一种富铁铝硅变质合金及其制备方法与流程

本发明涉及合金
技术领域：
，尤其涉及一种富铁铝硅变质合金及其制备方法。
背景技术：
：富铁铝硅合金是再生铝合金的重要组成部分，一般通过废旧铝合金制品经过回收处理再利用制成，如日本牌号的adc12合金，美国牌号的a356合金，其特点是fe元素的含量偏高(＞0.9wt.％)，因此称为富铁铝硅合金；主要应用于汽车领域，用作汽车、摩托车的轮毂材料等。富铁铝硅合金中的fe和si的形态是危害合金组织性能的主要原因，长针状的粗大富铁相和细小针状的共晶硅对铝硅合金基体产生明显的割裂作用，很大程度的破坏了铝基体的连续性，进一步促进了合金基体中裂纹的扩展，从而危害铝硅合金的力学性能。此外，铝合金的力学性能尤其是耐磨性能相对较差，富铁相为含铁元素的金属间化合物，硬度较高，在一定程度上有利于铝硅合金的磨损性能，将再生铝硅合金中的杂质fe元素视为可有效改善复合合金材料耐磨性能的有益元素，通过变质作用利用fe元素来改善合金的磨损性能，对于高铁再生铝硅合金的耐磨应用具有重要意义。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种富铁铝硅变质合金，较富铁铝硅合金的耐磨损性能和力学性能显著提高。为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种富铁铝硅变质合金，包括以下重量百分比的组分：si9.0～11.0wt.％、fe1.4～1.6wt.％、co2.2～2.3wt.％、er＞0且≤0.71wt.％、余量的al和不可避免的杂质。本发明提供了上述技术方案所述富铁铝硅变质合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将al-10si合金进行熔炼，得到熔液；(2)向所述熔液中加入al-75fe、al-10co和al-10er合金，进行变质反应，得到变质合金液；(3)将所述变质合金液依次进行精炼和浇铸，得到富铁铝硅变质合金；各原料用量对应权利要求1所述的富铁铝硅变质合金的成分组成。优选的，所述步骤(1)中的熔炼包括：将al-10si合金加热至740～760℃进行熔化，加覆盖剂保温10～15min后扒渣。优选的，所述覆盖剂为nacl和kcl的混合物，所述nacl和kcl的质量比为43.5:56.5。优选的，所述覆盖剂的质量为各合金原料总质量的2.0～3.0％。优选的，所述步骤(2)中变质反应的温度为845～855℃，变质反应的时间为20～30min。优选的，所述步骤(3)中精炼的温度与变质反应的温度相同，精炼的时间为10～20min。优选的，所述步骤(3)中精炼采用的精炼剂为c2cl6，精炼剂的质量为变质合金液质量的1.5～2.5％。优选的，所述步骤(3)中浇铸的温度为715～725℃。优选的，所述浇铸前还包括对浇铸用模具进行预热，所述预热的温度为195～205℃。本发明提供了一种富铁铝硅变质合金，包括以下重量百分比的组分：si9.0～11.0wt.％、fe1.4～1.6wt.％、co2.2～2.3wt.％、er＞0且≤0.71wt.％、余量的al和不可避免的杂质。本发明通过在富铁铝硅合金中添加适量的变质元素co和er，配合其他组分，可以使有害针状铁相变质成块状，使铁相得到有效的变质，进而提高了富铁铝硅合金的强韧性和耐磨性；此外，co和er与其他组分配合作用，还能够细化共晶硅，同时与富铁铝硅合金形成al-er合金相，使合金塑性得到增强，抗拉强度也有所提升。实施例的结果表明，本发明提供的富铁铝硅变质合金相比于未添加co和er的富铁铝硅合金的抗拉强度和断后延伸率分别提高了70～75.7％和63.2～92.8％；在摩擦副材料为硬质合金tg20，转速为200r/min，载荷为200n，摩损时长为30min(6000转)的条件下，未添加co和er的富铁铝硅合金的磨损量为0.3046g，而本发明提供的富铁铝硅变质合金的磨损量仅为0.1287～0.149g，耐磨损性能大幅提高。附图说明图1～4为实施例1～4试样的金相组织照片；图5～8为实施例1～4试样的拉伸断口的sem图。具体实施方式本发明提供了一种富铁铝硅变质合金，包括以下重量百分比的组分：si9.0～11.0wt.％、fe1.4～1.6wt.％、co2.2～2.3wt.％、er＞0且≤0.71wt.％、余量的al和不可避免的杂质。本发明提供的富铁铝硅变质合金，包括9.0～11.0wt.％的si，优选为10～11wt.％。本发明提供的富铁铝硅变质合金，包括1.4～1.6wt.％的fe，优选为1.45～1.58wt.％。本发明提供的富铁铝硅变质合金，包括2.2～2.3wt.％的co，优选为2.22～2.28wt.％。本发明提供的富铁铝硅变质合金包括er，所述er的含量＞0且≤0.71wt.