一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法

专利名称：一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法
技术领域：
本发明涉及金属铸造的方法，具体的说是一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法。
背景技术：
过共晶铝硅合金具有良好的耐磨性、热稳定性、低热膨胀系数、高导热性以及优良的铸造性能和焊接性能，一直被认为是一种理想的耐磨耐热功能合金材料。在航空航天工业、汽车零部件制造、铁路运输业、军事工业、电子工业以及内燃机活塞制造业等领域中具有巨大的应用前景。然而，在常规铸造条件下获得过共晶铝硅合金材料的微观组织中，初晶硅呈板片状、多角形块状或五瓣星状，形态及分布状况差，特别是通常条件下的初晶硅尺寸粗大(80-150 μ m)。这使得过共晶铝硅合金力学性能不高、切削性能变差，从而制约了过共晶铝硅合金的实际使用与推广。因此，尽可能细化过共晶铝硅合金中初晶硅组织，一直是材料工程及铸造业追求的目标。迄今为止，国内外细化过共晶铝硅合金中初晶硅的技术有如下几种1、浇铸前对铝硅液态合金变质处理即加入含磷、稀土等中间合金变质剂，如刘相法等铝-磷-铜中间合金及其制备方法(授权日:03. 6. 25，专利号01 10 7704. 2)；吴树森等铸造高铝硅合金的双重变质剂(授权日2003.6. 11，专利号00 13 1196.4);张金龙等一种过共晶铝硅合金变质精炼剂(申请日期2004. 06. 11，申请号CN2004100251 20. 3)。这类方法存在一些缺点，如加入额外的变质剂往往增加不菲的成本；变质物质 (P等)往往对生产及社会环境造成严重污染(如车间有毒的P2O5烟雾及P对整体环境的污染；变质效果尚不十分理想，通常初晶硅实际只能细化到平均尺寸35 50 μ m左右(专利号01 10 7704. 2 ；铸造(2006) 55 卷 12 期第 1244-1246 页；Materials Characterization 59 (2008) 1559-1563)，个别研究及专利声称可细化到20 μ m左右(专利号00 13 1196.4; 专利号2004 10010911)。2、“熔体过热”方法即将合金熔体加热到大大超过常规熔炼温度的某一温度，以达到细化其凝固组织的目的。如清华大学与俄罗斯专家共同研究了(Materials Science and Engineering A332 (2002) 371-374)不同过热温度及冷却条件对Al_Sil6%合金的初晶硅晶粒尺寸影响；西北工业大学对含Sil7. 42%的铝硅合金也曾有过类似的研究(有色金属，000 第M卷第3期第19-21页)。虽然发现熔体过热能够在一定程度上细化初晶硅，但其工艺方法的不足之处在于，过热温度的选取存在盲目性，因此硅晶体的细化程度有限，对Al-Si 16%过热处理后在快速冷却条件下也只能达到20-30 μ m左右，含Si 17. 42%的铝硅合金的初晶硅细化及形态则十分不理想(有色金属，000 第M卷第3期第19-21 页)。3、“熔体混熔”方法“熔体混熔”方法是将不同成分的高、低温合金熔体快速混合， 以达到细化组织的目的。文献(中国有色金属学报，(1995)第5卷第4期第133-135页)
3声称，运用该方法可将Sil8%的铝硅合金初晶硅从80μπι细化到20μπι。文献(机械工程材料Q011)第35卷第2期第12 15页)利用高、低温合金熔体混熔，使得含Si20%的铝硅合金初晶硅的平均尺寸细化到36 μ m左右。专利申请号为CN200910304965. 9(高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺，申请日2009.07.29)的发明声称，含20% Si铝硅合金中初生Si相的晶粒在保温IOOmin内尺寸可稳定在40 μ m左右。该类方法的不足之处也在于，高温及低温合金熔体的温度选取存在盲目性，硅晶体的细化程度也有限。