专利名称：一种铝硅合金铸件及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝硅合金铸件及制备方法，更确切地说是采用我国铝土矿，先经除铁，並用氧化铝等辅助原料调整成份，再用电解法还原出低钛铝硅合金，然后，在混铝炉中调整化学成份。利用电解铝硅合金特有的自变质性质，即使少加或不加变质剂，即可获得显微组织均匀、硅相呈变质态的高韧、高塑、高強铸件。
背景技术：
铸造铝硅合金广泛应用于航空、交通运输、汽车、电力等行业。铸造车间根据铸件成份要求和原材料供应情况进行配料，通常包括回炉料、切屑、中间合金以及新合金锭等。炉料熔清、过热后，再经过钠或锶变质处理才可浇成组织细小的高性能铸件。
目前，铝硅合金锭全世界皆采用纯金属熔配法生产，即先生产出电解铝、镍、铜、镁和锰等纯金属。然后，熔配各种铝基中间合金。再根据合金成分要求将各种铝基中间合金及纯铝锭熔配成具有一定成分的各种铝合金，最后，浇成铸锭。这些生产环节分别在不同的工厂生产。因之，产品成本高，生产周期长，运输量大。能否在电解槽中直接电解出铝硅合金，就成为百余年来冶金学家奋斗的目标，也是降低铸件生产成本的第一道关隘。
上世纪七、八十年代国际上发表了许多有关电解槽中直接电解铝硅合金的论文和专利。1972年捷克学者Fellner等人提出了在普通铝电解槽中生产铝硅合金的专利申请。在电解质体系中添加Al2O3和SiO2的混合物，可以电解生产铝硅合金。调整Al2O3和SiO2的配比可以获得不同硅含量的合金(Fellner捷克专利，No155971，1974 08 23)。1973年前苏联Р.В.Чернов等人申请了制取铝硅合金用的电解质方面的专利。涉及内容是，电解质含有(质量分数，％)冰晶石0.5～70，硅氟酸钠5.0～25.0，氟化钠0.5～5.0，氯化钠为剩余量时，可以制取铝硅合金(Р.В.Чернов，Н.Н.Сторчак，В.М.Мошненко苏联专利，486076，1976 1 12)。1978年另一位前苏联学者З.Н.Ануфриева等人又提出了制取铝硅合金用的电解质的专利申请，确定其基本成分包括NaF、AlF3、Al2O3和SiO2。其组成为(质量分数，％)AlF329-37，CaF21-7，MgF21-5，KF0.5-6，LiF1-5，Al2O35-7，SiO20.1-0.5，余量为NaF(З.Н.Ануфриева，З.Н.Балашова，Л.С.Баранова苏联专利，9183361982年4月7日)。1976年，前苏联学者В.Н.Сенин等人提出了制取铝硅合金用的电解质专利申请，涉及的组成为(质量分数，％)NaF52.8-58.7，AlF339.1-45.0，Al2O30.3-3.5，和SiO20.24-0.38(В.Н.Сенин，Э.Б.Фролова，Р.Г.Лещинский苏联专利，5543191977 4 15)。1975年美国C.McMinn和A.T.Tabereaux申请了在铝电解槽中加入石英砂生产铝硅合金的专利(C.J.McMinn，A.T.Tabereaux美国专利C25C36/3，，US 3 980 537，1975 10 3，西德专利DT2641304，A1 1977 4 14))。波兰Z.Orman於1976年发表文章(Rudy Met.Niezelaz，21(1976)(5)162-164)，报导了用波兰本土的原料从Na3AlF6-Al2O3-SiO2熔体中电解出铝硅合金的可行性。所用的SiO2原料是生产玻璃或生产氟化盐的废料，这些废料价格低廉，在冰晶石中溶解，适合于生产铝硅合金。
上述各专利有两亇工艺问题未能得到解决。其一，硅由SiO2还原后，电解质中Al2O3的相对含量随之增加，因而电解质中氧化物总量必须及时调整。此奌难以做到。其二，加入电解槽中的SiO2溶解较慢，容易在槽底产生沉淀，影响电解过程。因此，这些工艺皆未能投入大量生产。
