专利名称：微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金及制备方法
技术领域：
本发明涉及微纳米铝合金制造技术，具体涉及一种组织为微纳米基体上自生枝 晶组织的铝合金及制备方法。
背景技术：
按照成型类别，铝合金一般分为变形铝合金、铸造铝合金、粉末冶金铝合金， 其中，铸造铝合金占75 80%。按照主要合金元素的不同，铸造铝合金一般分为四类 Al-Zn系合金，有自然时效倾向、强度较高、密度大、耐蚀性差、热裂倾向大、生产时 对环境污染较大，现在一般不用，如ZL401、ZL402等。Al-Mg系合金强度较高、延性 韧性好、具有稳定的抗蚀性和良好的加工性能，但是裂纹倾向大、熔化工艺复杂、有自 然时效倾向，一般为不可热处理强化的铝合金，如我国的ZL301等。Al-Cu系合金强度 高，切削性能良好，在砂型铸造条件下，室温拉伸强度可达400-500MPa，是目前强度性 能最高的铸造铝合金，如ZL201。Al-Si系合金占铸造铝合金的70%，具有良好的铸造 性能、稳定的抗蚀性、中等的切削性能，中等的强度(280-320MPa)、如我国的ZL107、 ZL109、美国的319、英国的LM21。在铸造铝硅合金系列中，共晶和过共晶铝硅合金具 有高强度、高耐磨性、低的热膨胀系数及优良的铸造性能，是制造发动机缸体衬套、活 塞、空调压缩机等高性能耐磨部件的优质材料。在常规铸造条件下，共晶和过共晶铝硅合金组织为块状初生Si+ (α-Al+Si)共 晶组织，块状初生Si的尺寸大约为25-100 μ m，使合金的韧性和机械加工性能降低。近 年来，如何利用快速成型技术改变铝硅合金中硅相的形态和尺寸，提高铝硅合金的切削 加工性、韧性及强度，已经成为研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有微纳米基体上自生枝晶组织的铝硅合金及其制 备方法。该发明所制备的铝合金，微观组织中初生相为自生的树枝状a-Al，晶粒小于 lym；基体为微纳米晶，硅相呈微纳米级短杆状分布于基体中，枝晶主要生长方向上的 长度小于500nm，衍射斑点呈晕环状。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为将重量百分比Si: 12-25%、 Ti: 0.1-0.3%、Mg 0.5-1.0%、其余为Al的原材料按所需量进行计算、称重，在电阻炉
中熔炼得到棒状铸态母合金，在单辊旋铸机上将母合金制备成微纳米基体上自生枝晶组 织的条状铝硅合金。一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金的制备方法，由多晶硅、纯铝、铝钛 合金、纯镁、富铈混合稀土和磷组成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、纯铝 73.7-87.4%,铝钛合金0.1-0.3%、纯镁0.5_1.0%，富铈混合稀土和磷的加入量是多晶 硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%。其制备方法如下一、熔炼，按重量将多晶硅12-25%、纯铝73.7-87.4%、铝钛合金0.1_0.3%，依序加 入电阻炉的无铁坩埚中，温度600-750°C，加热熔化；
二、多晶硅、纯铝和铝钛合金熔化后，将无铁坩锅内的温度升至800°C，后按坩埚中 物料的总重量加入富铈混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，进行变质处理；
三、变质处理后，进行吹氩除气，温度770-790°C；
四、用钟罩向坩埚中压入0.5-1.0%的纯镁，温度760-780°C，搅拌1一 5分钟；
五、将温度降为750-770°C，静置5-10分钟，出埚浇注，浇注成直径20_40mm、长 100-150mm的棒状铸态母合金；