4、固态合金的后续热处理对固态合金坯料进行长时间的热处理(一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料及其制备方法，专利号=200510119550，授权日2008. 6. 4)。该工艺细化初晶硅的效果好，但需要额外热处理设备，增加工艺周期并需大量消耗能源。5、其它方法还有电磁搅拌(材料科学与工艺0001)9卷第2期第117-121)、超声波处理(journal of materials processing technology 208 (2008) 330-335)、快速凝固等，但对实际铸件生产应用在技术上依然有难度，且效果有限度。由上述背景可知过共晶铝硅合金组织中的初晶硅细化及形态、分布的改善，具有重要的工程应用价值。虽然国内外研究及发明已取得了不少进展与明显效果，但初晶硅细化及形态、分布改善，方法上仍需继续努力，以获得更佳的效果，且最好具有无污染、方便易操作、不影响生产率等优点。

发明内容
本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种无污染、工艺简单、 易于产业化生产的细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法。所要解决的技术问题是将过共晶铝硅合金初晶硅的尺寸细化到20 μ m以下，平均尺寸10-13 μ m。本发明利用熔体性质与结构状态变化之后的高温合金熔体与半固态低温合金熔体按一定的比例进行混熔，从而达到显著细化过共晶铝硅合金中初晶硅并改善形态与分布的目的。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法的特点在于按以下步骤操作a、将铝硅合金原料按配比量混合后升温至760-790°C以常规方法熔炼，熔清后检测合金成分并调整至要求的合金成分，保持温度不变进行精炼以去除氢气及非金属夹杂物得到合金液，在覆盖剂的保护下将所述合金液升温至1080-1150°C，此温度是根据含Si量的高低选取温度，如Al-Sil8wt%合金以1080°C为宜，而六1^20衬％合金则以1150°C为宜，均温20-30分钟，随后降温至950°C，精炼进一步去除气体及氧化夹杂物后得到高温合金熔体；若生产时需要等待，则得到的高温合金熔体需保温并用覆盖剂保护以防吸气及氧化；b、将铝硅合金原料混合后升温至760-790°C以常规方法熔炼，熔清后检测合金成分并调整至要求的合金成分，保持温度不变进行精炼，随后在覆盖剂的保护下降温至特定半固态温度区间保温30分钟得到低温合金熔体；所述特定半固态温度区间为铝硅合金组分对应的液相线温度以下20-40°C ；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以1 1-2 1的质量比混熔得混合合金熔体，在覆盖剂的保护下将所述混合合金熔体降温至720_750°C，此温度的具体选择可根据Si含量确定，硅含量较高则选择较高温度，反之硅含量较低则选择较低温度，浇注并降温凝固后得到过共晶铝硅合金铸件。本发明细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法的特点也在于步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。本发明细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法的特点也在于步骤c中所述混熔是将高温合金熔体加入低温合金熔体中。所述精炼为常规工业精炼方法，如溶剂精炼法，氮气或氩气等气体进行的浮游精炼法等。若通氮气或氩气精炼时精炼5-7分钟，若为溶剂法精炼时精炼15-20分钟。所述覆盖剂为光卤石等常规铝合金覆盖剂，或者是以硼酸和耐火砖屑等质量比配制得到的覆盖剂。所述配比量为根据要求的铝硅合金的组分计算得到的原料的添加量。本发明使用的铝硅合金原材料与常规工业生产使用的铝硅合金原材料相同，即以商用铝硅合金锭为主，按产品成分要求的比例加入纯金属铝、或结晶硅与合金锭熔配来调整成分。本发明中高温合金熔体与低温合金熔体分别以两台熔炼炉进行熔配。本发明不同于以往的“熔体过热”方法，因为本发明高温合金熔体的温度选取有据可循，避免了过去凭试探或经验的盲目性。