CN103981386B - 亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，以Sr和B对硅含量为2～13.5wt.%的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理，处理后，使合金熔体中的Sr含量为0.005～0.1%，B含量为0.005～0.1%，Sr与B的质量比值为0.3～5。采用铝硼中间合金作为细化剂，对铝硅合金具有良好的晶粒细化效果；采用铝锶中间合金作为变质剂，可有效变质铝硅合金中的共晶硅。通过控制熔炼及变质和细化处理工艺，所加入的变质剂对共晶硅有良好变质效果的同时，晶粒细化剂对α-Al也有良好的细化效果，使铸锭组织同时得到变质及细化，可以有效避免锶和硼之间的相互毒化作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种亚共晶和共晶铝硅合金铸锭的变质及细化处理的方法，属于铝合金熔炼与铸造技术领域。
背景技术
铝硅合金具有轻质、高强度、高耐磨性、高耐热性、优良的体积稳定性等优点，在机械、汽车等领域有着广泛的应用。
铝硅合金的典型组织包括α-Al、初晶硅、共晶硅以及少量的合金相。其中，初晶硅和共晶硅是脆性相，两者的形态、大小和分布是影响合金力学性能的主要因素。未经变质的铝硅合金中初晶硅呈粗大的不规则块状分布，共晶硅呈细长针状。在载荷作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位易引起局部应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响合金的塑性、强度。因此，铝硅合金在铸造时一般对硅相进行变质处理，改善硅相的形态和大小，以改善合金力学性能。另外，α-Al的组织形态和大小也对合金性能有一定程度的影响，因此铝硅合金还须对α-Al进行细化处理。
工业生产中广泛采用在熔体中加入变质剂的方法对铝硅合金进行变质处理。铝硅合金常用的变质剂体系有钠(Na)、锶(Sr)和磷(P)，其中磷变质剂主要用于过共晶铝硅合金中初晶硅的变质处理，而钠和锶对共晶硅的变质效果较好，常用于亚共晶和共晶铝硅合金的变质处理。但是钠是化学活泼性元素，在变质处理过程中氧化烧损严重、有易挥发性，因而钠的收得率不易控制，同时变质有效期较短，一般为30～60min，因此采用钠变质时对变质效果的控制较难。(见：丁文江，黄良余，翟春泉，等.Al-Si合金中锶、钠、锑变质作用机理.兵器材料科学与工程，1986，(8)：35-41.)锶的变质效果仅次于钠，但在熔体中的收得率高、变质有效期长。因此，越来越多的铸造厂在生产铝硅合金时采用锶变质。(见：鲁薇华，王汝耀.锶变质铝硅合金的组织、性能及其变质工艺.铸造，1997，62(9)：44-49.)但采用锶变质时，会提高合金熔体吸气倾向，合金易产生针孔、气孔、疏松等缺陷。这一缺点提高了锶变质时的熔炼和变质工艺控制要求，也限制了锶变质的应用范围。
为提高合金力学性能，铝硅合金铸锭生产过程中在对共晶硅进行变质处理的同时，还需对α-Al进行细化处理，减少铸锭组织中的粗大柱状晶的比例，使α-Al组织转变为以尺寸较小的等轴晶为主的组织。当铝合金中的硅含量大于1.5wt.％时，传统的Al-5Ti-B晶粒细化剂的细化能力显著降低，而以Al-B中间合金作为晶粒细化剂具有较强的细化能力。但当锶变质剂与含硼细化剂同时使用时，如果锶和硼的添加量控制不当，锶与硼之间易发生相互毒化作用，同时降低变质和细化效果。(见：廖恒成，孙国雄.铸造Al-Si合金中Sr与B间反应产物的研究.金属学报，2003，39(2)：155-158.)因此，控制铝硅合金熔体中的锶和硼的浓度是获得良好变质及细化效果的关键。