我国铝土矿95％以上是化学性能稳定的一水硬铝石型，化学组成具有高铝、高硅、高钛、低铁的特点。这种矿石用拜耳法工艺制取氧化铝存有弊端，却易于用酸法除铁。能否发挥我国矿产资源的优势，避开劣势，以除铁铝土矿为主要原料生产铝硅合金？就成为我国冶金界关注的一亇焦点。有关研究要追索到1960年。当时有些小型电解铝厂为解决氧化铝供应严重短缺的问题，用铝土矿粉代替氧化铝进行电解。一般将块状矿石在简易立窑中煅烧后，破碎，磨粉，不经任何处理，不控制组成，不排除杂质，就加入电解槽中。这些粉料不易溶解在电解质中，在槽底沉淀；有些还带进大量水分，造成电解质大量挥发。这种工艺的电流效率低，原材料消耗高，环境污染严重。合金含铁量高达2-3％，机械性能极差，应用范围很受限制。八十年代前后，我国学者也对电解铝硅合金过程进行不少理论探讨(邱竹贤等Formation ofAl-Si Alloys by Electrolysis and by Thermal Reduction of Silica inCryolite-Alumina Melts.Aluminium.63(1987)(12)1247-1250)九十年代郑州轻金属研究院杨冠群等人获得了一项“用电解法生产铝硅钛多元合金”的专利(杨冠群、顾松青、田庚有、李求成用电解法生产铝硅钛多元合金中国专利ZL 941162356，1994年9月28日)。它是以我国含铝、硅、钛和铁的铝土矿作为原料，这种铝矿物较容易溶于电解质，用常规酸法除铁并调整成份后加入电解槽进行电解，生产含钛的铝硅合金。该专利合金成份范围为(质量分数、％)铝82-97，硅2.0-15.0，钛0.1-3.0，铁0-0.6，锆、钒、钾、钠、稀土之和0-0.5。用这种合金生产的铸件，例如发动机活塞具有较高的耐磨性。有些含硅量较低的铝硅钛合金具有较高的塑性，可以压延成型材。但其化学成份有别于国家或国际的常用牌号，不便直接用于生产。此外，钛量较高时，生产工艺不稳定，合金成份波动较大。这些工艺问题有待解决。
发明内容
当前，我国汽车及交通运输行业蓬勃发展，需要提供成本低、强度大、韧性高的共晶和亚共晶铝硅合金以满足大量生产汽车和发动机零件的要求。本发明的目的在于提供一种铝硅合金铸件及其制备生产方法，它涉及一种具有成本低、生产流程短、力学性能优异、又充分利用我国矿产资源、符合环保要求的铝硅合金，为提高铸件质量提供一条新途径。
本发明提供的铝硅合金化学成份为(质量百分数、％)Si4.0-13.0，Mg0.25-0.70，Cu0.5-2.0，Mn0.2-0.9，Ni0.5-1.5，Ti0.08-0.10，Fe0.10-0.60、Sr＜0.003，其余为铝。
所述的铝硅合金是通过下述制备方法实施的1.电解低钛铝硅合金锭的制备a.采用我国铝土矿作为原材料。先进行常规酸法除铁及煅烧。除铁并煅烧后的矿粉化学组成为(质量百分数、％)氧化铝(Al2O3)30-92氧化硅(SiO2)4-60氧化钛(TiO2)0.5-5.0
氧化铁(Fe2O3)0-0.6其它氧化物0-2.0b.将上述原材料用工业氧化铝进行成分调整，在电解槽中电解，生产铝硅合金。所用的电解质配比为(质量百分数、％)冰晶石(Na3AlF6)40-98冰晶石分子比(NaF∶AlF3分子比)2.2-3.2氧化铝、氧化硅等氧化物总量(Al2O3、SiO2等)2-10氟化镁(MgF2)0-10氟化钙(CaF2)0-10氟化锂(LiF)0-30氯化物(NaCl、KCl等)0-10c.在混铝炉中添加铝基中间合金，例如Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ni、Al-Mg等中间合金，调整合金成份Si、Cu、Mn、Ni、Mg等含量。
电解铝硅合金锭具有自变质显微组织(王汝燿，鲁薇华，Hogan L.MSelf-modification in direct electrolytic Al-Si alloys and its structural inheritanceMaterials Science and Technology A348(2003)289-298)。硅相、钛相、铁相细小、弯曲，並且有大量初生枝晶铝相(附图1)。锭中心厚、大部位和边缘部位组织均匀，无明显差别。
2.铝硅合金铸件的制备拟采用下述3种方法中任意中任一种a.电解铝硅合金锭用电阻炉、油炉或燃气炉熔化、过热至700-720℃后，经氮气或六氯乙烷或无毒精炼剂除气，静置，即可浇铸。电解铝硅合金锭显微组织具有遗传性，重熔1-2次，组织仍处于变质状态，不需加入或只需加入少量变质剂，例如锶或铝锶中间合金。这样，一方面降低了铸件成本，另一方面铸件避免了由于加入多量锶或其它变质剂出现的疏松，从而提高了铸件的韧性和强度。
