专利名称：同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，尤其是一种同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，属于 金属材料改性加工技术领域。
背景技术：
铸造铝硅合金的微观组织中通常存在针状共晶硅相、粗大的板片状初生硅颗粒。它们 通常成为材料失效时裂纹的发源地，使材料的塑性、韧性和疲劳强度较低。使硅相细化和 球化，是长期以来针对铝硅合金研究的重要问题。
铝硅合金是最重要的铝基结构材料之一，是主要的铸造合金体系。除了具有一般铝合 金比重低、传热好的特点外，较高硅含量的铝硅合金还可以看作一种自生复合材料，有较 高的室温综合力学性能(强度，耐磨性，延伸率)和高温性能，成型性能也好；同时由于 铝、硅元素的相互固溶度较低，所以回收利用方便，是一种具有可持续发展性的绿色材料。 所以，它在汽车、航空航天、电子等领域的应用越来越广泛[1-3]。
铸造铝硅合金主要的不足之处是其微观组织中通常存在针状共晶硅相、粗大的板片状 初生硅颗粒。它们一方面质脆，易碎，同时其尖角会引起应力集中，通常成为材料失效时
裂纹的发源地，所以材料的塑性、韧性和疲劳强度较低[3]。高硅含量(^共晶成分点11.8
%)铝合金由于初生硅颗粒的大量存在，对材料上述性能的影响尤其大。所以，解决硅相 组织的形态缺陷，使硅相细化和球化，是长期以来针对铝硅合金的重要问题。 目前对铝硅合金硅相进行细化和(或)球化的技术可以分成为液态、半固态和固态技
术三个大类。其中，变质处理[4]，快速凝固[5]，喷射成形[6,7]等技术属于液态技术，球 化热处理(SST) [8，9]、轧制[IO]、剧烈塑性变形(SPD) [ll]等属于固态技术，半固态技 术包括各种搅拌、振动等制备半固态浆料的技术[12-17]。
在液态技术中，变质是一种常用和简便的技术，通过各种变质剂对硅形核和生长过程 进行的影响，以改变硅相颗粒的大小和形态。其中，变质剂通常只对初生硅(如P)和共 晶硅(如Na,Sr等)分别有效；目前只能够使硅相颗粒细化到20 50^im范围，在硅含量 超过30%情况下效果较差。而且，变质剂对硅相球化的作用不显著，基本上只能获得多 边形状的硅相。其他液态技术如快速凝固，喷射成形等则成本较高，更适合低维度材料生 产。半固态技术[12-17]主要利用各种搅拌或激冷方法使半固态浆料中硅相发生断裂或大 量形核等，并通过液相成分场和温度场的均匀化来控制固相颗粒的生长，从而实现硅相的 细化。 一般只能使初生硅细化到30 50微米范围，在硅含量超过30%情况下效果较差。 硅相颗粒通常通过聚集和相互摩擦来实现球化[12]，从而导致粗大。所以，在半固态技术 中也不易实现硅相颗粒的同时细化和球化。同时，还容易使硅相出现偏析。
固态技术一般通过基体的塑性变形来剪切破碎硅相，随着塑性变形程度增大，硅相细 化程度也增加，通常细化效果好于液态和半固态技术。例如SPD技术中的等通道转角挤 压技术可以使硅相细化达几百纳米[ll]。但它们不能使硅相获得球化。
SST技术是固态技术中特殊的一个，其通过硅元素在铝中的扩散、固溶和重新析出， 实现硅相的球化和细化，但是基本只对共晶硅起作用，对初生硅效果不明显。
近年来，摩擦搅拌焊(FSW) /摩擦搅拌加工(FSP)技术的出现提供了一种新颖的材料 组织细化方法[18]。该技术是1991年英国焊接研究所发明的一种固态焊接技术，其原理 (如图l)是将一个高速旋转的带轴肩的销钉，逐渐插入待焊接的两板的接缝处，同时 沿接缝运动。通过销钉的高速运动， 一方面与焊接材料摩擦产生一定高温，另一方面带动 销钉周围经高温软化了的两工件的材料产生旋转和其它复杂运动(搅拌)，发生强烈的塑 性流动和复杂的混合，形成一个整体，从而达到焊接两工件的目的。通常，搅拌区材料始 终处于固态，组织由再结晶形成的细小等轴晶粒组成，这决定了焊缝优异的力学性能。