与“熔体过热”的另一不同点为，本发明中采用一定比例的低温合金熔体，除了构成方法不同之外，比单纯“熔体过热”方法也降低了能源消耗。另一方面，与以往高、低温“熔体混熔”方法不同点及技术进步包括，高温合金熔体温度选取是基于其性质及结构状态，此外，低温合金熔体处于具有明确的温度范围的半固态 (即熔体中已具有一定比例的固相)状态。为了阐明本发明中所指“熔体状态”的本质，以及低温合金熔体处于“半固态”的作用，需要对前者的主要科学依据及后者的基本原理做如下简要说明关于本发明中过共晶铝硅合金熔体状态研究表明，过共晶铝硅合金熔体在不同温度下，其性质与结构状态有明显不同。 根据我们对过共晶铝硅合金熔体的“电阻率-温度”行为的测试(图幻，其液态电阻率在 785°C之前几乎随温度线性地均勻缓慢上升，而在785-1050°C之间，液态电阻率呈现两个温度峰，第一峰宽而低，第二峰(950°C开始)相对窄而明显。其后液态电阻率又重新呈现随温度而线性上升趋势，但其斜率(电阻率温度系数)比785°C之前的明显增大。众所周知，电阻率是物质的结构敏感物理量。根据近自由电子模型和赝势理论，Ziman给出液态金属电阻率的如下公式(下地光雄(著)，郭淦钦(译)，液态金属[M]，北京科学出版社，1987)
_ 3πΩ0 r2Kp \y(q)\2S(q)q3dq P _ he2vF2式中ρ为电阻率，S(q)为结构因子，其余参数见上述文献。可见，物质的电阻率与其结构直接相关。此外，近十年我们对液态合金性质与结构的系列研究(液态物质新物理现象——温度诱导非连续液液结构转变的探索，2008年获教育部“高等学校自然科学二等奖”)表明，一些液态物质的电阻率发生异常变化的温度区间，与其它手段(DSC及DTA热分析、内耗技术、Θ-Θ型X-射线结构衍射)的结果基本一致。这些结果均显示了电阻率方法对液态物质的结构敏感性，以及作为液态物质结构间接研究手段的有效性。因此，有理由认为，上述过共晶铝硅合金熔体的“电阻率-温度”行为，揭示了在 785-1050°C之间，合金熔体发生了性质与结构状态的变化。我们认为，第一峰属于预转变， 而第二峰则对应主要的结构转变，起源于Si-Si共价键原子团簇的打破，从而形成了新的液态结构类型。在1050°C之后，合金熔体的结构更加均勻、无序，属于新的性质与结构状态。 无独有偶，法国鲁昂大学与美国埃姆斯实验室及橡树岭国家实验室合作，对Al-Si合金熔体以中子衍射的系统研究(Journal of Non-Crystalline Solids 353(2007)3005-3010) 也表明，过共晶成分熔体的结构转变则几乎“完全可逆”，其温度区间与我们的研究结果十分相近。不同的熔体状态，必然导致铝硅合金的初晶硅凝固行为及最终组织的变化，图3 及图4所显示的结果，验证了这一理论。图3表明，以第二峰之后的温度熔炼合金，其初晶硅的凝固过冷度明显增大，揭示了凝固形核率大幅提高，而合金在950°C熔炼的熔体凝固过冷度与760°C的无明显差别；相应地，图4(A)与图4(B)的组织并无明显区别，初晶硅均十分粗大，而图4(C)的初晶硅晶粒却明显程度的减小。关于本发明中低温合金熔体“半固态”及其温度范围以往的高、低温合金熔体混熔工艺，高温及低温合金熔体的温度选取主要是凭试探及经验，没有明确依据，具有一定程度的盲目性，因此对初晶硅的细化效果也有限。本发明中高温合金熔体的温度选取，在上述已做说明，这里主要就低温合金熔体的温度选取及其原理做出说明。当合金在处于液相线及固相线之间温度保温时，合金具有液相也具有固相，其液、 固相比例取决于温度的高低，这种液、固相同时并存的状态称为“半固态”。本发明强调，将低温合金熔体处于“半固态”，而且“半固态”的温度范围也十分重要，其合适的温度应处于铝硅合金组分对应的液相线以下20-40°C之间。过共晶铝硅合金在常规温度熔炼好之后，降至液相线以下20-40°C保温半小时， 此时低温合金熔体中已析出一定比例的初晶硅。当低温合金熔体与高温合金熔体混熔时， 其原有的初晶硅将发生完全或部分的熔化及分解。理想的条件是，原有的初晶硅部分熔化并充分分解为大量的尺寸足够小的微观团簇，这些微观团簇高度弥散地均勻分布，在后期的降温与浇注后，可以作为合金凝固过程初晶硅的现成晶核。