％，优选为0.11～0.71wt.％，进一步优选为0.4～0.6wt.％。本发明通过在富铁铝硅合金中添加适量的变质元素co，可以使有害针状铁相变质成块状，使铁相得到有效的变质细化，进而提高了富铁铝硅合金的耐磨性；通过添加适量的er，er能够细化共晶硅，同时与富铁铝硅合金形成al-er合金相，使合金塑性得到增强，抗拉强度也有所提升。本发明还提供了上述技术方案所述富铁铝硅变质合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将al-10si合金进行熔炼，得到熔液；(2)向所述熔液中加入al-75fe、al-10co和al-10er合金，进行变质反应，得到变质合金液；(3)将所述变质合金液依次进行精炼和浇铸，得到富铁铝硅变质合金；各原料的用量对应上述技术方案所述富铁铝硅变质合金的成分组成。未经特殊说明，本发明各原料均采用本领域技术人员熟知的市售商品或本领域熟知的制备方法得到。本发明将al-10si合金进行熔炼，得到熔液。在本发明中，所述熔炼优选包括：将al-10si合金加热至740～760℃进行熔化，加覆盖剂保温10～15min后扒渣，得到熔液。在本发明中，所述覆盖剂优选为nacl和kcl的混合物，所述nacl和kcl的质量比优选为43.5:56.5。在本发明中，所述覆盖剂的质量优选为各合金原料总质量的2.0～3.0％，即al-10si、al-75fe、al-10co和al-10er合金总质量的2.0～3.0％，进一步优选为2.0％。本发明所述覆盖剂能够起到对熔液保温的作用并能够避免合金与空气接触而氧化。得到熔液之后，本发明向所述熔液中加入al-75fe、al-10co和al-10er合金，进行变质反应，得到变质合金液。在本发明中，所述变质反应的温度优选为845～855℃，进一步优选为850℃；变质反应的时间优选为20～30min，更优选为30min。本发明所述变质反应优选在搅拌条件下进行。本发明对所述搅拌的速率没有特殊要求，不引起合金液飞溅即可。本发明对所述al-75fe、al-10co和al-10er合金的加入顺序没有特殊要求，先添加哪种合金或同时加入三种合金均可。本发明在制备过程中用到的各原料的用量根据上述技术方案所述富铁铝硅变质合金的成分组成计算得到。变质过程中，富铁铝硅合金中的长针状富铁相β-al5fesi转变为小块状的α-al15(fe,co)3si2相，提升了合金的硬度；由于富铁相从长针状转变为均匀的小块状，起到了合金富铁相晶粒细化的作用，使合金的抗拉强度得到提高；另一方面，合金中均匀分布的富铁钴金属间化合物α-al15(fe,co)3si2相在压力磨损中会阻碍周围金属的相互流动，从而抵抗摩擦磨损过程中的塑性变形，起到一定的强化作用从而增强合金的耐磨性；此外，er的加入在合金析出的al-er相，导致共晶硅的细化，从而使合金的塑性得到进一步增强。得到变质合金液后，本发明将所述变质合金液依次进行精炼和浇铸，得到富铁铝硅变质合金。在本发明中，所述精炼的温度优选与变质反应的温度相同；所述精炼的时间优选为10～20min，更优选为10min。在本发明中，所述精炼采用的精炼剂优选为c2cl6，精炼剂的质量优选为变质合金液质量的1.5～2.5％，更优选为2％。本发明所述精炼有利于净化变质合金液。在本发明中，所述浇铸的温度优选为715～725℃，进一步优选为720℃。本发明优选将精炼后的合金液冷却至浇铸温度然后进行浇铸。本发明对所述冷却的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的冷却方式即可。所述浇铸前，本发明优选对浇铸用模具进行预热，所述预热的温度优选为195～205℃，更优选为200℃。本发明对所述浇铸用模具的形状没有特殊要求，根据实际需要进行选择即可。下面结合实施例对本发明提供的富铁铝硅变质合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1在功率为7.5kw的石墨坩埚电阻炉中将al-10si合金加热至700±10℃熔化，加入各合金原料总质量2％的覆盖剂(为nacl和kcl的混合物，nacl和kcl的质量比为1:1.5)保温10min后扒渣，得到熔液；将所述熔液升温至850±5℃，按照al-10si-1.5fe-2.25co-0.1er成分进行配比，均匀地加入适量配比后的al-75fe、al-10co和al-10er合金，搅拌并保温30min，得到变质合金液；向所述变质合金液中加变质合金液质量2％的精练剂(c2cl6)，静置10min；待合金熔体降温至720±5℃，将熔体浇注入200℃预热的φ25mm×150mm的金属型模具中，冷却凝固制成富铁铝硅变质合金，实际成分见表1。