基于FSW技术对材料组织的强烈细化的原理，又出现了摩擦搅拌加工(FSP)技术，它 是在同一材料表面对材料组织进行改性或制备表面复合材料的一种技术。与普通剧烈塑性 变形(SPD)技术相比，FSP技术的特点是对材料局部地，由内而外地进行快速强烈塑性 加工，而非普通SPD技术由表及里的施压。由于FSP技术瞬时加工区域小，对设备功率 要求较小，同时还能使材料组织强烈混合和均匀化，所以具有工艺简捷高效，性能稳定易 控制，设备要求低等优势。
目前，已经有少量关于FSP或FSW技术对铝硅合金表面进行组织细化的报道[19-21]。 这些结果表明，常规FSP技术通过a组织的剧烈塑性变形可以剪切破碎硅相，使其显著 细化，其中很多硅颗粒细化到几微米，延伸率可以提高到铸态的10倍[19]。但是，在这 些研究中，没有发现或报道硅相球化的效果。
所以，目前的技术都不能很好地解决铸造铝硅合金中硅相的同时细化和球化问题。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种在高温固态条件下利用摩擦搅拌技术加工高硅铝合金，使 其中所有硅相即初生硅和共晶硅同时细化和球化的方法。
本发明通过下列技术方案实现 一种同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其 特征在于经过下列工艺步骤
A、将铸造铝硅合金材料在20(TC 熔点温度条件下保温；B、将上部带旋转轴的螺纹销钉以1 3000转/分钟的速度旋入铝硅合金材料内，当销 钉完全进入材料，且旋转轴下端面与铝硅合金材料表面相接触后，再以1 3000转/分钟 的旋转速度、0 10000m/min的移动速度，使销钉和旋转轴向前边旋转边移动，从铝硅合 金材料的一端直至另一端，即完成一个道次的处理，从而在该道次的处理区域内获得细化 和球化的硅相组织。
所述步骤A中受到保温的铝硅合金材料为直接从液态凝固并保温在该温度区域的铸 造铝硅合金材料，或者从室温升温到该温度区域的铸造铝硅合金材料。
所述销钉的长度与铝硅合金材料厚度或高度相适应，以便在一个道次内完成该区域内 铝硅合金材料厚度或高度的处理。
所述销钉上部旋转轴的直径是销钉直径的1.5 10倍，以便在保持正常的处理情况下， 最大限度地扩大铝硅合金材料的处理区域。
所述处理道次的次数视铝硅合金材料面积的大小具体确定，相邻两道次的处理区域相 接，以便在铝硅合金材料中实现所有硅相颗粒的同时细化和球化。
本发明与现有技术相比具有下列优点或积极效果采用上述方案，可在铝硅合金材料 中同时实现硅相的细化和球化，且硅相颗粒细化到《10微米以下，是现有的变质处理等 技术所无法达到的，它可大幅度提高材料机械性能，使之具有优越的塑性、韧性和较高的 疲劳强度。此外，本发明还具有工艺简单，流程短等优点，具有较好的应用前景。
图1为本发明的加工过程示意图2为用现有技术(P变质)加工的铝硅合金材料显微组织图； 图3为本发明技术加工的铝硅合金材料显微组织图。
图1中，1为高温的铸造铝硅合金材料，2为旋转轴，3为连接在旋转轴2下部的销 钉，a为旋转轴和销钉的旋转方向，b为旋转轴和销钉的移动方向，c为旋转轴的销钉受 压后的下移方向，4为铸造铝硅合金材料1中硅相细化和球化区域。
图2中，铝硅合金材料(用P变质处理)的微观组织含有粗大的颗粒状初生硅，以及 长棒状或针状的共晶硅颗粒。最大的颗粒直径在50微米左右。
图3中，在经过本发明技术加工过的相同铸造铝硅合金材料组织中，大部分硅相颗粒 被细化成了《10微米的颗粒，只有少量颗粒仍然较大，但是直径也在30微米左右。同时， 无论颗粒大小，其球化都较明显。
具体实施方式
实施例1
ZL117合金硅相颗粒的同时细化和球化
A、 将ZL117铸造材料加热到47(TC并保温；
B、 利用铣床带动020的旋转轴2，旋转轴2的下端装有一个01O的销钉3，以600 转/分钟的速度将销钉3旋入ZL117材料1内，当旋转轴2端面接触合金材料1 表面后，旋转轴2在保持600转/分钟的旋转的同时，以10m/min的速度向前(b 向)移动，与旋转轴2相连的销钉3随之移动，如图l，并在移动过的材料中， 使绝大多数硅相获得了同时细化和球化，如图3。