这些现成的微小晶核，与高温合金熔体自身形核率高的特性的共同作用，使得过共晶铝硅合金凝固时产生非常多的初晶硅晶粒，其结果是，一方面晶粒异常细小，另一方面初晶硅组织分布均勻。由此可知，低温合金熔体的温度范围也十分重要，应取前述的合适范围(液相线以下20-40°C )，温度过高则混熔后低温合金熔体原有初晶硅产生的微小晶核不复存在，而温度过低则原有初晶硅尺寸过大，在混熔后有限的均温及降温过程中难以形成高度弥散的大量微小晶核。同理， 高、低温合金熔体的混熔比例同样十分重要，应在合适范围(高、低温合金熔体混熔比例为 1:1-2:1)。本发明有益效果体现在1、本发明制备得到的过共晶铝硅合金中初晶硅的平均尺寸细化到10-13 μ m，其最小尺寸为2-5 μ m ；2、本发明制备得到的过共晶铝硅合金中初晶硅晶粒外围形态变得钝化、圆滑，而不再棱角分明(可降低应力集中)；3、本发明制备得到的过共晶铝硅合金中初晶硅晶粒的分布相对更均勻；4、本发明制备得到的过共晶铝硅合金中共晶组织中的共晶硅也相应大幅度细化；5、不添加变质剂，避免了以往加变质剂(含P等)方法对生产及社会环境造成严
重污染。
四

图1是Al-Si合金相图，其共晶成分为12. 6% (质量百分数)，当合金的含Si量大于12.6%时，则合金称为“过共晶铝硅合金”。图2是合金组成成分为Al-18% Si (即含Al的质量百分数为18%，余量为Si，下同)合金的电阻率-温度曲线，是以5°C /min的速率在升温过程中测取的结果。熔化过程中合金的电阻率随温度陡然上升，直至合金完全成为液体后上升趋势变缓。图中，对Al-18% Si合金，950°C之前电阻率-温度曲线的低矮峰，只是一种“预转变”，950°C时的熔体尚未发生真正意义上的熔体结构转变，在接近1050°C之前，熔体结构转变结束，熔体状态已完全不同。图3为Al-18% Si合金以不同熔体状态(熔炼温度不同)，在相同浇铸温度条件下的凝固冷却曲线。从图中可以看出各种状态的熔体开始析出初晶硅的温度(三个箭头所指位置)，将平衡液相线温度减去析出初晶硅的开始温度，即为相应熔体状态析出初晶硅的过冷度。可见，合金在950°C熔炼的熔体凝固过冷度与760°C的无明显差别，其结果验证了图2附注中关于预转变的推测。熔体结构转变结束后的熔体，其过冷度显著增大，表明初晶硅析出的形核率明显提高，这标志着初晶硅晶粒必然发生细化。图4是不同熔炼温度、相同浇铸温度(浇铸温度为760°C，凝固冷却条件10°C / 秒)下得到的Al-18% Si合金的微观照片。其中图4A的熔炼温度为760°C，图4B的熔炼温度为950°C，图4C的熔炼温度为1080°C。从图中可见图4A与图4B的组织并无明显区别， 初晶硅均十分粗大，而图4C的初晶硅晶粒却显著地减小。图5是温度为1150°C的高温合金熔体与不同温度的低温合金熔体混熔后的初晶硅(凝固冷却条件12°C /秒)(Al-18% Si合金高、低温合金熔体混熔比例均为2 1，高温合金熔体温度为1150°C )。其中图(Al)低温合金熔体的温度为620°C，图(Bi)低温合金熔体的温度为640°C，图(Cl)低温合金熔体的温度为600°C，图(Dl)低温合金熔体的温度为 760 0C ο图6是以Al-18% Si合金为例，常规方法制备的合金和本发明制备的合金的微观照片。其中图6a是常规方法制备的合金(实施例2，760°C熔炼并浇铸)，图6b是本发明实施例8制备的合金。图6a和图6b的放大倍率相同，浇铸温度相同，且凝固冷却条件都为 10°C /秒，而初晶硅的晶粒大小、形态及分布却显著不同。图7是不同制备条件得到的过共晶铝硅合金初晶硅晶粒的尺寸比较。从图7中可以看出三方面内容第一，在非混熔情况下，熔体不同状态初晶硅晶粒的差异；第二，在高低温合金熔体混熔情况下，不同熔体状态(950°C熔炼制备的高温熔体，以及1150°C熔炼制备然后降至950°C的高温熔体)引起初晶硅晶粒改善的差异；第三，熔体状态改变后，恰当的混熔工艺(高低温合金熔体的质量比)进一步显著改善初晶硅的效果。