由于单质Sr不易保存，一般采用Al-Sr中间合金的方式在熔体中加入Sr。在Sr变质剂中加入其他元素，可以达到提高Sr的溶解和吸收速率、降低熔体吸气等目的。如在Al-Sr中间合金中加入稀土元素Ce，以降低熔体的吸气倾向(中国专利201210245736.6)。但稀土元素Ce价格较高，提高了生产成本。在Al-Sr中间合金中加入Ti和B元素形成Al-Ti-B-Sr中间合金(美国专利5230754，中国专利201010501445.X)，使变质和细化通过一次加入Al-Ti-B-Sr中间合金完成。首先，Al-Ti-B-Sr中间合金塑性不好，不易加工成操作性较好的线材或丝材。其次，一次加入Al-Sr-Ti-B中间合金，不能单独精确控制Sr、Ti、B在熔体中的含量。特别是针对不同Si含量的Al-Si合金，需根据Si含量合理控制熔体中的Sr和B的含量，才能达到最优的变质和细化效果。再次，有研究发现，对于Al-Si合金，熔体中同时存在Sr、Ti、B时，易于形成SrB6和TiB2颗粒，这两种颗粒的密度比铝液密度大得多，易发生沉积现象，导致变质和细化作用的衰退加快。
综上所述，目前工业生产亚共晶和共晶铝硅合金铸锭的晶粒细化处理和变质处理的方法仍不成熟，难以同时获得细小的α-Al等轴晶组织和细小纤维状共晶组织。因此急需一种稳定高效且易操作的处理方法，改善工业生产中铝硅合金的铸锭组织。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，特点是：以Sr和B对硅含量为2～13.5wt.％的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理，处理后，使合金熔体中的Sr含量为0.005～0.1％，B含量为0.005～0.1％，Sr与B的质量比值为0.3～5。
进一步地，上述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，首先，熔炼亚共晶或共晶铝硅合金并将合金液的成分控制在标准范围内，保持熔体温度在650～850℃范围内，将Sr变质剂加入到熔体中，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀；
然后，除气精炼，除气精炼后静置10～120min，然后扒去浮渣；
然后，将熔体导入在线除气装置中，保持熔体温度在650～850℃范围内；
然后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将B细化剂加入到熔体中；
最后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将熔体浇注成形为零件或铸坯。
更进一步地，上述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，所述Sr变质剂的添加量为熔体中Sr含量0.005～0.1％；所述B变质剂的添加量为熔体中B含量0.005～0.1％，Sr与B的质量比值为0.3～5。
再进一步地，上述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，熔体浇注成形铸造时的冷却速度为1～1000℃/s。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①采用铝硼中间合金作为细化剂，对铝硅合金具有良好的晶粒细化效果；采用铝锶中间合金作为变质剂，可有效变质铝硅合金中的共晶硅。通过控制熔炼及变质和细化处理工艺，所加入的变质剂对共晶硅有良好变质效果的同时，晶粒细化剂对α-Al也有良好的细化效果，使铸锭组织同时得到变质及细化，可以有效避免锶和硼之间的相互毒化作用；
②锶的变质有效期和硼的细化有效期均较长，对冷却速度敏感性低，对较大规格铸锭也能获得优良的变质和细化效果，可以满足砂型铸造、金属型铸造、半连续铸造等多种生产工艺的要求；
③采用的变质剂和细化剂中不含贵重元素和有毒元素，具有易于操作、成本低廉、安全环保等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：合金熔体中Sr和B的含量控制示意图；
图2：未变质共晶铝硅合金(含硅11.0～13.5wt.％)铸锭显微组织照片，共晶硅呈粗大板条状；
图3：单独采用锶变质的共晶铝硅合金铸锭的显微组织照片，共晶硅呈细小纤维状，但α-Al为粗大的柱状树枝晶；
图4：单独采用锶变质的共晶铝硅合金铸锭的高倍显微组织照片，经锶变质的铝硅合金中共晶硅已转变为细小的纤维状；
图5：采用本发明方法处理的共晶铝硅合金铸锭的显微组织照片，α-Al为尺寸较细小的等轴晶，与图3相比已明显细化；
图6：采用本发明方法处理的共晶铝硅合金铸锭的高倍显微组织照片，在α-Al晶粒细化的同时，共晶组织仍然呈细小的纤维状。