实施例2
Al—20XSi合金硅相颗粒的同时细化和球化
A、 将Al—20XSi铸造材料加热到45(TC并保温；
B、 利用铣床带动020的旋转轴2，旋转轴2的下端装有一个01O的销钉3，以500 转/分钟的速度将销钉3旋入Al—20XSi铸造材料1内，当旋转轴2端面接触合 金材料1表面后，旋转轴2在保持500转/分钟的旋转的同时，以5 m/min的速度 向前(b向)移动，与旋转轴2相连的销钉3随之移动，如图1，并在移动过的 材料中，使绝大多数硅相获得了同时细化和球化。
实施例3
Al—30%Si合金硅相颗粒的同时细化和球化
A、 将Al—30%Si铸造材料加热到48(TC并保温；
B、 利用铣床带动02O的旋转轴2，旋转轴2的下端装有一个01O的销钉3，以800 转/分钟的速度将销钉3旋入ZL117材料1内，当旋转轴2端面接触合金材料1 表面后，旋转轴2以10m/min的速度向前(b向)移动，与旋转轴2相连的销 钉3随之移动，如图l，并在移动过的材料中，使绝大多数硅相获得了同时细化 和球化。
权利要求
1、一种同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于经过下列工艺步骤A、将铸造铝硅合金材料在200℃～熔点温度条件下保温；B、将上部带旋转轴的螺纹销钉以1～3000转/分钟的速度旋入铝硅合金材料内，当销钉完全进入材料，且旋转轴下端面与铝硅合金材料表面相接触后，再以1～3000转/分钟的旋转速度、0～10000m/min的移动速度，使销钉和旋转轴向前边旋转边移动，从铝硅合金材料的一端直至另一端，即完成一个道次的处理，从而在该道次的处理区域内获得同时细化和球化了的硅相组织。
2、 根据权利要求1所述的同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于 所述步骤A的铸造铝硅合金材料为直接从液态凝固并保温在该温度区域的材料，也可以 是从室温升温到该温度区域的材料。
3、 根据权利要求1所述的同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于所述销钉的长度与铝硅合金材料厚度或高度相适应，以便在一个道次内完成该区域内铝硅 合金材料厚度或高度的处理。
4、 根据权利要求1所述的同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于 所述销钉上部旋转轴的直径是销钉直径的1.5 10倍，以便在保持正常的处理情况下，最 大限度地扩大铝硅合金材料的处理区域。
5、 根据权利要求1所述的同时细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于 所述处理道次的次数视铝硅合金材料面积的大小具体确定，相邻两道次的处理区域相接， 以在铝硅合金材料中实现所有硅相颗粒的同时细化和球化。
全文摘要
本发明提供一种细化和球化铝硅合金中硅相组织的方法，其特征在于经过下列工艺步骤A.将铸造铝硅合金材料在200℃～熔点温度条件下保温；B.将上部带旋转轴的螺纹销钉以1～3000转/分钟的速度旋入铝硅合金材料内，当销钉完全进入材料，且旋转轴下端面与铝硅合金材料表面相接触后，再以1～3000转/分钟的旋转速度、0～10000m/min的移动速度，使销钉和旋转轴向前边旋转边移动，从铝硅合金材料的一端直至另一端，即完成一个道次的处理，从而在该道次的处理区域内获得细化和球化的硅相组织，且硅相颗粒细化到≤10微米以下，是现有的变质处理等技术所无法达到的，它可大幅度提高材料机械性能，使之具有优越的材料塑性、韧性和较高的疲劳强度，此外，本发明还具有工艺简单，流程短等优点，具有较好的应用前景。
文档编号B22D27/20GK101302587SQ20081005858
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月24日 优先权日2008年6月24日
发明者卢德宏, 荣 周, 蒋业华 申请人:昆明理工大学