CN110358950A - 亚共晶铸造铝硅合金变质方法 - Google Patents

亚共晶铸造铝硅合金变质方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚共晶铸造铝硅合金变质方法，按元素质量百分数为Si：6.000‑12.600％；Sr：0.001‑0.150％，La或RE：0.020‑0.122％，B：0.001‑0.150％，并且Sr/B质量比不大于1.351，La/B或RE/B质量比在1‑5之间；余量为Al进行备料，并经过熔化、精炼除气、加料和保温浇铸过程进行熔炼铸造得到铝硅合金，变质等级为4‑6级，变质有效期为2‑3小时。本发明使Sr、La、B总投料量降低62.3‑72.5％，改性元素的质量分数之和仅为0.022‑0.237％；生产时间降低37.5‑52.0％，仅需60‑100分钟，具有极高经济价值。

Description

亚共晶铸造铝硅合金变质方法
技术领域
本发明涉及一种Al-Si铸造合金的制备方法，特别是涉及一种Al-Si铸造合金的化学变质处理方法，应用于铝合金冶炼技术领域。
背景技术
对于亚共晶Al-Si铸造合金，铸件的力学性能，尤其延伸率明显受到共晶硅的形态、大小和分布的影响，对于硅质量分数大于6％的铸造铝硅合金必须进行变质处理，通常是利用化学变质法对亚共晶铸造铝硅合金进行变质处理，即通过向其中添加变质剂的方式来实现改变共晶硅相形貌和尺寸的目的。商用亚共晶铝硅合金变质剂主要有Na盐变质剂和Al-Sr中间合金变质剂两种，含Sr变质剂因其更加环保并且变质效果理想，逐渐取代Na盐成为市场的主要产品。然而，利用Al-Sr变质剂对经Al-B合金细化后的铸造铝硅合金进行变质处理时，变质效果不及单独添加Al-Sr合金的情况，并且晶粒细化效果变差，需要分多次补充添加Al-Sr合金与Al-B合金，以保证有效成分不低于预期，使铝合金获得增强、增韧的效果。这无疑会增加强韧化处理的物料成本和时间成本，并且还会因生产能耗增加造成资源浪费，不利于资源节约型社会的建设。因此，获取一种成本低廉、工艺简单、不损害晶粒细化效果的高效变质方法是迫在眉睫、十分必要的。
稀土元素近几年正在广泛地被应用于高性能铸造铝硅合金的开发中，研究发现稀土元素RE中的铕Eu、镧La、铈Ce、钕Nd、钆Gd、铒Er、镱Yb等元素均对Al-Si合金中的共晶硅相具有变质作用，并且稀土元素还具有细化初晶铝晶粒的作用，向铝合金熔体中加入稀土元素有助于同时改善变质效果和晶粒细化效果。利用稀土元素与Sr的协同作用对亚共晶铝硅合金进行变质处理已成为主要研究方向之一，例如，现有技术中国专利，申请号CN201810134256.X一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法，提供了一种用Er、Sb、Sr对Si质量分数为5.5-8.5％的亚共晶铸造铝硅合金的变质方法；现有技术中国专利，申请号CN201711303259.3一种用于亚共晶铝硅铸造合金的细化-变质剂及其制备方法和应用，提供了一种利用Y和富La混合稀土进行变质处理的方法，其中Y占混合稀土总质量的60％，富La混合稀土占40％；现有技术中国专利，申请号CN201410433754.6提高亚共晶Al-Si合金电导率的长效变质剂及制备和使用方法，提供了一种制备Al-RE-Sr合金的制备及使用方法并实践制备了Al-5RE-Sr合金，利用其对ZL101A合金进行变质处理，在电磁搅拌下凝固获得处理后的铸锭。上述现有技术受限于Er、Y高昂的价格及复杂且对设备要求高的生产或使用工艺而暂未推广。此外，现有技术中国专利，申请号CN201410186765.9一种近共晶铸造铝硅合金组织控制方法，提供了一种将La、Ce或RE加入含有0.02-0.03％的Sr和0.05-0.5％的B的近共晶铝硅合金熔体中以期能够细化初晶铝的技术方案，说明添加稀土元素La可以实现不损害变质效果的同时与B协同作用提升晶粒细化效果，但该现有技术存在以下技术问题：
1、该现有技术处理成本高昂，最终产品中所添加的改性元素质量分数之和达0.08-0.63％，仅B元素一项就需添加0.05-0.5％，远远超过工业生产水平0.02％，造成改性元素的有效使用率降低，进而使物料成本上升，不仅如此，单一改性元素添加量或改性元素总添加量过大，可能会导致微量元素Sr、La、B质量分数超过采购标准中对单一杂质元素或杂质元素总量的限制，不利于合金产品的销售与推广；