具体实施方式
亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，以Sr和B对硅含量为2～13.5wt.％的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理，处理后，使合金熔体中的Sr含量为0.005～0.1％，B含量为0.005～0.1％，Sr与B的质量比值为0.3～5。
亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，首先，熔炼亚共晶或共晶铝硅合金并将合金液的成分控制在标准范围内，保持熔体温度在650～850℃范围内，将Sr变质剂加入到熔体中，Sr变质剂的添加量为0.005～0.1％，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀；
然后，除气精炼，除气精炼后静置10～120min，然后扒去浮渣；
然后，将熔体导入在线除气装置中，保持熔体温度在650～850℃范围内；
然后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将B细化剂加入到熔体中；
最后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将熔体浇注成形为零件或铸坯，铸造时的冷却速度为1～1000℃/s。
Sr变质剂主要起变质共晶硅的作用，B细化剂主要起细化α-Al晶粒的作用。本发明通过控制精炼、添加变质剂、添加细化剂、搅拌、在线除气等工序的处理次序、温度和时间等工艺参数，并控制熔体中的锶和硼的比例，可以有效避免锶和硼之间的相互毒化作用，有效减少熔体中的气体含量，减少铸件的气孔和疏松等缺陷。经本发明的方法处理的亚共晶和共晶铝硅合金熔体，在铸造温度为650～850℃，冷却速度为1～1000℃/s的铸造条件下，铸锭组织中的共晶硅呈细小的纤维状，同时α-Al晶粒细小，并可以将铸锭针孔、气孔、疏松等缺陷控制在合理范围以内。
下面对本发明涉及的亚共晶和共晶铝硅合金成分、变质剂、细化剂及熔炼和铸造等工艺条件进行说明。
合金成分：
亚共晶和共晶铝硅合金的硅含量为2～13.5wt.％。Al-Si合金中通常加入其他合金元素，如Cu、Mg、Ni等元素，改善Al-Si合金性能。典型的Al-Si合金成分范围包括：
合金1：Al-Si合金，Si含量：2～13.5％。
合金2：Al-Si-Cu合金，Si含量：2～13.5％，Cu含量：0.1～4％。
合金3：Al-Si-Cu-Mg合金，Si含量：2～13.5％，Cu含量：0.1～4％，Mg含量：0.2～2％。
合金4：Al-Si-Cu-Mg-Ni合金，Si含量：2～13.5％，Cu含量：0.1～4％，Mg含量：0.2～2％，Ni含量：0.2～2％。
Al-Si合金的共晶点为12.6％，组织中的Si相的大小、形态和分布是影响合金力学性能的重要因素。对于Al-Si合金，当Si含量大于2％而低于共晶点成分时，随着Si含量的增大，熔体流动性增强，合金中共晶硅比例增大，合金力学性能特别是强度和耐磨性铸件提高。当Si含量大于13.5％时，铸造时合金中优先生成块状的初晶硅，显著降低合金的力学性能和切削性能。当Si含量在12.6％附近时，在其他合金元素和变质元素Sr的作用下，可抑制初晶硅的生成。因此，采用本发明的变质和细化方法处理Al-Si合金时，其Si含量需控制在2～13.5％。
Sr变质：Sr变质剂对Al-Si合金中的共晶硅的变质效果主要与Sr含量、变质温度和保温时间有关。当Sr含量低于0.005％时，合金中的共晶硅仍然呈短针棒状，由于Sr含量太低从而达不到变质效果；当Sr含量高于0.1％时，产生过变质组织，同时Sr含量过高将增强熔体吸气。在熔体中加入Sr变质剂时，Sr变质剂溶解到熔体中需5～30min。熔体温度越高、搅拌越充分，Sr的溶解越快，但温度太高不仅耗费能源，并且导致熔体吸气严重。因此，采用Sr变质时需控制熔体中Sr含量在0.005～0.1％，并保持熔体温度在650～850℃范围内，并在加入Sr变质剂后5～120min进行浇注。
B细化：
