专利名称：强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金中相组织的方法
技术领域：
本发明涉及一种在过共晶铝硅合金凝固过程中通过施加强磁场和变质剂细化凝固组织中初晶硅和共晶硅的方法，属于凝固领域，其中包含有制备该种合金的装置。
背景技术：
进入21世纪，随着社会的进步，制造业的飞速发展，在节能、节材的要求下，各种零部件所采用的材料又进一步向着轻量化方向发展，以减轻自重、提高功率质量比为前提，从而达到高速、高效、节能和减轻污染的目的。特别是近几年随着汽车产业不断地发展，人们生活水平和环境意识的提高，减轻车体重量和减少环境污染已经逐渐引起人们的关注，并被人们所重视。由于具有高强、轻质、高耐磨高耐 热性、较低的热膨胀性以及良好的铸造性能和焊接性能，过共晶铝硅合金(13 50%硅，其余为铝)可以很好的代替传统的钢铁材料，成为汽车发动机缸体、活塞部件的首选材料，以满足汽车节能降耗的目标。但是，由于常规条件下制备的过共晶铝硅合金中通常存在五瓣星形状、板片状、八面体和其他复杂形貌的粗大初晶硅和粗大共晶硅，这些分布在合金基体中的较粗大初晶硅和共晶硅，在外力作用下，易引起局部应力集中而碎裂，显著降低了合金材料的韧性，阻碍了过共晶铝硅合金材料的发动机行业的应用。此外，由于合金中粗大的初晶硅和共晶硅硬而脆，在机械加工过程中将加快刀具的磨损，并影响机加工后零部件的表面光整度，且随着硅含量的提高这一问题表现更为突出，因此在汽车工业中，发动机缸体材料仍然没有采用广泛过共晶铝硅合金材料。为细化过共晶铝硅合金材料中的初晶硅和共晶硅组织，提高合金的力学性能，目前主要采用喷射成型、变质剂处理、半固态搅拌、快速凝固、电脉冲处理等方法。采用喷射成型技术，可以制备出硅含量达50%的过共晶高硅铝合金，且初晶硅颗粒尺寸可以细化到5-10um，但喷射成型技术的成本非常高，生产效率低，且难以成型复杂的零件，同时其致密性也不高，因此采用喷射成型制备的高硅铝合金产品尚不具市场竞争力；添加变质剂来细化过共晶铝硅合金凝固组织的方法已在工业上广泛应用，但一方面变质剂只能细化Si含量小于30%的Al-Si合金，且细化尺寸受到限制，一般只能将初晶硅颗粒的尺寸细化到30-50um,而对高娃招合金用于汽车发动机缸体材料、活塞材料而言,最佳的初晶娃尺寸为5-20um,因此采用变质剂处理的高硅铝合金仍然只能应用在要求较低的场合；半固态搅拌法由于难以使整个铸锭达到均匀的搅拌，从而使得铸锭在各区域的细化效果区别较大，且存在偏析，同时该方法也很难应用于复杂结构的零部件；快速凝固的方法可以得到晶粒十分细小的初晶硅组织，但其最大的问题在于冷却速度的提高必须以牺牲铸件尺寸为代价，对于复杂铸件和普通尺寸的铸件均不具备适应性，工业应用成本较高；电脉冲处理在过共晶铝硅合金凝固中具有一定的细化初晶硅的效果，但是，其细化程度仍然有限，而且无法作用于整个铸件区域。由此可见，过共晶铝硅合金铸件中的初晶硅组织和共晶硅组织的尺寸控制，目前仍然缺少有效的手段。
发明内容
鉴于目前各类制备过共晶铝硅合金方法中存在的一些问题，本发明旨在提供一种在过共晶铝硅合金凝固过程中施加强磁场和变质剂，通过其复合效应达到细化过共晶铝硅合金中相组织的方法和装置。为达到上述要求，本发明构思如下
本发明通过强磁场和变质剂的复合作用来完成对该类合金凝固过程的控制。首先，在过共晶铝硅合金凝固过程中添加变质剂，一方面，变质剂的加入能够形成某种高熔点化合物，其晶体结构和晶格常数与初晶硅相似，可以作为初晶硅的异质核心，晶核数目的增加使得初晶硅得到细化；另一方面，吸附在初晶硅生长表面的变质剂元素有效的抑制了初晶硅的孪晶凹槽生长机制(TPRE)，并且改变了初晶硅晶体的表面能以及初晶硅晶体界面前沿的固/液界面能，从而可以很好的细化晶粒，改善初晶硅形貌。此外，在过共晶铝硅合金熔体中添加变质剂的同时，施加一个强静磁场。由于强静磁场是一种能量密度很高的能量场，因 此，强静磁场的施加可以抑制过共晶铝硅合金凝固过程中硅的上坡扩散速率，因而可以抑制合金熔体中初晶硅相和共晶硅相的长大；另一方面，利用强磁场对导电熔体中第二相粒子运动的抑制作用，以及对导电熔体流动制动的效应，不但可以抑制熔体中初晶硅相的上浮，还可以减缓初晶硅相的碰撞凝并长大。强静磁场的施加，还将影响α铝相的共生过程。因此，通过强磁场和变质剂的复合作用，就可以显著细化过共晶铝硅合金凝固中的初晶硅和共晶硅尺寸，显著降低成分偏析，进而显著提升合金的韧性和力学性能。本发明采用下述技术方案
