一种采用SrCO3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法与流程

本发明属于合金制造领域，尤其涉及一种采用srco3变质的过共晶铝硅复合材料及变质方法。

背景技术：

al-si合金具有密度小、强度高、铸造成形性好、资源丰富等优点，广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域。随着si含量的增加，al-si合金中共晶体增加，虽然铸造性能得到改善，但过共晶al-si合金组织中会出现粗大的板片状共晶si，还会出现粗大的多角形块状或板状初晶si，严重地损害了材料的性能。细化共晶si和初晶si，改变其形状和分布，减小其对基体的削弱作用，是提高al-si合金性能的关键。

目前细化al-si的方法主要有变质处理法、振动变质法、悬浮铸造法、快速凝固法等。工业上主要采用变质处理法，但该法存在变质剂加入量需要严格控制、工艺较复杂以及环境污染等问题。自从1921年pacz发现na对铝硅共晶组织有变质作用，能够明显提高铸件的力学性能以后，多年来，na以变质能力强等特点广泛应用于实际生产中。然而，na变质存在以下不足：易衰退、吸收率低、易腐蚀工具和设备；na密度低，容易产生比重偏析；na的沸点低(880℃)，性质活泼，处理时将引起铝液的沸腾和飞溅。

因此寻找经济、高效、环保的变质方法是获得优质铝合金铸造部件的关键技术之一。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种采用srco3变质的过共晶铝硅复合材料，该复合材料生成al2o3增强相，提高了复合材料的硬度，有效细化了初晶si的晶粒尺寸和改变共晶si的晶粒形状。

本发明的第二目的是提供该复合材料的变质方法。

技术方案：本发明采用srco3变质的过共晶铝硅复合材料，该复合材料中增强相al2o3与过共晶al-si合金的质量比为0.0012～0.0035:1。

优选的，增强相al2o3与过共晶al-si合金的质量比可为0.0023～0.0035:1。

采用srco3变质过共晶铝硅复合材料的方法，包括如下步骤：

(1)对srco3进行预处理，将过共晶al-si合金熔融后，加入预处理后的srco3搅拌、反应10～20min，制得混合熔体，其中srco3的加入量与过共晶al-si合金的质量比为0.005～0.015:1。

(2)将混合熔体浇注成锭后，冷却至室温，即可。

本发明通过采用srco3变质过共晶铝硅复合材料，碳酸锶吸附在硅的生长台阶上，阻碍硅以台阶生长机制长成片状，且碳酸锶的原子在硅相表面的吸附改变了硅原子的堆积次序，从而在硅晶体中造成大量孪晶的产生，共晶硅相转而以孪晶凹谷机制生长，进而能够将过共晶al-si合金中初晶si尺寸由45μm细化到32μm，共晶si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，且碳酸锶和srco3与al反应生成al2o3增强相，进一步提高了过共晶铝硅合金的硬度，合金硬度由99hv增加到134.9hv(增加了9.2％～36.2％)，工艺简单，操作方便。

进一步说，步骤(1)中，对srco3进行预处理是采用铝箔纸包裹srco3粉末。将过共晶al-si合金熔融是升温至720～760℃保温反应10～15min。将过共晶al-si合金熔融后升温至810～850℃，加入预处理后的srco3搅拌3～5min。

优选的，srco3的加入量与过共晶al-si合金的质量比可为0.01～0.015:1。反应时间可为10～20min。

更进一步说，步骤(2)中，浇注成锭时采用已预热至250～300℃的模具。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：通过采用srco3对过共晶al-si合金进行变质制备的复合材料，不仅能够将过共晶al-si合金中初晶si尺寸由45μm细化到32μm，共晶si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，且srco3与al反应生成al2o3增强相，提高了过共晶铝硅合金的硬度；同时其工艺简单，操作方便；此外，在加入srco3粉进行变质反应时，采用铝箔纸包裹srco3粉，与基体成分相同，能够实现对初晶si和共晶si的变质，又可避免引入其他杂质。

附图说明

图1是现有的a390过共晶al-si合金显微组织图；

图2是实例1变质后过共晶al-si合金显微组织图；

图3是实例2变质后过共晶al-si合金显微组织图；

图4是实例3变质后过共晶al-si合金显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明采用的原料均购自市售。过共晶铝硅合金为a390过共晶铝硅合金。

实施例1

该复合材料中srco3与al反应生成al2o3增强相与过共晶al-si合金的质量比为0.0012:1。

采用srco3进行变质的方法包括如下步骤：

(1)变质剂预处理：选用srco3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹srco3粉末后，在200℃条件下进行干燥处理后待用；