六、将铸态母合金置于直径为30-50mm的石英管中，石英管底部的喷嘴设有开口， 开口宽度2-2.5_，长度与石英管直径相同；
七、在石英管中将铸态母合金感应加热至全部熔化，铸态母合金熔化后，以熔化温 度点为准，再将温度提高50-100°C，进行过热温度处理；
八、旋铸，旋铸时石英管底部的喷嘴与辊轮的间隙为0.4-0.5mm，辊轮转速 1600-1800r/min,吹入氩气，压力为0.3_0.5Mpa，旋铸后得到条状的具有微纳米基体上 生成枝晶组织的铝合金。一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金的制备方法制得的产品，铝合金材料 由多晶硅、纯铝、铝钛合金、纯镁、富铈混合稀土和磷组成，各物料的重量百分比是 多晶硅12.5%、纯铝86.5%、铝钛合金0.2%、纯镁0.8% ；富铈混合稀土和磷的加入量是 多晶硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.6%和0.08%。所述的铝合金，其形状为带状。所述的过热温度，过热温度对本技术领域的人员来说，通常是指在金属材料的 熔化中，将其材料的熔化温度点为熔化温度，熔化后，为进一步提高材料的质量，需对 熔化后的温度再行提高，即在压制成型前再提高其材料的温度，以熔化温度为基准所提 高的温度点，为过热温度。所述的变质处理，变质，在本技术领域中，技术人员为提高金属材料的质量， 改变其微观晶体的分布，一般采用向所制备的材料中添加某一种物质元素的材料，生成 一种晶粒，实现其质量改变和提高的目的，这种处理过程，本技术领域的人员称之为变 质处理。结合本案，具体的说是将微观组织中初生相为自生的树枝状α-Al，晶粒小 于lym，基体为微纳米晶，硅相呈微纳米级短杆状分布于基体中，枝晶主要生长方向上 的长度小于500nm，衍射斑点呈晕环状。本发明的有益效果
利用粉末冶金及喷射沉积法技术制备的Al-Si合金的组织中，虽然，通过合金熔体的 快速冷却使合金在很大的过冷度下发生高生长速率的凝固，可以减少晶粒尺寸，细化微 观组织，改善硅相的形态，初生Si由块状变为颗粒状，尺寸减到10 μ m以下，并提高合 金元素在基体中的固溶度，提高其性能。但初生相仍然为硅相，性能提高有限。
该发明所研制微纳米基体上自生枝晶组织的铝合金，硅相晶粒尺寸达到微纳米 级分布于基体中，提高合金的切削加工性，细小微米级的α-Al枝晶有利用合金强度和 韧性的提高，使合金表现出优异的性能。
具体实施例方式一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金的制备方法，由多晶硅、纯铝、铝钛 合金、纯镁、富铈混合稀土和磷组成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、纯铝 73.7-87.4%,铝钛合金0.1-0.3%、纯镁0.5_1.0%，富铈混合稀土和磷的加入量是多晶 硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%。其制备方法如下
一、熔炼，按重量将多晶硅12-25%、纯铝73.7-87.4%、铝钛合金0.1_0.3%，依序加 入电阻炉的无铁坩埚中，温度600-750°C，加热熔化；
二、多晶硅、纯铝和铝钛合金熔化后，将无铁坩锅内的温度升至800°C，后按坩埚中 物料的总重量加入富铈混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，进行变质处理；
三、变质处理后，进行吹氩除气，温度770-790°C；
四、用钟罩向坩埚中压入0.5-1.0%的纯镁，温度760-780°C，搅拌1一 5分钟；
五、将温度降为750-770°C，静置5-10分钟，出埚浇注，浇注成直径20_40mm、长 100-150mm的棒状铸态母合金；
