好的流動性，被作為傳統鑄鐵的理想替代材料，用來生產汽車發動機活塞、缸體缸蓋等零部件，以減輕自重，降低耗油量，實現節能環保的目的。但傳統鑄造的過共晶鋁矽合金中存在粗大塊狀、不規則五瓣星狀的初生Si及粗大針片狀共晶Si，它們分布在合金基體上，嚴重割裂了基體的連續性，且尖端存在應力集中，降低了合金的力學性能。因此，變質過共晶鋁矽合金中的Si相，對提高合金的力學性能及擴大合金材料的使用範圍至關重要。
目前，過共晶鋁矽合金的變質方法主要有熔體處理、動力學法、快速凝固和化學變質。其中，化學變質法因工藝簡單、技術成熟、生產成本低、變質效果良好等優點被廣泛地應用於工業生產，但也存在一定的缺陷。例如，大量使用的磷鹽和鈉鹽對過共晶鋁矽合金有明顯的變質效果，但它們只能各自變質初生Si和共晶Si組織，若採用兩者複合變質的方法，反而會對合金組織產生毒化作用，不能起到變質Si相的效果。
因此，素有「工業維生素」之稱的稀土元素因其極大的電負性和極強的活性吸附能力被作為新型變質劑而廣泛的研究，以實現對初生Si和共晶Si的同時變質，從而提高合金的力學性能。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種綜合性能優良的變質過共晶鋁矽合金。
本發明的再一目的在於提供上述變質過共晶鋁矽合金的製備方法。
本發明是這樣實現的，一種變質過共晶鋁矽合金，該變質過共晶鋁矽合金包括以下按質量百分比計各組分：
矽 18%~22%；
混合稀土 0.8%~1.2%；
餘量為鋁；
其中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土；所述輕稀土和重稀土的質量比為（3~7）：（7~3）。
優選地，所述混合稀土的質量百分比為1%。
優選地，所述輕稀土和重稀土的質量比為3：7、2：3、1：1、3：2或7：3。
本發明進一步提供了一種變質過共晶鋁矽合金的製備方法，該方法包括以下步驟：
（1）將純鋁錠和結晶矽在在780℃~800℃溫度下加熱至全部熔化後保溫5~10min，在740℃~760℃溫度下保溫9~11min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至700℃~750℃時，將C2Cl6用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於710℃~720℃澆注成形，製得過共晶鋁矽合金；所述C2Cl6的加入量為熔體質量的0.8%；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在780℃~800℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔5~6min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在760℃~780℃溫度下保溫25~35min，得到變質過共晶鋁矽合金；所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，所述輕稀土和重稀土的質量比為（3~7）：（7~3）；
所述變質過共晶鋁矽合金中，矽元素含量為18wt.%~22wt.%、混合稀土含量為0.8wt.% ~ 1.2wt.%，餘量為鋁。
優選地，所述變質過共晶鋁矽合金中混合稀土的含量為1wt.%。
優選地，在步驟（3）中，所述輕稀土和重稀土的質量比為3：7、2：3、1：1、3：2或7：3。
本發明克服現有技術的不足，提供一種變質過共晶鋁矽合金及其製備方法。本發明通過鋁、結晶矽填料熔化得到熔體，再對熔體進行精煉澆注，得到過共晶鋁矽合金，最後通過混合稀土對過共晶鋁矽合金進行變質後，得到變質過共晶鋁矽合金，而混合稀土由輕稀土和重稀土組成，輕稀土和重稀土之間的質量比範圍為（3~7）：（7~3），通過調節輕稀土和重稀土之間的質量比，能得到一系列綜合性能優良的變質過共晶鋁矽合金。
相比於現有技術的缺點和不足，本發明具有以下有益效果：
（1）本發明變質過共晶鋁矽合金塑性更高，具有更大抗拉強度和延伸率，分別能達到143MPa和2.79%；
（2）本發明製備方法簡單易操作。
附圖說明
圖1為本發明實施例中過共晶鋁矽合金3的初生Si微觀形貌圖；
圖2為本發明實施例中變質過共晶鋁矽合金3的初生Si微觀形貌圖；
圖3為本發明實施例中過共晶鋁矽合金3的共晶Si微觀形貌圖；
圖4為本發明實施例中變質過共晶鋁矽合金3的共晶Si微觀形貌圖；
圖5為本發明實施例中過共晶鋁矽合金3的拉伸斷口形貌圖；
圖6為本發明實施例中變質過共晶鋁矽合金3的拉伸斷口形貌圖；
圖7為本發明實施例中過共晶鋁矽合金3、變質過共晶鋁矽合金1~5的抗拉強度和延伸率的變化圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1
（1）將工業鋁錠、工業結晶矽混合加入到Si-C棒坩堝爐中，在780℃溫度下加熱至全部熔化後，在760℃溫度下保溫9min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至750℃時，將C2Cl6（C2Cl6的添加量為熔體質量的0.7%）用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於710℃澆入到金屬模具中凝固成型，製得過共晶鋁矽合金1；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在800℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔5min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在780℃溫度下保溫25min，得到變質過共晶鋁矽合金1。
在步驟（3）中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，輕稀土和重稀土的質量比為3：7。
本實施例中工業鋁錠、工業結晶矽、混合稀土的用量根據變質過共晶鋁矽合金中各組分含量進行確定。其中，變質過共晶鋁矽合金1，矽元素含量為22wt.%、混合稀土含量為0.8wt.%，餘量為鋁。
實施例2
