一种变质过共晶铝硅合金及其制备方法与流程

本发明属于过共晶铝硅合金的变质技术领域，尤其涉及一种变质过共晶铝硅合金及其制备方法。

背景技术：

过共晶铝硅合金因良好的导热性、低密度、低的热膨胀系数及良好的流动性，被作为传统铸铁的理想替代材料，用来生产汽车发动机活塞、缸体缸盖等零部件，以减轻自重，降低耗油量，实现节能环保的目的。但传统铸造的过共晶铝硅合金中存在粗大块状、不规则五瓣星状的初生Si及粗大针片状共晶Si，它们分布在合金基体上，严重割裂了基体的连续性，且尖端存在应力集中，降低了合金的力学性能。因此，变质过共晶铝硅合金中的Si相，对提高合金的力学性能及扩大合金材料的使用范围至关重要。

目前，过共晶铝硅合金的变质方法主要有熔体处理、动力学法、快速凝固和化学变质。其中，化学变质法因工艺简单、技术成熟、生产成本低、变质效果良好等优点被广泛地应用于工业生产，但也存在一定的缺陷。例如，大量使用的磷盐和钠盐对过共晶铝硅合金有明显的变质效果，但它们只能各自变质初生Si和共晶Si组织，若采用两者复合变质的方法，反而会对合金组织产生毒化作用，不能起到变质Si相的效果。

因此，素有“工业维生素”之称的稀土元素因其极大的电负性和极强的活性吸附能力被作为新型变质剂而广泛的研究，以实现对初生Si和共晶Si的同时变质，从而提高合金的力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种综合性能优良的变质过共晶铝硅合金。

本发明的再一目的在于提供上述变质过共晶铝硅合金的制备方法。

本发明是这样实现的，一种变质过共晶铝硅合金，该变质过共晶铝硅合金包括以下按质量百分比计各组分：

硅 18%~22%；

混合稀土 0.8%~1.2%；

余量为铝；

其中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土；所述轻稀土和重稀土的质量比为（3~7）：（7~3）。

优选地，所述混合稀土的质量百分比为1%。

优选地，所述轻稀土和重稀土的质量比为3：7、2：3、1：1、3：2或7：3。

本发明进一步提供了一种变质过共晶铝硅合金的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将纯铝锭和结晶硅在在780℃~800℃温度下加热至全部熔化后保温5~10min，在740℃~760℃温度下保温9~11min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至700℃~750℃时，将C₂Cl₆用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃~720℃浇注成形，制得过共晶铝硅合金；所述C₂Cl₆的加入量为熔体质量的0.8%；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在780℃~800℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔5~6min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在760℃~780℃温度下保温25~35min，得到变质过共晶铝硅合金；所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，所述轻稀土和重稀土的质量比为（3~7）：（7~3）；

所述变质过共晶铝硅合金中，硅元素含量为18wt.%~22wt.%、混合稀土含量为0.8wt.% ~ 1.2wt.%，余量为铝。

优选地，所述变质过共晶铝硅合金中混合稀土的含量为1wt.%。

优选地，在步骤（3）中，所述轻稀土和重稀土的质量比为3：7、2：3、1：1、3：2或7：3。

本发明克服现有技术的不足，提供一种变质过共晶铝硅合金及其制备方法。本发明通过铝、结晶硅填料熔化得到熔体，再对熔体进行精炼浇注，得到过共晶铝硅合金，最后通过混合稀土对过共晶铝硅合金进行变质后，得到变质过共晶铝硅合金，而混合稀土由轻稀土和重稀土组成，轻稀土和重稀土之间的质量比范围为（3~7）：（7~3），通过调节轻稀土和重稀土之间的质量比，能得到一系列综合性能优良的变质过共晶铝硅合金。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明变质过共晶铝硅合金塑性更高，具有更大抗拉强度和延伸率，分别能达到143MPa和2.79%；

（2）本发明制备方法简单易操作。

附图说明

图1为本发明实施例中过共晶铝硅合金3的初生Si微观形貌图；

图2为本发明实施例中变质过共晶铝硅合金3的初生Si微观形貌图；

图3为本发明实施例中过共晶铝硅合金3的共晶Si微观形貌图；

图4为本发明实施例中变质过共晶铝硅合金3的共晶Si微观形貌图；

图5为本发明实施例中过共晶铝硅合金3的拉伸断口形貌图；

图6为本发明实施例中变质过共晶铝硅合金3的拉伸断口形貌图；

图7为本发明实施例中过共晶铝硅合金3、变质过共晶铝硅合金1~5的抗拉强度和延伸率的变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

（1）将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在780℃温度下加热至全部熔化后，在760℃温度下保温9min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至750℃时，将C₂Cl₆（C₂Cl₆的添加量为熔体质量的0.7%）用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于710℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金1；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在800℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔5min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在780℃温度下保温25min，得到变质过共晶铝硅合金1。