实施例2～4按照实施例1的方法制备富铁铝硅变质合金，与实施例1的不同之处仅在于原料的配比，分别按照al-10si-1.5fe-2.25co-0.3er(实施例2)、al-10si-1.5fe-2.25co-0.5er(实施例3)、al-10si-1.5fe-2.25co-0.7er(实施例4)进行配比，得到的合金的实际成分见表1。对比例1按照实施例1的方法制备富铁铝硅合金，与实施例1的不同之处在于合金按照al-10si-1.5fe进行配比，即得到的为富铁铝硅合金，不含co和er；最终制得的富铁铝硅合金的成分见表1。对比例2按照实施例1的方法制备富铁铝硅变质合金，与实施例1的不同之处在于合金按照al-10si-1.5fe-2.25co进行配比，不含er；最终制得的富铁铝硅变质合金的成分见表1。对比例3按照实施例1的方法制备富铁铝硅合金，与实施例1的不同之处在于合金按照al-10si-1.5fe-0.50er进行配比，不含co；最终制得的富铁铝硅变质合金的成分见表1。表1实施例1～4及对比例1合金的实际成分对实施例1～4的试样进行金相组织观察，结果分别如图1～4所示。其中，图1～4依次对应实施例1～4，图1～4中(a)为500倍的金相显微照片，(b)为对应试样的1000倍金相显微照片。图1～4显示，不同试样中的铁钴化合物(深灰色)均为块状，说明铁相得到有效的变质，有利于提高富铁铝硅合金的强韧性及耐磨性，同时，浅灰色的共晶硅也较为细小，且随着er元素含量的增多，共晶硅的细化逐渐明显，从针状逐渐向圆粒状转变，当er含量为0.5％时共晶硅最为细小，达到最佳的细化效果，进一步提升了合金的强度和塑性。在室温下于instron8801试验系统上进行拉伸测试，拉伸速率为1m/min，拉伸试样限制采用astme8m-04标准，对对比例1～3得到的富铁铝硅合金以及实施例1～4得到的富铁铝硅变质合金的抗拉强度和断后延伸率进行测定，测试结果见表2。表2对比例1及实施例1～4的抗拉强度和拉伸率测试结果抗拉强度/mpa断后延伸率/％对比例191.530.98对比例2150.71.51对比例3143.21.32实施例1155.51.60实施例2159.01.78实施例3160.81.89实施例4158.71.74由表2的数据可知，本发明提供的富铁铝硅变质合金较富铁铝硅合金(对比例1)的抗拉强度和断后延伸率均有大幅提高；同时较仅添加co(对比例2)和仅添加er(对比例3)进行变质的富铁铝硅变质合金，抗拉强度和断后延伸率也均有大幅提高，特别是塑性的提高，说明本发明变质合金的强韧性的提高是co与er配合作用的结果。摩擦磨损实验选用的摩擦副材料为硬质合金tg20，转速为200r/min，载荷为200n，摩损时长为30min(6000转)。对对比例1～3得到的富铁铝硅合金以及实施例1～4得到的富铁铝硅变质合金进行摩擦磨损试验，结果如表3所示。表3对比例1及实施例1～4的磨损量和磨损系数磨损量/g磨损系数对比例10.30460.823对比例20.10010.693对比例30.18470.7912实施例10.14900.7832实施例20.14520.7726实施例30.12870.7683实施例40.13050.7583由表3的数据可知，本发明提供的富铁铝硅变质合金较富铁铝硅合金(对比例1)的磨损量大幅降低，说明本发明提供的富铁铝硅变质合金的耐磨损性能明显提高；此外，实施例与仅添加co(对比例2)相比，磨损量有所提高，这主要与复合er的加入使合金的硬度有所下降有关。但是，和仅添加er(对比例3)进行变质的富铁铝硅变质合金相比，磨损量明显降低，说明co与er协同作用对合金的综合力学性能提高起到很大作用。对实施例1～4的试样的拉伸断口进行sem观察，结果如图5～8所示，图5～8分别为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4试样拉伸断口的sem图。图5～8显示，在不同试样的拉伸断口处有很多细小的韧窝，说明合金存在较多的韧性断裂，这是由于共晶硅得到细化的缘故。由以上实施例可知，本发明提供了一种富铁铝硅变质合金及其制备方法，本发明提供的富铁铝硅变质合金较富铁铝硅合金相比于未添加co和er的富铁铝硅合金的抗拉强度和断后延伸率分别提高了70～75.7％和63.2～92.8％；在摩擦副材料为硬质合金tg20，转速为200r/min，载荷为200n，摩损时长为30min(6000转)的条件下，未添加co和er的富铁铝硅合金的磨损量为0.3046g，而本发明提供的富铁铝硅变质合金的磨损量仅为0.1287～0.149g，耐磨损性能大幅提高。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12