合金熔体中添加B作为细化剂，主要通过AlB2颗粒起细化作用。当B含量低于0.005％时，熔体中生成的AlB2浓度太低，α-Al形核位置少，对α-Al的细化作用不明显。当B含量高于0.1％时，过多的B不但不会增强细化作用，与Sr反应生成大量的Sr-B化合物或Al-Sr-B三元化合物，消耗大量的Sr，使得Sr变质不充分。因此，采用B细化时需控制熔体中B含量在0.005～0.1％。
Sr/B：0.3～5
当Al-Si合金熔体中同时存在Sr和B元素时，Sr与B易于反应生成化合物相SrB6，该相的生成消耗大量的Sr和B，即产生相互毒化作用，同时降低Sr的变质效果和B的细化效果。控制熔体中Sr/B质量比是抑制Sr与B相互毒化作用的关键。当熔体中Sr/B质量比低于0.3时，B含量过高而Sr含量不足，对共晶硅的变质不够充分，产生欠变质组织；当熔体中Sr/B质量比高于5时，Sr浓度过高，α-Al枝晶开始粗化，并出现细棒状硅相，导致合金力学性能下降。因此，当联合使用Sr和B对Al-Si合金进行变质和细化处理时，根据合金成分特别是硅含量控制熔体中的Sr和B的含量以及Sr/B质量比，如图1，并严格控制熔体温度等工艺参数，才能有效避免Sr与B的相互毒化作用，使合金获得良好的变质和细化效果。
铸造温度：合金液相线温度以上80～200℃
为了保持变质剂对共晶硅的变质效果和熔体良好的流动性，亚共晶和共晶铝硅合金的铸造温度应保证高于液相线温度80～200℃。熔体温度在高于液相线温度以上80℃时，Si在合金中的溶解较为充分，变质剂和细化剂在熔体中的溶解和扩散速度较快，变质和细化作用能得到有效发挥。此外，在亚共晶和共晶铝硅合金的熔炼中，熔体温度一般不超过850℃，否则将加剧氧化烧损和吸气倾向。如Si含量为8wt.％的亚共晶Al-Si合金液相线温度约为610℃，其铸造温度应保证在690℃以上。
冷却速度：1～1000℃/s
亚共晶和共晶Al-Si合金中共晶硅的变质以及α-Al的细化不仅和变质剂及工艺有关，冷却速度也是重要的影响因素。合金冷却速度低于1℃/s时，由于冷却慢凝固时间长，对共晶硅的变质需更高含量的Sr变质剂，同时α-Al易出现长大和粗化，难以得到期望的细化组织。当冷却速度大于1000℃/s时，采用常规成形工艺及模具难以实现。
实施例1：亚共晶铝硅合金的变质及细化处理。亚共晶铝硅合金，硅含量6.5～7.5wt.％，详细化学成分如表1中的合金A。
熔炼设备采用15kg电阻炉，先往熔炼炉中投入电解铝和铝硅中间合金，待炉料完全熔化后以中间合金或纯金属的形式加入其他合金元素，控制各合金元素成分。保持熔体温度为650～850℃，加入Al-Sr中间合金，使熔体中的锶质量为熔体总质量的0.005～0.1％；加入Al-Sr中间合金后搅拌均匀；在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为650～850℃，通气时间为10～40min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；加入Al-B中间合金，使熔体中的硼质量为熔体总质量的0.005～0.1％；保持熔体温度为650～850℃，将熔体浇入石墨模具中铸造成铸锭。
各批次实验的Sr含量和B含量以及实验结果如表2中编号为1～6的实验。
实施例2：亚共晶铝硅合金的变质及细化处理。亚共晶铝硅合金，硅含量9～10wt.％，详细化学成分如表1中的合金C。
熔炼设备采用15kg电阻炉，先往熔炼炉中按比例投入电解铝和铝硅中间合金，待炉料完全熔化后控制各合金元素成分。保持熔体温度为650～850℃，加入Al-Sr中间合金，使熔体中的锶质量为熔体总质量的0.005～0.1％；加入Al-Sr中间合金后搅拌均匀；在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为650～850℃，通气时间为10～40min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；加入Al-B中间合金，使熔体中的硼质量为熔体总质量的0.005～0.1％；保持熔体温度为650～850℃，将熔体浇入铸铁模具中铸造成铸锭。
各批次实验的Sr含量和B含量以及实验结果如表2中编号为7～12的实验。
表1亚共晶和共晶铝硅合金化学成分
表2不同Sr、B含量对铸造组织的影响