在步骤（3）中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，轻稀土和重稀土的质量比为3：7。

本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、混合稀土的用量根据变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，变质过共晶铝硅合金1，硅元素含量为22wt.%、混合稀土含量为0.8wt.%，余量为铝。

实施例2

（1）将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温11min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至700℃时，将C₂Cl₆（C₂Cl₆的添加量为熔体质量的0.9%）用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金2；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔6min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在760℃温度下保温35min，得到变质过共晶铝硅合金2。

在步骤（3）中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，轻稀土和重稀土的质量比为2：3。

本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、混合稀土的用量根据变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，变质过共晶铝硅合金2，硅元素含量为18wt.%、混合稀土含量为1.2wt.%，余量为铝。

实施例3

（1）将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温11min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至700℃时，将C₂Cl₆（C₂Cl₆的添加量为熔体质量的0.8%）用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金3；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔5min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在760℃温度下保温30min，得到变质过共晶铝硅合金3。

在步骤（3）中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，轻稀土和重稀土的质量比为1：1。

本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、混合稀土的用量根据变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，变质过共晶铝硅合金3，硅元素含量为20wt.%、混合稀土含量为1wt.%，余量为铝。

实施例4

（1）将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温11min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至700℃时，将C₂Cl₆（C₂Cl₆的添加量为熔体质量的0.8%）用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金4；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔5min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在760℃温度下保温30min，得到变质过共晶铝硅合金4。

在步骤（3）中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，轻稀土和重稀土的质量比为3：2。

本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、混合稀土的用量根据变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，变质过共晶铝硅合金4，硅元素含量为20wt.%、混合稀土含量为1wt.%，余量为铝。

实施例5

（1）将工业铝锭、工业结晶硅混合加入到Si-C棒坩埚炉中，在800℃温度下加热至全部熔化后，在740℃温度下保温10min，得到熔体；

（2）对步骤（1）中的熔体进行降温至700℃时，将C₂Cl₆（C₂Cl₆的添加量为熔体质量的0.8%）用铝箔包覆压入到熔体中，搅拌精炼、除渣除气，扒渣后于720℃浇入到金属模具中凝固成型，制得过共晶铝硅合金5；

（3）将步骤（2）中的过共晶铝硅合金在780℃温度下熔化，加入混合稀土，每隔6min搅拌一次，至混合稀土全部熔化后，在760℃温度下保温35min，得到变质过共晶铝硅合金5。

在步骤（3）中，所述混合稀土包括轻稀土和重稀土，轻稀土和重稀土的质量比为7：3。

本实施例中工业铝锭、工业结晶硅、混合稀土的用量根据变质过共晶铝硅合金中各组分含量进行确定。其中，变质过共晶铝硅合金4，硅元素含量为20wt.%、混合稀土含量为1wt.%，余量为铝。

效果实施例

1、过共晶铝硅合金3与变质过共晶铝硅合金3的初生Si微观形貌比较试验

本发明采用活性轻稀土元素Pr和重稀土元素Y变质过共晶铝硅合金，通过稀土原子在Si相结晶界面前沿的富集，增大过冷度，促进形核并抑制Si相的长大；另外，稀土Pr和Y在Al和Si中的固溶度极其有限，在合金凝固过程中被推到Si相生长的界面前沿，诱导Si晶体形成高密度的孪晶凹槽，使Si晶体转变为各向同性生长，因此有效的变质了过共晶铝硅合金中的Si相，使得初生硅尺寸从未变质前的96微米（图1）减小到41微米（图2），同时，混合稀土变质剂也能有效的将粗大的针片状共晶硅（图3）变质为类蠕点状（图4），从而实现了同时变质过共晶铝硅合金中Si相的作用。

2、过共晶铝硅合金3与变质过共晶铝硅合金3的拉伸断口比较试验

本发明合金的拉伸断口形貌如图5和图6所示。由图5可看出在未变质时，过共晶铝硅合金表现为典型的脆性穿晶断裂，而当轻稀土Pr与重稀土Y的比例为1:1时，合金的断裂表现为带有些许韧窝的韧脆混合断裂（图6），宏观表现为合金塑性的提高。这是因为经过稀土元素对初生Si和共晶Si组织的变质，从而使得过共晶铝硅合金的抗拉强度和延伸率均有显著的提高，对合金的综合力学性能有明显的改善。

3、过共晶铝硅合金3、变质过共晶铝硅合金1~5的抗拉强度和延伸率的变化图

对过共晶铝硅合金3、变质过共晶铝硅合金1~5进行室温拉伸试验，合金抗拉强度和延伸率的变化，如图7所示，可以发现当轻稀土Pr与重稀土Y按1:1的比例混合时，变质过共晶铝硅合金具有最大的抗拉强度和延伸率，它们的值分别是143MPa和2.79%，与未变质时过共晶铝硅合金3的93MPa和1.12%相比，抗拉强度和延伸率分别提高了53.8%和1.12%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。