2、该现有技术提供的变质处理工艺中存在多次降温、升温操作，不仅使工艺繁琐，还造成能源浪费、生产成本上涨等问题，连同升温、降温、保温时间计算在内的整个处理工艺总耗时预计为125-160分钟，生产效率还存在较大提升空间；
3、该现有技术未对添加稀土元素La是否可以实现不损害晶粒细化效果的同时与Sr协同作用提升变质效果进行相关研究，限制了此技术的应用场合；
4、经申请人近期研究表明，Sr、La、B质量分数对变质效果及晶粒细化效果的影响，仅仅是表面现象，真正的决定性因素是Sr/B质量比及La/B或RE/B质量比，该现有技术并未提供该技术特征，也没有进行相关研究。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种亚共晶铸造铝硅合金变质方法，通过向经Al-B合金细化后的铸造铝硅合金中以Al-Sr合金、Al-La或Al-RE的形式添加微量元素Sr、La或富镧稀土RE，以期在不损害晶粒细化效果的同时，Sr与La协同作用提升变质效果，即共晶硅相平均长度更短、平均长径比更接近于“1”、平均面积更小，实现降低投料成本，简化处理工艺的目标，最终获得一种适用于亚共晶铸造铝硅合金的高效变质方案。本发明变质处理方法简便，适于大规模工业生产。
为达到上述目的，本发明采用如下发明构思：
由于亚共晶铸造铝硅合金的改性工艺参数众多，本领域一般技术人员难以采用穷举法获得适宜的生产参数，并造成严重的资金、科研资源、人力资源浪费。本发明通过研究发现，获得特定生产温度下的热力学实验相图，能够以此为指导高效地优化生产参数，另外，现有技术CN201410186765.9实际要解决的技术问题是利用B和La或Ce或RE对需经Al-Sr合金变质的铸造铝硅合金进行晶粒细化处理，作用对象为铝基体中的初晶铝相；本发明则针对不同的作用对象，利用Sr和La或富镧稀土RE对经Al-B合金细化后的铸造铝硅合金进行变质处理，作用对象为共晶组织中的共晶硅相，意在获得理想的变质效果。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种亚共晶铸造铝硅合金变质方法，对硅质量分数不低于6％的铝硅合金进行变质处理，来调控铸造铝硅合金的共晶硅相的形貌和尺寸，获得亚共晶铝硅合金组织；在进行亚共晶铸造铝硅合金高效变质处理时，以Al-La合金、富镧稀土铝合金Al-RE中的任意一种合金、Al-Sr合金、Al-B合金、含有铝和硅材料为原料，按以下元素质量百分数要求进行备料，并进行以下熔炼操作后得到的目标亚共晶铸造铝硅合金；以上所述的元素质量百分数是投料比，各元素来自于不同原料中，元素称量比例要求为：Si：6.000-12.600％；Sr：0.001-0.150％；La或RE：0.020-0.122％；B：0.001-0.150％；并且Sr/B质量比不大于1.351，La/B或RE/B质量比在1-5之间；余量主要为Al；所述亚共晶铸造铝硅合金的变质处理方法采用如下熔炼方法过程和步骤：
(1)熔化Al-Si合金：
先将井式炉空炉升温至745-755℃，保温10-15分钟除去炉内潮气、水气及油污杂质，然后加入含有铝和硅的材料的原料，进行保温20-40分钟，当硅完全溶于铝液后，获得成分均匀的Al-Si合金熔体，Al-Si合金熔体的硅质量分数不低于6％；
(2)精炼除气过程：
向在所述步骤(1)中制备的Al-Si合金熔体中加入原料总质量的0.1-0.2％的除气剂，并且在加入除气剂之前，首先将除气剂用铝箔包裹好置于井式炉井口端预热烘干，并一同预热不锈钢钟罩；在加入除气剂时，用不锈钢钟罩压至熔体底部，保持1-3分钟，至除气剂不再明显释放出氮气后取出钟罩，再向Al-Si合金熔体中通入氩气，并按照向每升Al-Si合金熔体中通入氩气的流量为0.1-0.7L/min的氩气流速，控制氩气供应量，并维持通入氩气5-10分钟，完成Al-Si合金熔体的精炼除气过程；
(3)合金化过程：
向在所述步骤(2)中完成精炼除气的Al-Si合金熔体中进行加料合金化处理，待Al-Si合金熔体的温度稳定在745-755℃时，依次加入均用铝箔包裹的Al-B合金、Al-La合金或Al-RE合金、Al-Sr合金，控制不同种合金的加入时间间隔为20-30秒，加入时保持不破坏熔体表面已经形成的氧化层，直接将铝箔包裹的各原料包用石墨棒压至Al-Si合金熔体内部，使各原料熔化，获得成分均匀的含微量元素Sr、La、B的铝硅合金熔体或者含微量元素Sr、RE、B的铝硅合金熔体；
