Si/富Fe铝基复合材料组织的复合处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Mg2Si/富Fe铝基复合材料的处理方法，特别涉及一种变质Mg2Si/富 Fe铝基复合材料组织的复合处理方法。
【背景技术】
[0002] 铝及其合金质量轻、强度高、耐腐蚀性能优异、导电性能和成型性能好，成为广泛 应用的金属材料之一，是仅次于钢铁材料的第二大金属结构材料。随着铝使用量的大幅增 长，废旧铝合金的回收与再利用是社会可持续发展的必然要求。但在废旧铝资源的回收与 再利用中，因反复熔炼或者废旧期间中接触Fe部件等原因导致废旧铝熔化后往往存在高 的Fe含量。高Fe含量的铝合金中主要存在三元相a-Fe和P-Fe相，其中a-Fe相呈汉 字状，具有复杂旋绕的枝晶，对铝合金性能的危害较小。而P-Fe相在铝合金中呈粗大的针 片状，对基体有严重的割裂作用，从而显著降低废旧铝的品质。目前，尚无特别有效的工艺 技术去除或大幅降低错中Fe含量。
[0003] 为进一步改善铝合金性能，通过外加或者内生反应法在铝合金基体获得高硬颗 粒，即铝基复合材料，是提高铝合金耐磨性和高温力学性能的有效手段。该类型材料往往具 有比强度、比刚度高、热膨胀系数小、高温性能好、抗疲劳性能好等优点，近年来已在航空、 航天、汽车工业、先进武器制造等领域受到广泛应用。决定铝基复合材料制备和性能的关键 在于增强体的选择及其复合途径，其中利用Mg和Si在熔体中原位生成Mg2Si相增强铝合金 是一种有效的强化手段，其显著特点在于制备工艺简单，通过简单的熔融铸造法即可实现。
[0004] 值得注意的是，铝中Fe相往往是硬脆相，具有很高的硬度和耐热性，应是理想的 复合材料增强相。本专利拟以富Fe的铝合金作为基体材料，通过熔融铸造法原位生成Mg2Si 增强铝基复合材料。在富Fe的铝基复合材料材料中，实际上存在两种典型的强化相：Fe相 和Mg2Si。对于Fe相，往往是粗大针状，而Mg2Si往往呈粗大树枝晶或者汉字状结构。只 有通过适当的变质处理工艺控制和改善其形态，才能有效发挥其强化效果。变质处理可以 通过提高晶体的形核率或改变晶体的生长形式，达到有效细化组织和控制合金相形貌的目 的，从而显著改善材料的力学性能和加工性能。常用的变质方法主要有：添加中和变质剂、 微量合金化元素化、熔体过热处理、快速冷却处理等。其中前两种属于合金元素添加法，而 后两种属于工艺操作范畴。
[0005] Mn是变质Al合金中Fe相最常见且最有效的变质元素。公开号为CN103820638A 的专利公开了一种高Fe铝硅合金中Fe相的多元复合细化变质处理方法。该发明采用 Al-Ti-C、Mn、RE对高Fe铝硅合金中的Fe相进行细化变质，可有效地将针状有害的P-Fe相 转变汉字或者颗粒状a-Fe相。吴亮等【吴亮，Mn、Sr对铝硅合金中铁相的影响，铸造，2011 年12期（60)，1185-1189】证实Mn和Sr复合可将Fe相由针状的转变成细小的鱼骨状，并均 匀分布于a-Al枝晶中。而对于Mg2Si相的形态控制，稀土、Sr和P等都较为有效的变质元 素。如公开号为CN101871067A的专利公开了一种Sr变质含硅高强镁合金中的共晶Mg2Si 强化相的处理技术，Sr能够有效细化共晶Mg2Si相，提高材料的抗拉强度和延伸率。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种质Mg2Si/富Fe 铝基复合材料组织的复合处理方法，实现Mg2Si/富Fe铝基复合材料中的Mg2Si相和Fe相 同步变质及细化，从而改善材料的微观组织结构并提高其性能。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] -种变质Mg2Si/富Fe铝基复合材料组织的复合处理方法，包括以下步骤：
[0009] (1)制备Mg2Si/富Fe铝基复合材料的熔体，在700~750°C保温；
[0010] ⑵将细化变质剂投入步骤⑴制备的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的熔体中，在温 度700~750°C继续保温10~20min，并搅拌；
[0011] 所述细化变质剂包含Cr元素和B元素，其中Cr元素的加入量为Mg2Si/富Fe铝 基复合材料质量的〇. 8%~I. 5% ;B元素的加入量为Mg2Si/富Fe错基复合材料质量的 0? 2%~0? 4% ;
[0012] 所述细化变质剂采用中间合金的方式加入熔体，细化变质剂在加入前在150~ 200°C下预热8~IOmin;
[0013] (3)对步骤⑵得到的熔体进行除气除杂精炼，精炼后静置2~5min出炉，扒渣浇 注成型。
[0014] 步骤⑵所述细化变质剂还包含Sr元素，Sr元素的加入量为Mg2Si/富Fe铝基复 合材料质量的〇. 08~0. 15%。
[0015] 步骤⑵所述细化变质剂还包含La元素，La元素的加入量为Mg2Si/富Fe铝基复 合材料质量的0.2~0.4%。
[0016] 所述细化变质剂采用中间合金方式加入熔体，具体为：
[0017] 所述B元素采用加入A1-3B中间合金的方式加入；所述Cr元素采用加入Al-IOCr 中间合金的方式加入。
[0018] 所述Sr元素采用加入Al-IOSr中间合金的方式加入。