五具体实施例方式以Al-18% Si合金为例，以不同例子从几个层面来阐明本发明方法细化初晶硅的实质内涵及其显著效果。实施例1 制备方法如下将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成分并调整至需要的合金成分，然后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟，以便去除氢气及非金属夹杂物，将所述合金液升温至1080°C并均温30分钟，随后降温至950°C，通氩气精炼5-7分钟去除气体及氧化夹杂物，在覆盖剂的保护下降温至760°C，浇注后以10°C / 秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。实施例2 制备方法如下将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成分并调整至需要的合金成分，以六氯乙烷对合金液精炼20分钟得到合金液，以便去除氢气及非金属夹杂物，将所得合金液浇注并以10°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。实施例3 制备方法如下将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成分并调整至需要的合金成分，以六氯乙烷对合金液精炼20分钟得到合金液，以便去除氢气及非金属夹杂物，将所述合金液升温至950°C并均温30分钟，随后通氩气精炼5-7分钟去除气体及氧化夹杂物，在覆盖剂的保护下降温至760°C，浇注后以10°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件的。实施例1-3的对比分析在单纯的熔体过热工艺情况下，只有在熔体结构与性质状态发生真正改变后，才能够获得有效细化初晶硅的作用。图3和图4表明，实施例3制备的合金在950°C的熔体过热情况下(比常规的熔炼工艺过热近200°C )，并不能有效地细化初晶硅，其初晶硅晶粒 (图4B)与实施例2用常规工艺制备的合金的初晶硅晶粒(图4A)几乎相同，平均尺寸约 50 μ m，且分布不均勻，晶粒形貌棱角分明；而实施例1制备的合金当熔体过热温度处于熔体状态发生实质改变后的相应温度时(图4C的熔体过热温度为1080°C )，在相同凝固冷条件下，初晶硅晶粒平均尺寸细化到18 μ m左右，晶粒棱角有一定程度的钝化。这一规律也可从图7左侧的三种未混熔的直方图比较看出。实施例4 制备方法如下a、将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成
8分并调整至需要的合金成分，然后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟得到合金液，以便去除氢气及非金属夹杂物，在覆盖剂保护下将所述合金液升温至1150°C并均温 30分钟，随后降温至950°C，通氩气精炼5-7分钟去除气体及氧化夹杂物后得到高温合金熔体；将得到的高温合金熔体保温备用并用光卤石覆盖剂保护以防吸气及氧化；b、将铝硅合金原料加至另一台熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟，随后在覆盖剂的保护下降温至620°C，保温30分钟得到低温合金熔体；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以12°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例5 制备方法如下a、高温合金熔体制备方法同实施例4步骤a ；b、低温合金熔体制备方法同实施例4步骤b，不同的是在覆盖剂的保护下降温至 640 "C ；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以12°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例6 制备方法如下a、高温合金熔体制备方法同实施例4步骤a ；b、低温合金熔体制备方法同实施例4步骤b，不同的是在覆盖剂的保护下降温至 600 0C ；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以12°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例7 制备方法如下a、高温合金熔体制备方法同实施例4步骤a ；b、低温合金熔体制备方法同实施例4步骤b，不同的是在覆盖剂的保护下降温至 760 0C ；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以12°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例4-7对比分析本发明所提供的熔体混熔方法，可比以往的单纯熔体过热工艺获得更佳的改善初晶硅晶粒的效果，对比图5B1与图4C即可看出。