(4)浇铸亚共晶铸造铝硅合金：
对在所述步骤(3)中制备的铝硅合金熔体，采用保温后浇铸方法，保温温度为745-755℃，保温时间为20-30分钟，然后用捞渣勺舀去铝硅合金熔体表面浮渣，再用石墨棒对铝硅合金熔体进行定向搅拌，搅拌持续10-40秒，盖上井式炉盖进行保温，待温度达到745-755℃时，将铝硅合金熔体浇入已于200-250℃环境中进行预热的铸铁模具中，待铝硅合金熔体凝固并冷却后，开模具取出铸件，从而得到亚共晶铸造铝硅合金。
作为本发明优选的技术方案，亚共晶铸造铝硅合金变质方法采用的投料前的原料中化学元素组成和质量百分比为：6.000-12.600％；Sr：0.001-0.066％，La或RE：0.020-0.122％，B：0.001-0.079％，并且Sr/B质量比在0.392-1.351之间，La/B或RE/B质量比在1.25-4.95之间；余量主要为Al。
作为本发明进一步优选的技术方案，亚共晶铸造铝硅合金变质方法采用的投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.029-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.392-1.260之间，La/B或RE/B质量比在1.25-4.95之间；余量主要为Al。
作为本发明更进一步优选的技术方案，亚共晶铸造铝硅合金变质方法采用的投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.049-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.75-1.260之间，La/B或RE/B质量比在2.02-4.95之间；余量主要为Al。
作为本发明再更进一步优选的技术方案，亚共晶铸造铝硅合金变质方法采用的投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.049-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.75-1.260之间，La/B或RE/B质量比在2.45-4.95之间；余量主要为Al。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(1)中，所述含有铝和硅的材料的原料采用工业纯铝和工业硅，或ZL101铝合金。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(3)中，所述Al-La合金或Al-RE合金中La或RE的质量分数为5-20％，并以Al4La、Al11La3或Al4RE、Al11RE3相形式存在；
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(3)中，所述Al-Sr合金中Sr质量分数为5-10％，并以Al4Sr相形式存在；
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(3)中，所述Al-B合金中B质量分数为3-8％并以AlB2、AlB12相形式存在。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(4)中，所得到的亚共晶铸造铝硅合金中，共晶硅晶粒的平均长度为2.25-6.86微米，平均长径比为1.87-2.75，平均面积为1.66-6.04平方微米；初晶铝晶粒尺寸为250.27±23.03微米。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤(4)中，在浇铸亚共晶铸造铝硅合金前，亚共晶铸造铝硅合金保温过程中的变质有效期为2-3小时。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明提高了经Al-B合金细化后的铸造铝硅合金Sr变质的效率，降低了处理的投料量，进而降低处理成本；根据实验结果所获750℃条件下Al-10Si-Sr-B非平衡凝固富铝角实验相图的指导，设计投料比及投料量，提高变质效率，使Sr充分发挥变质作用，降低处理成本，根据本发明优化方案生产的产品，其所包含的改性元素Sr、La、B质量分数之和仅为0.022-0.240％，相较于现有技术，本发明中改性元素总投料量降低62.3-72.5％，降低了处理的物料成本；