六、将铸态母合金置于直径为30-50mm的石英管中，石英管底部的喷嘴设有开口， 开口宽度2-2.5mm，长度与石英管直径相同；
七、在石英管中将铸态母合金感应加热至全部熔化，铸态母合金熔化后，以熔化温 度点为准，再将温度提高50-100°C，进行过热温度处理；
八、旋铸，旋铸时石英管底部的喷嘴与辊轮的间隙为0.4-0.5mm，辊轮转速 1600-1800r/min,吹入氩气，压力为0.3_0.5Mpa，旋铸后得到条状的具有微纳米基体上 生成枝晶组织的铝合金。实施例1
将重量百分比多晶硅12%、铝钛合金0.1%、纯镁0.5%、纯铝87.4%的原材料按所需 量进行计算、称重。将多晶硅12.5%、纯铝87.4%、铝钛合金0.1%按顺序放入电阻炉的无铁坩埚 中，加热熔化并进行搅拌，全部熔化后温度升至800°C，后按坩埚中物料的总重量加入富 铈混合稀土 0.5%和磷0.07%，进行变质处理，780°C时进行吹氩除气，扒渣后温度升至 780°C时，用钟罩将纯镁0.5%压入坩埚中，搅拌，扒渣，温度至760°C时，静置5分钟， 浇注成直径30mm、长120mm的棒状母合金。将铸态母合金置于直径为40mm的石英管中，石英管底部喷嘴开口宽度2.0mm， 长度与石英管直径相同；母合金感应加热至全部熔化，过热80°C;旋铸时喷嘴距辊轮间 隙为0.4mm，辊轮转速1700r/min，吹入氩气压力为0.4Mpa ；得到条状的具有微纳米基 体上生成枝晶组织的铝合金。实施例2
将重量百分比多晶硅25%、铝钛合金0.3%、纯镁1.0%、纯铝73.7%的原材料按所需 量进行计算、称重。将多晶硅25%、纯铝73.7%、铝钛合金0.3%按顺序放入电阻炉的无铁坩埚中， 加热熔化并进行搅拌，全部熔化后温度升至800°C，后按坩埚中物料的总重量加入富铈混 合稀土 0.7%和磷0.09%，进行变质处理，780°C时进行吹氩除气，扒渣后温度升至780°C时，用钟罩将纯镁1.0%压入坩埚中，搅拌，扒渣，温度至760°C时，静置5分钟，浇注 成直径30mm、长120mm的棒状母合金。将铸态母合金置于直径为40mm的石英管中，石英管底部喷 嘴开口宽度2.0mm， 长度与石英管直径相同；母合金感应加热至全部熔化，过热80°C;旋铸时喷嘴距辊轮间 隙为0.4mm，辊轮转速1700r/min，吹入氩气压力为0.4Mpa ；得到条状的具有微纳米基 体上生成枝晶组织的铝合金。实施例3
将重量百分比Si: 22%、Ti: 0.3%、Mg: 0.6%、A177.1 %的原材料按所需量进行计
算、称重。按重量将多晶硅22%、纯铝77.1%、铝钛合金0.3%，依序放入电阻炉的无铁坩 埚中，加热熔化，熔化中进行搅拌，全部熔化后，温度升至800°C，后按坩埚中物料的总 重量加入富铈混合稀土 0.6%和磷0.08%，进行变质处理，780°C时进行吹氩除气，扒渣 后温度升至780°C，用钟罩将纯镁0.6%压入坩埚中，搅拌，扒渣，温度至760°C，静置8 分钟，浇注成直径40mm、长150mm的棒状母合金。将铸态母合金置于直径为50mm的石英管中，石英管底部喷嘴开口宽度2.2mm， 长度与石英管直径相同；母合金感应加热至全部熔化，过热60°C;旋铸时喷嘴距辊轮间 隙为0.5mm，辊轮转速1800r/min，吹入氩气压力为0.5Mpa ；得到条状的具有微纳米基 体上生成枝晶组织的铝合金。实施例4
将重量百分比多晶硅18%、铝钛合金0.2%、纯镁0.75%、纯铝81.05%的原材料按所
需量进行计算、称重。将多晶硅18%、纯铝81.05%、铝钛合金0.2%按顺序放入电阻炉的无铁坩埚中， 加热熔化并进行搅拌，全部熔化后温度升至800°C，后按坩埚中物料的总重量加入富铈混 合稀土 0.6%和磷0.08%，进行变质处理，780°C时进行吹氩除气，扒渣后温度升至780°C 时，用钟罩将纯镁0.75%压入坩埚中，搅拌，扒渣，温度至760°C时，静置5分钟，浇注 成直径30mm、长120mm的棒状母合金。将铸态母合金置于直径为40mm的石英管中，石英管底部喷嘴开口宽度2.0mm， 长度与石英管直径相同；母合金感应加热至全部熔化，过热80°C;旋铸时喷嘴距辊轮间 隙为0.4mm，辊轮转速1700r/min，吹入氩气压力为0.4Mpa ；得到条状的具有微纳米基 体上生成枝晶组织的铝合金。