[0019] 所述La元素采用加入Al-IOLa中间合金的方式加入。
[0020] 步骤⑴所述制备Mg2Si/富Fe铝基复合材料的熔体，在700~750°C保温，具体 为：
[0021] 将富Fe铝合金、纯Mg和Al-20Si中间合金一同在700~750 °C熔化保温10~ 20min，并搅拌；
[0022] 所述Mg2Si/富Fe铝基复合材料的组成为：
[0023]Fe1 % ~2 %;
[0024]Mg2Si20 % ~25%;
[0025]Al余量。
[0026] 步骤（3)所述精炼，具体为：
[0027]加入2#精炼剂进行精炼除气，2#精炼剂的化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlFjP C2Cl60
[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0029] (1)本发明能同步实现针状P-Fe相和初生Mg2Si相形态控制；变质后初生Mg2Si 相从粗大的树枝晶状转变为颗粒状，而P-Fe相从长针状变成细小的汉字状或者骨骼状。
[0030] (2)本发明工艺简单，不需要复杂的熔炼技术，操作简便，易于实现工业化批量生 产。
[0031] (3)本发明所采用的变质元素较为常见，成本低廉，变质效果明显且无污染。
【附图说明】
[0032] 图1为对比例1中未经细化变质的20%Mg2Si/富Fe铝基复合材料的XRD图谱；
[0033] 图2为对比例1中未经细化变质的20%Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照片；
[0034] 图3为经对比例2中单一元素Ce变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0035] 图4为经对比例3中单一元素B变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0036] 图5为经对比例4中单一元素Mn变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0037] 图6为经对比例5中单一元素Cr变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0038] 图7为经对比例6中单一元素Sr变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0039] 图8为经对比例7中单一元素P变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM照 片；
[0040] 图9为经对比例8中B-Mn复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM 照片；
[0041] 图10为经实施例1中B-Cr复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的XRD 图谱；
[0042] 图11为经实施例1中B-Cr复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM 照片；
[0043] 图12为经实施例2中B-Cr复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM 照片；
[0044] 图13为经实施例3中B-Cr复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM 照片；
[0045] 图14为经实施例4中B-Cr复合细化变质处理的Mg2Si/富Fe铝基复合材料的SEM 照片；
[0046] 图15为经实施例5的B-Cr-Sr多元复合细化变质剂处理后的Mg2Si/富Fe铝基 复合材料的SEM照片；
[0047] 图16为经实施例6的B-Cr-La多元复合细化变质剂处理后的Mg2Si/富Fe铝基 复合材料的SEM照片；
[0048] 图17为经实施例7的B-Cr-Sr-La多元复合细化变质剂处理后的Mg2Si/富Fe铝 基复合材料的SEM照片。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0050] 首先给出普通铸造法制备Mg2Si/富Fe再生铝合金的制备，以及传统方法对该复 合材料进行变质处理的对比例，并观察组织，分析变质效果。需要说明的是，对比例的目的 仅仅在于更好地理解本发明的技术特点和有益效果。
[0051] 对比例1 20%Mg2Si/富Fe铝基复合材料的制备
[0052] 首先通过ICP直读光谱确定富Fe铝合金的具体成分，其中Si的质量百分比为 7%，Fe的质量百分比为1. 3%，其余主要为A1。本对比例中Mg2Si增强颗粒是通过将纯镁 和Al-20Si中间合金与原材料一同熔融在铝合金内部原位生成的。
[0053] 本对比例中20%Mg2Si/富Fe铝基复合材料的制备技术具体操作方法如下：
[0054] (1)首先将一定量的富Fe铝合金和纯镁、Al-20Si中间合金在300°C下预热5min， 采用井式电阻炉、石墨坩埚熔炼上述材料。
[0055] (2)然后将温度升高至720°C保温20mi