(2)将a390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至750℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至810℃；

(3)将步骤(1)的srco3粉末加入到步骤(2)的a390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在810℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，srco3粉末的加入量与a390过共晶铝硅合金的质量比为0.005:1；

(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至250℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。

实施例2

该复合材料中srco3与al反应生成al2o3增强相与过共晶al-si合金的质量比为0.0023:1。

采用srco3进行变质的方法包括如下步骤：

(1)变质剂预处理：选用srco3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹srco3粉末后，在250℃条件下进行干燥处理后待用；

(2)将a390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至760℃，使其熔融，保温静置15min，再升温至820℃；

(3)将步骤(1)的srco3粉末加入到步骤(2)的a390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在820℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，srco3粉末的加入量与a390过共晶铝硅合金的质量比为0.01:1；

(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至300℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。

实施例3

该复合材料中srco3与al反应生成al2o3增强相与过共晶al-si合金的质量比为0.0035:1。

采用srco3进行变质的方法包括如下步骤：

(1)变质剂预处理：选用srco3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹srco3粉末后，在300℃条件下进行干燥处理后待用；

(2)将a390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至760℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至840℃；

(3)将步骤(1)的srco3粉末加入到步骤(2)的a390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌3min至均匀，在840℃条件下保温反应20min后，制得混合熔体；其中，srco3粉末的加入量与a390过共晶铝硅合金的质量比为0.015:1；

(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至300℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。

性能检测

将上述实施例1至实施例3采用的现有的a390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如图1所示。同时将实施例1至实施例3制备的变质a390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如图2至图4所示，其表征结果如表1所示。

表1实施例1至实施例3制备的铝硅复合材料的性能表

结合表1和图2至图4可知，本发明通过采用srco3对过共晶al-si合金进行变质，能够有效细化晶粒尺寸，且改变共晶si的形状，硬度明显提高。其中，实施例2的变质效果最佳，其晶粒尺寸为37μm，共晶si由粗大的针片状变质为细小的纤维状，硬度为134.9hv。相对而言，实施例1和实施例3的变质效果较实施例2略差，但均优于现有的过共晶al-si合金。由此可知，本发明的变质方法能够对现有的过共晶al-si合金进行变质，从而提高其综合性能。

对比例1

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于srco3的加入量与过共晶al-si合金的质量比，分别为0.003:1和0.02:1；对应地srco3与al反应生成al2o3增强相与过共晶al-si合金的质量比，分别为0.0006:1和0.0047:1，获得的试验结果如下表2所示。

表2对比例1的制备的铝硅复合材料的性能表

通过表2可知，当srco3的加入量与过共晶al-si合金的质量比为0.003:1时，此时添加的变质剂含量较少，变质剂的含量不足以产生完全的变质效果，但仍有部分的共晶si为板片状或块状；而当srco3的加入量与过共晶al-si合金的质量比为0.02:1时，组织中出现了含sr的化合物，共晶si随之粗化，产生过变质现象。由此可知添加与过共晶al-si合金的质量比为0.005～0.015:1的srco3，其能够有效细化初晶si的晶粒尺寸和改变共晶si的晶粒形状，提高合金材料的硬度，进而提高复合材料的力学性能。

实施例4

该复合材料中srco3与al反应生成al2o3增强相与过共晶al-si合金的质量比为0.0018:1。

采用srco3进行变质的方法包括如下步骤：

(1)变质剂预处理：选用srco3粉末作为变质剂，用铝箔纸包裹srco3粉末后，在200℃条件下进行干燥处理后待用；

(2)将a390过共晶铝硅合金放入电阻炉熔融，升温至720℃，使其熔融，保温静置10min，再升温至850℃；

(3)将步骤(1)的srco3粉末加入到步骤(2)的a390过共晶铝硅合金熔体中，并搅拌5min至均匀，在850℃条件下保温反应10min后，制得混合熔体；其中，srco3粉末的加入量与a390过共晶铝硅合金的质量比为0.008:1；

(4)将步骤(3)所制得的混合熔体浇铸到已预热至250℃的金属模具中，制得合金铸锭，待其冷却至室温即可。

将该实施例4制备的变质a390过共晶铝硅合金进行结构表征，获得的结果如表3所示。

表3实施例4制备的铝硅复合材料的性能表

通过表3可知，本发明的变质方法能够有效细化初晶si的晶粒尺寸、改变共晶si的晶粒形状和提高合金材料的硬度，进而提高复合材料的力学性能。