权利要求
1.一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金的制备方法，其特征在于由多晶 硅、纯铝、铝钛合金、纯镁、富铈混合稀土和磷组成，各物料的重量百分比是多晶硅 12-25%、纯铝73.7-87.4%、铝钛合金0.1-0.3%、纯镁0.5-1.0%，富铈混合稀土和磷的加 入量是多晶硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%，制备方法如下一、熔炼，按重量将多晶硅12-25%、纯铝73.7-87.4%、铝钛合金0.1_0.3%，依序加 入电阻炉的无铁坩埚中，温度600-750°C，加热熔化；二、多晶硅、纯铝和铝钛合金熔化后，将无铁坩锅内的温度升至800°C，后按坩埚中 物料的总重量加入富铈混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，进行变质处理；三、变质处理后，进行吹氩除气，温度770-790°C；四、用钟罩向坩埚中压入0.5-1.0%的纯镁，温度760-780°C，搅拌1一 5分钟；五、将温度降为750-770°C，静置5-10分钟，出埚浇注，浇注成直径20_40mm、长 100-150mm的棒状铸态母合金；六、将铸态母合金置于直径为30-50mm的石英管中，石英管底部的喷嘴设有开口， 开口宽度2-2.5mm，长度与石英管直径相同；七、在石英管中将铸态母合金感应加热至全部熔化，铸态母合金熔化后，以熔化温 度点为准，再将温度提高50-100°C，进行过热温度处理；八、旋铸，旋铸时石英管底部的喷嘴与辊轮的间隙为0.4-0.5mm，辊轮转速 1600-1800r/min,吹入氩气，压力为0.3_0.5Mpa，旋铸后得到条状的具有微纳米基体上 生成枝晶组织的铝合金。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金的制备方法制 得的产品，其特征在于铝合金材料由多晶硅、纯铝、铝钛合金、纯镁、富铈混合稀 土和磷组成，各物料的重量百分比是多晶硅12.5%、纯铝86.5%、铝钛合金0.2%、 纯镁0.8%;富铈混合稀土和磷的加入量是多晶硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.6%和 0.08%。
全文摘要
一种微纳米基体上生成枝晶组织的铝合金及制备方法，由多晶硅、纯铝、铝钛合金、纯镁、富铈混合稀土和磷组成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、纯铝73.7-87.4％、铝钛合金0.1-0.3%、纯镁0.5-1.0%，富铈混合稀土和磷的加入量是多晶硅、纯铝和铝钛合金的总重量的0.5-0.7％和0.07-0.09％；制备方法将多晶硅、纯铝、铝钛合金依序放入无铁坩埚中，熔化后，温度升至800℃，后加入富铈混合稀土和磷，780℃吹氩除气，后加入纯镁，温度760℃，浇注成直径30mm、长120mm的棒状母合金，将铸态母合金置于石英管中，感应加热至全部熔化，过热80℃；旋铸，得到产品。本发明，硅相晶粒达到微纳米级分布于基体中，提高了合金的切削加工性，微米级的α-Al枝晶有利用合金强度和韧性的提高，使合金表现出优异的性能。
文档编号C22C21/04GK102011034SQ20101060501
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月25日 优先权日2010年12月25日
发明者李洛利, 李继文, 王文焱, 王爱琴, 谢敬佩 申请人:河南科技大学