b.或电解铝硅合金锭占炉料三分之一，其余为回炉料和切屑时，炉料经熔清、过热、除气后，不加入或加入少量变质剂，例如锶或铝锶中间合金，即可浇铸。铸件组织仍然保持变质状态，具有良好的韧性和强度。
c.或电解铝硅合金在混铝炉经除气后，直接运往铸造车间浇铸铸件。此时熔体具有强烈的变质能力，不需要添加变质剂，並且可以获得变质组织均匀的厚大铸件。这种生产链省去铝厂铸锭和铸造厂熔化炉料两亇环节，充分利用了热能，减少了合金烧损，大约每吨合金节省1000元。
图1由本发明提供的铝硅合金ZL101铸锭变质态金相组织。500X图2由本发明提供的铝硅合金ZL101合金一次重熔铸件变质态金相组。100X图3混合炉料(电解ZL101合金占全部炉料三分之一)铸件变质态金相组织。铸件铁含量0.16％。500X图4混合炉料(电解ZL101合金占全部炉料三分之一)铸件变质态金相组织。铸件铁含量0.27％。100X图5由本发明实施例提供的铝硅合金ZL102合金压铸件变质态金相组。500X图6常规ZL102合金压铸件金相组织500X具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步阐述本发明的实质特奌和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1电解铝硅合金锭化学成份为(质量百分数，％)Si7.11，Mg0.32，Ti0.10，Fe0.12，Sr0.002。电阻炉熔化，升温至720℃，用氮气除气。加入少量Al-10Sr中间合金，以保证合金含锶量在0.02-0.003％范围内。静置10分钟后，进行低压浇铸汽车轮毂。然后，进行T6热处理。铸态轮毂金相组织具有较多的初生枝晶铝相，硅相细小呈变质态(附图2)。热处理后硅相团、球化。轮毂強度超过常规合金轮毂30％，而伸长率仍在11％左右(见表1)。
表1 电解铝硅合金和常规铝硅合金轮毂的力学性能对比
实施例2电解铝硅合金锭化学成份为(质量百分数，％)Si7.24，Mg0.36，Ti0.11，Fe0.11，Sr0.002。工业条件下进行大量生产汽车轮毂。电解铝硅合金锭占炉料三分之一，其余为常规轮毂回炉料和切屑。用煤气炉熔化炉料，在电阻炉中过热至720℃，用氮气除气，加入少量Al-10Sr中间合金进行变质处理。静止10分钟后，用金属型浇铸轮毂。然后，进行热处理(固溶温度530℃，时效温度130℃)。轮轂化学成份为(质量分数，％)Si6.80，Mg0.30，Ti0.10，Fe0.16，Sr0.002。铸态轮轂各部位金相显微组织得到充分变质。热处理后硅相呈细小团、球状，轮轴初生枝晶铝相较粗大(附图3)。表2对比了电解铝硅合金和常规铝硅合金的力学性能。尽管电解铝硅合金铁含量质量分数高达0.16％，它的伸长率和强度仍然超过常规合金。它的轮轂弯曲疲劳和冲击韧性也远高于常规材料的指标。电解铝硅合金轮轂的疏松废品少得多。电解铝硅合金具有明显的优越性是自变质性能的反映，也是减少锶变质剂加入量的结果。电解铝硅合金占炉料的三分之一就显现出它的优奌。这就为生产中应用电解铝硅合金提供了一个有利的条件。
表2 电解铝硅合金和常规铝硅合金的力学性能对比
*弯曲力矩3000N-m。疲劳寿命用出现疲劳裂纹的旋转次数来衡量。
**冲击韧性用承受冲击载荷(落锤下落高度×锤重)而不破坏的能力来衡量。
实施例3电解铝硅合金锭化学成份为(质量分数，％)Si7.24，Mg0.36，Ti0.11，Fe0.27，Sr0.002。工业条件下进行大量汽车轮毂的生产。电解铝硅合金锭占炉料三分之一，其余为常规轮毂回炉料和切屑。其它生产工艺同实施例2。轮轂化学成份为(质量百分数，％)Si7.10，Mg0.30，Ti0.10，Fe0.27，。Sr0.003。内中铁含量超出允许值(0.20％)。铁相仍呈弯曲细小条状，尺寸增大(附图4)。此时，合金冲击韧性虽略有下降，而轮毂冲击韧性仍高于常规轮毂(表3)。说明采用电解铝硅合金时，铁量可以稍许放宽些。
表3 高铁电解铝硅合金和常规铝硅合金的力学性能对比