（1）將工業鋁錠、工業結晶矽混合加入到Si-C棒坩堝爐中，在800℃溫度下加熱至全部熔化後，在740℃溫度下保溫11min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至700℃時，將C2Cl6（C2Cl6的添加量為熔體質量的0.9%）用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於720℃澆入到金屬模具中凝固成型，製得過共晶鋁矽合金2；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在780℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔6min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在760℃溫度下保溫35min，得到變質過共晶鋁矽合金2。
在步驟（3）中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，輕稀土和重稀土的質量比為2：3。
本實施例中工業鋁錠、工業結晶矽、混合稀土的用量根據變質過共晶鋁矽合金中各組分含量進行確定。其中，變質過共晶鋁矽合金2，矽元素含量為18wt.%、混合稀土含量為1.2wt.%，餘量為鋁。
實施例3
（1）將工業鋁錠、工業結晶矽混合加入到Si-C棒坩堝爐中，在800℃溫度下加熱至全部熔化後，在740℃溫度下保溫11min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至700℃時，將C2Cl6（C2Cl6的添加量為熔體質量的0.8%）用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於720℃澆入到金屬模具中凝固成型，製得過共晶鋁矽合金3；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在780℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔5min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在760℃溫度下保溫30min，得到變質過共晶鋁矽合金3。
在步驟（3）中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，輕稀土和重稀土的質量比為1：1。
本實施例中工業鋁錠、工業結晶矽、混合稀土的用量根據變質過共晶鋁矽合金中各組分含量進行確定。其中，變質過共晶鋁矽合金3，矽元素含量為20wt.%、混合稀土含量為1wt.%，餘量為鋁。
實施例4
（1）將工業鋁錠、工業結晶矽混合加入到Si-C棒坩堝爐中，在800℃溫度下加熱至全部熔化後，在740℃溫度下保溫11min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至700℃時，將C2Cl6（C2Cl6的添加量為熔體質量的0.8%）用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於720℃澆入到金屬模具中凝固成型，製得過共晶鋁矽合金4；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在780℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔5min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在760℃溫度下保溫30min，得到變質過共晶鋁矽合金4。
在步驟（3）中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，輕稀土和重稀土的質量比為3：2。
本實施例中工業鋁錠、工業結晶矽、混合稀土的用量根據變質過共晶鋁矽合金中各組分含量進行確定。其中，變質過共晶鋁矽合金4，矽元素含量為20wt.%、混合稀土含量為1wt.%，餘量為鋁。
實施例5
（1）將工業鋁錠、工業結晶矽混合加入到Si-C棒坩堝爐中，在800℃溫度下加熱至全部熔化後，在740℃溫度下保溫10min，得到熔體；
（2）對步驟（1）中的熔體進行降溫至700℃時，將C2Cl6（C2Cl6的添加量為熔體質量的0.8%）用鋁箔包覆壓入到熔體中，攪拌精煉、除渣除氣，扒渣後於720℃澆入到金屬模具中凝固成型，製得過共晶鋁矽合金5；
（3）將步驟（2）中的過共晶鋁矽合金在780℃溫度下熔化，加入混合稀土，每隔6min攪拌一次，至混合稀土全部熔化後，在760℃溫度下保溫35min，得到變質過共晶鋁矽合金5。
在步驟（3）中，所述混合稀土包括輕稀土和重稀土，輕稀土和重稀土的質量比為7：3。
本實施例中工業鋁錠、工業結晶矽、混合稀土的用量根據變質過共晶鋁矽合金中各組分含量進行確定。其中，變質過共晶鋁矽合金4，矽元素含量為20wt.%、混合稀土含量為1wt.%，餘量為鋁。
效果實施例
1、過共晶鋁矽合金3與變質過共晶鋁矽合金3的初生Si微觀形貌比較試驗
本發明採用活性輕稀土元素Pr和重稀土元素Y變質過共晶鋁矽合金，通過稀土原子在Si相結晶界面前沿的富集，增大過冷度，促進形核並抑制Si相的長大；另外，稀土Pr和Y在Al和Si中的固溶度極其有限，在合金凝固過程中被推到Si相生長的界面前沿，誘導Si晶體形成高密度的孿晶凹槽，使Si晶體轉變為各向同性生長，因此有效的變質了過共晶鋁矽合金中的Si相，使得初生矽尺寸從未變質前的96微米（圖1）減小到41微米（圖2），同時，混合稀土變質劑也能有效的將粗大的針片狀共晶矽（圖3）變質為類蠕點狀（圖4），從而實現了同時變質過共晶鋁矽合金中Si相的作用。
2、過共晶鋁矽合金3與變質過共晶鋁矽合金3的拉伸斷口比較試驗
本發明合金的拉伸斷口形貌如圖5和圖6所示。由圖5可看出在未變質時，過共晶鋁矽合金表現為典型的脆性穿晶斷裂，而當輕稀土Pr與重稀土Y的比例為1:1時，合金的斷裂表現為帶有些許韌窩的韌脆混合斷裂（圖6），宏觀表現為合金塑性的提高。這是因為經過稀土元素對初生Si和共晶Si組織的變質，從而使得過共晶鋁矽合金的抗拉強度和延伸率均有顯著的提高，對合金的綜合力學性能有明顯的改善。
3、過共晶鋁矽合金3、變質過共晶鋁矽合金1~5的抗拉強度和延伸率的變化圖
對過共晶鋁矽合金3、變質過共晶鋁矽合金1~5進行室溫拉伸試驗，合金抗拉強度和延伸率的變化，如圖7所示，可以發現當輕稀土Pr與重稀土Y按1:1的比例混合時，變質過共晶鋁矽合金具有最大的抗拉強度和延伸率，它們的值分別是143MPa和2.79%，與未變質時過共晶鋁矽合金3的93MPa和1.12%相比，抗拉強度和延伸率分別提高了53.8%和1.12%。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。