注：共晶硅变质级别参考美国铸造协会发布的铝合金中共晶硅变质级别的定量金相标准
实施例3：共晶铝硅合金铸锭的变质及细化处理。共晶铝硅合金的含量11.0～13.5wt.％，详细化学成分如表1中的合金D。下面以合金D的Φ300mm铸锭半连铸生产过程中的变质及细化处理为例，说明本发明的具体实施方法。
熔炼设备采用500kg电阻炉，先往熔炼炉中投入电解铝与多晶硅或铝硅中间合金，待炉料完全熔化后以中间合金或纯金属的形式加入其他合金元素，控制各合金元素成分。保持熔体温度为650～850℃，加入Al-Sr中间合金，使熔体中的锶质量为熔体总质量的0.005～0.1％；加入Al-Sr中间合金后搅拌均匀；在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为650～850℃，通气时间为10～40min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；将熔体导入石墨转子在线除气装置中，对熔体进行在线除气处理，处理温度为650～850℃；加入Al-B中间合金，使熔体中的硼质量为熔体总质量的0.005～0.1％；保持熔体温度为650～850℃，将熔体浇入Φ300半连铸结晶器中进行半连续铸造，连铸速度50～150mm/min，冷却水流量1～4m3/h。
各批次实验的Sr含量和B含量以及实验结果如表2中编号为13～18的实验。实验13未加变质剂和细化剂，获得的铸锭组织的共晶硅为粗大板条状，如图2所示。实验16的共晶铝硅合金铸锭的组织如图5和图6所示。与单独采用锶变质的铸锭组织(实验14获得，如图3、图4)相比，当联合使用铝锶中间合金和铝硼中间合金时，铸锭组织中的α-Al柱状晶数量和尺寸均减小，α-Al主要为尺寸较细小的等轴晶，如图5、图6所示，共晶硅呈细小纤维状，表明在α-Al获得细化的同时，共晶硅也获得了良好的变质。
本发明采用铝硼中间合金作为细化剂，对铝硅合金具有良好的晶粒细化效果；采用铝锶中间合金作为变质剂，可有效变质铝硅合金中的共晶硅。通过控制熔炼及变质和细化处理工艺，所加入的变质剂对共晶硅有良好变质效果的同时，晶粒细化剂对α-Al也有良好的细化效果，使铸锭组织同时得到变质及细化，可以有效避免锶和硼之间的相互毒化作用；锶的变质有效期和硼的细化有效期均较长，对冷却速度敏感性低，对较大规格铸锭也能获得优良的变质和细化效果，可以满足砂型铸造、金属型铸造、半连续铸造等多种生产工艺的要求；采用的变质剂和细化剂中不含贵重元素和有毒元素，具有易于操作、成本低廉、安全环保等优点。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，其特征在于：以Sr和B对硅含量为2～13.5wt.%的亚共晶和共晶铝硅合金进行变质及细化处理，处理后，使合金熔体中的Sr含量为0.005～0.1%，B含量为0.005～0.1%，Sr与B的质量比值为0.3～5。
2.根据权利要求1所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，其特征在于：首先，熔炼亚共晶或共晶铝硅合金并将合金液的成分控制在标准范围内，保持熔体温度在650～850℃范围内，将Sr变质剂加入到熔体中，搅拌熔体使Sr溶解充分并分布均匀；
然后，除气精炼，除气精炼后静置10～120min，然后扒去浮渣；
然后，将熔体导入在线除气装置中，保持熔体温度在650~850℃范围内；
然后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将B细化剂加入到熔体中；
最后，保持熔体温度在650～850℃范围内，将熔体浇注成形为零件或铸坯。
3.根据权利要求2所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，其特征在于：所述Sr变质剂的添加量为使熔体中Sr含量为0.005～0.1%；所述B细化剂的添加量为使熔体中B含量为0.005～0.1%。
4.根据权利要求2所述的亚共晶和共晶铝硅合金变质及细化的方法，其特征在于：熔体浇注成形铸造时的冷却速度为1～1000℃/s。
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