采用工业纯铝和结晶硅为原料，按照一定的质量百分比称量后放入坩埚进行熔配，待其完全溶化后，加入变质剂变质，静置一段时间使其充分反应，将变质后的合金液浇入压铸模事先置于超导磁体的强磁场区域中的压铸机中压铸，整套装置称为强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置。强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置由水冷套、超导磁体、浇包、压射冲头、压室、液态合金、定型、动型、喷嘴、型腔、反料冲头组成。超导磁体的磁感应强度可在O. l-20Tesla范围变化；超导磁体的室温口径为50mm-800mm ;施加的强磁场也可采用电磁铁技术、或比特技术、或混合磁体技术产生。将压铸机的压铸模置于超导磁体的强磁场区域中，需确保型腔中心与强磁场匀强区中心线重合，强磁场由超导技术产生，调节磁场发生装置使磁感应强度在O. 1-20T之间；将装有按一定质量比例分配的结晶硅和工业纯铝进行熔配，温度控制在700-75(TC之间，待其完全熔化后加入变质剂变质，静置20min使变质剂完全反应；将变质后的合金液通过浇包浇入压铸机中的压室，浇入压室中的合金液被已封住喷嘴孔的反料冲头托住，当压射冲头向下压到合金液面时，反料冲头开始下降打开喷嘴，合金液压入型腔；凝固后，关闭超导磁体，压射冲头退回，反料冲头上升，切断余料，并将其顶出压室，余料取走后，反料冲头再降到原位，然后开模取出过共晶铝硅合金压铸件。本发明中，变质剂可以是磷(赤磷)和稀土 RE的复合变质，也可以是含磷中间合金和稀土 RE的复合变质，还可以是磷盐和稀土 RE的复合变质；超导磁体产生的磁场可以是匀强磁场，也可以是梯度磁场；压铸模可以由无磁性不锈钢材料制成，也可以由无磁钢材料制成；压铸方式可以采用半固态压铸，也可以采用真空压铸，还可以采用充气压铸技术；本发明既可以适用于亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金，也适用于镁合金、铜合金、锌合金、镍合金以及其他铸造或锻造类合金系列相组织的控制；于此同时，强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置既可以与压力铸造的凝固过程结合，还可以与金属型重力铸造、Cosworth (考斯沃斯)法铸造、消失模铸造、精确砂型重力铸造、低压铸造及甩带铸造的凝固过程结合，从而可以制备高硅铝合金发动机活塞、缸体缸套及其他高强耐磨部件材料。本发明通过强磁场复合变质剂制备过共晶铝硅合金，相比于现有过共晶铝硅合金的制备技术，具有如下明显特点和优势
1、变质剂的加入能够形成某种高熔点化合物，其晶体结构与初晶硅相似，晶格常数与初晶硅相近，因此可以作为初晶硅异质形核的核心，晶核数目的增加使得初晶硅得到细化；
2、吸附在Si相表面的变质剂元素有效地抑制了Si相的孪晶凹槽生长机制(TPRE)，并且改变了 Si相的表面能以及Si相界面前沿的固/液界面能，因此可以很好的改善初晶硅和共晶娃的大小和形貌； 3、强静磁场的施加可以抑制过共晶铝硅合金凝固过程中硅的上坡扩散速率，因而可以抑制合金熔体中初晶硅相和共晶硅相的长大；
4、利用强磁场对导电熔体中第二相粒子运动的抑制作用，以及对导电熔体流动制动的效应，不但可以抑制熔体中初晶硅相的上浮，还可以减缓初晶硅相的碰撞凝并长大；
5、强磁场和变质剂的复合作用在细化初晶硅和共晶硅的同时，还作用于基体溶液，影响α铝相的共生过程，细化基体的凝固组织，使得合金性能进一步的提高；
6、合金液在金属型内高压下凝固，冷却速度快，铸件的组织致密，晶粒细小，精度高，表面质量好，机械性能比砂型铸件提高25-30%，并且可以铸出形状复杂的薄壁铸件；
7、本发明中所使用变质剂为复合变质剂，在细化初晶硅和共晶硅的同时，还具有良好的变质长效性和重熔性；
8、由于强磁场的发生装置采用了超导线圈，因此即使产生高达14Τ磁感应强度时的耗电量也微乎其微，因此本发明所涉及的装置具有能耗低的特性。
附图1是强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置图
具体实施例