这种规律也可从图7中比较分析看出。但是，在高温合金熔体合适状态且形态情况下，对于熔体混熔方法，低温合金熔体的温度处于“半固态”的温度范围是否恰当十分重要(液相线以下20 40°C为宜)。以图 5为例，Al-18% Si合金的液相线约673°C，在温度处于600°C、620°C及640°C，合金均处于 “半固态”；高、低温合金熔体混熔比例均为1 0.5;高温合金熔体温度为1150°C;凝固冷却条件12°C /秒。但实施例6中低温合金熔体600°C (图5C1)的温度偏低(比液相线温度低73°C，大于“20 40°C ”的推荐范围)，效果不佳；而实施例7中低温合金熔体760V (图 5D1)的温度超过Al-18% Si合金的液相线，为非半固态，效果也不好。当实施例5中低温合金熔体的温度处于640°C时，该温度比液相线温度低33°C，初晶硅细化、形态及分布的相对效果最佳。而实施例4中低温合金熔体的温度处于620°C时(比液相线温度低53°C，仍大于“20 40°C”的推荐范围)，其效果也次于640°C的低温合金熔体的凝固情况。实施例8:制备方法如下a、将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成分并调整至需要的合金成分，然后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟得到合金液，以便去除氢气及非金属夹杂物，在覆盖剂保护下将所述合金液升温至1080°C并均温 30分钟，随后降温至950°C，通氩气精炼5-7分钟去除气体及氧化夹杂物后得到高温合金熔体；将得到的高温合金熔体保温备用并用光卤石覆盖剂保护以防吸气及氧化；b、将铝硅合金原料加至另一台熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分，熔清后保持温度不变精炼30分钟，随后在覆盖剂的保护下降温至640°C以保证其中具有恰当比例的固态初晶硅，保温30分钟得到低温合金熔体；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以10°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例2与实施例8的对比分析按照本发明实施例8的方法制备的合金(图6b)与常规生产方法制备(实施例2) 的合金(图6a)相比，铝硅合金中初晶硅的尺寸显著细化，且分布更加均勻。图6a中初晶硅尺寸在40-100 μ m(平均尺寸为60 μ m)，初晶硅棱角分明；图6b中初晶硅的平均尺寸则细化到10-13 μ m,晶粒趋于均勻分布，且晶粒的棱角钝化而趋于圆滑过渡。实施例9 本实施例制备方法与实施例5相同，不同的是混熔、浇注后以10°C/秒的降温速率冷却凝固得到过共晶铝硅合金铸件。
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实施例10 制备方法如下a、将铝硅合金原料加至熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼30分钟，熔清后检测成分并调整至需要的合金成分，然后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟得到合金液，以便去除氢气及非金属夹杂物，在覆盖剂保护下将所述合金液升温至950°C，通氩气精炼5-7分钟去除气体及氧化夹杂物后得到高温合金熔体；将得到的高温合金熔体保温备用并用光卤石覆盖剂保护以防吸气及氧化；b、将铝硅合金原料加至另一台熔炼炉中混合，升温至760°C熔炼，熔清后保持温度不变以六氯乙烷对合金液精炼20分钟，随后在覆盖剂的保护下降温至640°C以保证其中具有恰当比例的固态初晶硅，保温30分钟得到低温合金熔体；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以2 