实施例4共晶电解铝硅合金锭化学成份为(质量分数，％)Si12.1，Ti0.11，Fe0.50。这种合金显微组织得到充分变质。初生枝晶铝相高达45％，硅相细小弯曲。铁相呈细小弯曲片状，尽管含铁量达到0.5％。该合金用于工业条件下进行大量生产压铸摩托车缸体。用电阻炉熔化电解铝硅合金炉料，升温至700℃，用无毒精炼剂除气。静置10分钟后，开始浇注压铸件，並用金属型浇注力学性能试样。试样进行T6热处理。与常规同样成份的铝合金相比较，电解铝硅合金压铸件显微组织异常细小，有大量初生铝相，硅相细小弯曲(附图5、6)。铸态或热处理态电解铝硅合金皆具有较高的塑性或強度(表4、5)。
表4 对比电解，常规铸态共晶合金机械性能
表5 对比电解，常规热处理态共晶合金机械性能
权利要求
1.一种铝硅合金铸件，其特征在于所述铝硅合金铸件的质量百分数为Si4.0-13.0％，Mg0.25-0.70％，Cu0.5-2.0％，Mn0.2-0.9％，Ni0.5-1.5％，Ti0.08-0.10％，Fe0.10-0.60％，Sr＜0.003％，其余为铝。
2.按权利要求1所述的铝硅合金铸件，其特征在于所述的铸件保持细小弯曲变质态硅相，且具有大量的枝晶状初生铝相。
3.制备如权利要求1所述的铝硅合金铸件的方法，其特征在于包括电解低钛铝硅合金锭的制备和铝硅合金铸件制备两大步骤A.电解低钛铝硅合金锭的制备(1)采用铝土矿作原料，经常规酸法除铁和煅烧，其质量百分组成为Al2O330-92％，SiO24-60％TiO20.5-5.0％， Fe2O30-0.6％其它氧化物0-2.0％；(2)将上述原料用工业氧化铝进行成份调整在电解槽中电解，制备铝硅合金；(3)在混铝炉中添加Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Nl、Al-Mg等甲间合金，调整合金成份中Si、Cu、Mn、Ni、Mg含量，使之符合权利要求1所述的铝硅合金的含量的电解铝硅合金锭；B.铝硅合金铸件的制备采用下述五种方法中任意一种(1)将步骤A制备的铝硅合金锭加热至700-720℃，熔化后，经除气，加入锶或铝锶中间合金进行变质处理，静置后浇铸，并进行热处理；(2)将步骤A制备的铝硅合金锭加热至700-720℃熔化后，经除气、静置后浇铸，并进行热处理；(3)三分之一炉料采用步骤A制备的铝硅合金锭，其余为回炉料和切屑，该炉料经熔清、过热、除气后，加入锶或铝锶中间合金进行浇铸、热处理；(4)三分之一炉料采用步骤A制备的铝硅合金锭，其余为回炉料和切屑，该炉料经熔清、过热、除气后进行浇铸、热处理；(5)将步骤A中(3)电解铝硅合金在混铝炉中除气后，直接浇铸铸件、热处理。
4.按权利要求3所述的铝硅合金铸件的制作方法，其特征在于熔化后经氮气、六氯乙烷或无毒精炼剂进行除气的。
5.按权利要求3所述的铝硅合金铸件的制作方法，其特征在于铝硅合金锭是用电阻炉、油炉或气炉熔化，并可重熔1，2次。
6.按权利要求3所述的铝硅合金铸件的制作方法，其特征在于加入的变质剂为Al-10Sr中间合金。
7.按权利要求3所述的铝硅合金铸件的制作方法，其特征在于热处理为T6热处理，热处理后硅相团、球化。
8.按权利要求3所述的铝硅合金铸件的制作方法，其特征在于步骤A制备的电解低钛铝硅合金锭中心厚、大部位和边缘部位组织均匀。
全文摘要
本发明涉及用电解铝硅合金制造铸件及制备方法，更确切地说是以除铁铝土矿粉为主要原料，用氧化铝等辅助原料调整成份，再用电解法生产低钛铝硅合金，然后，在混铝炉中调整化学成份，再经过除气处理即可浇注铸件或锭。也可以在炉料中只加入三分之一左右的电解铝硅合金锭，将炉料熔清，过热，除气，加入少量或不加锶/钠变质剂，然后浇注铸件。这类铸件充分利用电解铝硅合金特有的自变质结晶性质，显微组织均匀，硅相呈变质态，有大量枝晶状初生铝相。因之，它的韧性、塑性和強度皆优于常见同类铸件。本发明充分利用我国矿产资源，扬长避短，发挥优势，从而减少了生产环节，提高了产品质量，降低了能耗，节省了成本，改善了生态环境。
文档编号C22C1/06GK1936052SQ20061011725
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者王汝燿, 杨冠群, 焦占忠, 杨升 申请人:东华大学