本发明的一个优选实施例是参见附图1。采用Al_20wt%Si合金，作为强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织的方法及装置的实施例用合金，合金总容量为2kg，Al-20wt%Si合金采用工业纯铝和结晶硅进行熔配,并在熔配过程中添加变质剂变质。本发明通过强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置来实现。参见图1，强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置由水冷套1、超导磁体2、浇包
3、压射冲头4、压室5、液态合金6、定型7、动型8、喷嘴9、型腔10、反料冲头11组成。将压铸机的压铸模置于超导磁体2中，给超导磁体2的水冷套I通入冷却水，调节超导磁体2，使得磁感应强度为10T，磁力线方向为水平向右；将总容量为2kg的结晶硅和工业纯铝按质量比为4:1的比例进行熔配，熔配温度为750°C，待其完全熔化后，加入变质剂进行变质，将液态合金6静置保温20min，使变质剂完全反应；将液态合金6通过浇包3浇入压铸机的压室5中，浇入压室5中的液态合金6被已封住喷嘴9的反料冲头11托住，当压射冲头4向下压到液态合金6的液面时，反料冲头11开始下降打开喷嘴9，液态合金6被压入型腔10 ；凝固后，关闭超导磁体2，压射冲头4退回，反料冲头11上升，切断余料，并将其顶出压室5， 余料取走后，反料冲头11再降到原位，然后开模取出压铸件，即可得到初晶硅相和共晶硅相显著细化且均匀分布的过共晶铝硅合金。
权利要求
1.一种强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金中相组织的方法，其特征是在合金凝固过程中通过强磁场和变质剂的复合作用，抑制合金中Si相的长大，减小和改善初晶硅和共晶硅的晶粒大小和形貌，从而实现晶粒细化成分均匀。
2.根据权利要求1所述方法，其特征是所述的强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置由水冷套(I)、超导磁体(2)、浇包(3)、压射冲头(4)、压室(5)、液态合金 (6)、定型(7)、动型(8)、喷嘴(9)、型腔(10)、反料冲头(11)组成。
3.根据权利要求1所述方法，其特征是施加的磁场为采用超导技术产生的强磁场，其磁感应强度可在O. 1-20T范围变化；超导磁体的室温口径为50 - 800mm ;施加的强磁场也可采用电磁铁技术、或比特技术、或混合磁体技术产生。
4.根据权利要求1所述方法，其特征是施加的变质剂是磷和稀土RE的复合变质，或者是含磷中间合金和稀土 RE的复合变质，或者是磷盐和稀土 RE的复合变质。
5.根据权利要求1所述方法，其特征是适用于亚共晶铝硅合金、或者共晶铝硅合金、或者过共晶铝硅合金，或者适用于镁合金、或者铜合金、或者锌合金、或者镍合金相组织的控制。
6.根据权利要求1所述方法，其特征是超导磁体2产生的磁场是匀强磁场，或者是梯度磁场。
7.根据权利要求1所述方法，压铸模由无磁性不锈钢材料制成，或者由无磁钢材料制成。
8.根据权利要求1所述方法，压铸的方式采用半固态压铸，或者采用真空压铸，或者采用充气压铸技术。
9.根据权利要求1所述方法，其特征是强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置与压力铸造的凝固过程结合，或者与金属型重力铸造、或者考斯沃斯法铸造、或者消失模铸造、或者精确砂型重力铸造、或者低压铸造及甩带铸造的凝固过程结合。
全文摘要
本发明涉及一种强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金中相组织的方法。由于强磁场和变质剂的复合作用，抑制合金中Si相的长大，减小和改善初晶硅和共晶硅晶粒的大小和形貌，达到晶粒细化，成分均匀的目标。发明中的强磁场复合变质剂细化过共晶铝硅合金相组织反应装置，由水冷套1、超导磁体2、浇包3、压射冲头4、压室5、液态合金6、定型7、动型8、喷嘴9、型腔10、反料冲头11组成。该方法可以与压力铸造、金属型重力铸造、Cosworth(考斯沃斯)法铸造、消失模铸造、精确砂型重力铸造、低压铸造及甩带铸造的凝固过程结合，从而可以制备性能优异的高硅铝合金发动机缸体缸套材料。
文档编号C22C1/02GK102994784SQ20121041207
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者钟云波, 李甫, 黄靖文, 夏逢辰, 陈旭 申请人:上海大学