1的质量比混熔得混合合金熔体，混熔时是将高温合金熔体加入低温合金熔体中，在光卤石覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至760°C，浇注后以10°C /秒的降温速率冷却得到过共晶铝硅合金铸件。步骤a与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。实施例11 本实施例制备方法同实施例9，不同的是步骤的质量比为1 1。实施例12 本实施例制备方法同实施例10，不同的是步骤的质量比为1 1。实施例13:本实施例制备方法同实施例9，不同的是步骤的质量比为1 2。实施例14:本实施例制备方法同实施例10，不同的是步骤的质量比为1 2。实施例9-14的对比分析熔体混熔的高温合金熔体状态，对最终凝固组织至关重要。如图7的两条曲线的对比所示，在低温合金熔体同为640°C的情况下，按所示的不同混熔比例进行混熔熔体结构与性质状态变化结束之后的高温合金熔体(以1150°C温度熔炼30分钟，冷却到950°C )， 与熔体状态变化结束之前的高温合金熔体(以950°C温度熔炼30分钟)相比，前者的初晶硅平均尺寸为10. 8-12. 9 μ m，而后者的初晶硅平均尺寸为18. 2-21. 2 μ m。从图7中还可以看出，高温合金熔体与低温合金熔体的最佳质量比为2 1。
c中高温合金熔体和低温合金熔体 c中高温合金熔体和低温合金熔体 c中高温合金熔体和低温合金熔体 c中高温合金熔体和低温合金熔体
权利要求
1.一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法，其特征在于按以下步骤操作a、将铝硅合金原料按配比量混合后升温至760-79(TC熔炼，熔清后保持温度不变进行精炼得到合金液，在覆盖剂的保护下将所述合金液升温至1080-1150°C均温20-30分钟，随后降温至950°C，精炼后得到高温合金熔体；b、将铝硅合金原料混合后升温至760-790°C熔炼，熔清后保持温度不变进行精炼，随后在覆盖剂的保护下降温至特定半固态温度区间保温30分钟得到低温合金熔体；所述特定半固态温度区间为铝硅合金组分对应的液相线温度以下20-40°C ；C、将步骤a得到的高温合金熔体和步骤b得到的低温合金熔体以1 1-2 1的质量比混熔得混合合金熔体，在覆盖剂的保护下将所述混合合金熔体降温至720-750°C，浇注并降温凝固后得到过共晶铝硅合金铸件。
2.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法，其特征在于步骤a 与步骤b中的铝硅合金原料的组成成分相同。
3.根据权利要求1所述的细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法，其特征在于步骤c 中所述混熔是将高温合金熔体加入低温合金熔体中。
全文摘要
本发明公开了一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法，是将经历了熔体性质与结构状态变化之后的高温合金熔体与处于特定半固态温度区间的低温合金熔体按1∶1-2∶1的质量比混熔得到混合合金熔体，在覆盖剂的保护下将混合合金熔体降温至720-750℃，浇注并降温凝固后得到过共晶铝硅合金铸件。本发明不需添加变质剂，避免了通常所用变质剂对生产及社会环境造成的严重污染，在普通铸造的较快冷却条件下(8-10℃/秒)，可使初晶硅平均尺寸由50μm左右细化到11-13μm，且分布趋于均匀，硅晶粒棱角钝化。
文档编号C22C1/02GK102337417SQ20111026791
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者刘兰俊, 席赟, 祖方遒, 陈忠华, 韩严法, 黄中月 申请人:合肥工业大学