2.本发明方法使亚共晶铸造铝硅合金晶粒细化处理和变质处理同时进行，能够有效提高生产效率，缩短生产周期。与现有技术相比，本发明已验证短时间内依次加入晶粒细化剂和变质剂不影响最终处理效果的可行性，使两步处理操作在同一段保温时间内完成，得益于此，可以省略一步精炼操作，降低处理物料成本与时间成本；本发明连同升温、降温、保温时间计算在内的整个处理工艺总耗时预计为60-100分钟，此部分相较于现有技术，降低37.5-52％；
3.本发明方法利用Sr和La的协同作用，实现了在获得理想变质效果的目标同时不损害晶粒细化效果的；由于对经Al-B细化后的亚共晶铸造铝硅合金进行变质处理时，加入Al-Sr变质剂后的合金中共晶硅仍呈粗大的针片状，属于未变质的特征，然而，在Sr和La的协同作用下，本发明合金获得理想的变质效果，共晶硅趋于纤维状，并且与仅依靠Sr变质时的情况相比，铝硅合金中共晶硅相其平均长度由4.05-11.78微米降至2.25-6.86微米，降幅为9-66％，平均长径比由2.18-4.18降至2.05-2.75，降幅为6-41％，平均面积由3.80-12.72平方微米降至3.44-6.04平方微米，降幅为9-70％，变质等级有1-2级的提升，同时，初晶铝晶粒尺寸未出现明显增加，晶粒细化效果未变差；
4.本发明方法加入La可延长Sr变质的有效时间，La的添加延长了Sr变质的有效时间，使变质有效期至少增加1小时，由1.5-2小时增至2-3小时，增幅为50-67％；
5.本发明方法利用La具有变质、除气及净化熔体的作用，加入后可降低合金产品的孔隙率和氧化物夹杂，并且稀土La或富镧混合稀土RE资源丰富、价格低廉，有利于推广此发明的实际应用；单独利用La对亚共晶铸造铝硅合金进行变质处理，在优化添加量条件下获得的变质效果，以共晶硅平均长度计，由未变质时的14.14-16.98微米降至7.64-9.36微米，达到Sr变质效果2.06-3.02微米的53-54％。
附图说明
图1为本发明实施例1在750℃条件下Al-10Si-Sr-B非平衡凝固富铝角实验相图。
图2为本发明实施例1添加锶、镧和硼的亚共晶Al-10Si合金高倍金相组织照片。
图3为本发明与现有技术在不同时间段处理温度的变化情况对比图。
图4为对比例1、对比例2、对比例3及实施例1制备的铸造铝硅合金样品变质效果和晶粒细化效果变化的统计图。
图5为对比例2、实施例2、实施例1及实施例3制备的铸造铝硅合金样品变质效果和晶粒细化效果变化的统计图。
图6为实施例4添加锶、镧和硼的Al-10Si合金高倍金相组织照片。
图7为实施例5添加锶、镧和硼的亚共晶Al-10Si合金高倍金相组织照片。
图8为实施例6添加锶、镧和硼的Al-10Si合金高倍金相组织照片。
图9为对比例4添加锶和硼的Al-10Si合金高倍金相组织照片。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
为了证明本发明降低了含改性元素Sr、La、B中间合金的投料量，并区别本发明与现有技术保护的成分范围、适用场景不同，根据图1，750℃条件下Al-10Si-Sr-B非平衡凝固富铝角实验相图，选取代表优化方案的“C区”的“★”位置所表示的成分，设计实施例1。
实施例1：
在本实施例中，一种亚共晶铸造铝硅合金变质方法，对硅质量分数为10％的铝硅合金进行变质处理，来调控铸造铝硅合金共晶硅相的形貌和晶粒尺寸，获得亚共晶铝硅合金组织；在进行亚共晶铸造铝硅合金高效变质处理时，以工业硅、工业纯铝、Al-10Sr合金、Al-10La合金、Al-3B合金为原料，各元素质量百分比为：Si：10.000％，Sr：0.015％，La：0.049％，B：0.020％，余量主要为Al，据此进行备料，其中，Al-10Sr合金中Sr以Al4Sr形式存在，Al-10La合金中La以Al11La3、Al4La形式存在，Al-3B合金中B以AlB2形式存在，按上述元素质量百分数要求进行备料，并进行以下熔炼操作后得到的目标亚共晶铸造铝硅合金；所述亚共晶铸造铝硅合金的变质处理方法采用如下熔炼方法过程和步骤：
(1)熔化Al-Si合金：
先将井式炉空炉升温至745-755℃，保温10-15分钟除去炉内潮气、水气及油污杂质，然后加入工业纯铝及工业硅或ZL101，进行保温20-40分钟，当硅完全溶于铝液后，获得成分均匀的Al-Si合金熔体，Al-Si合金熔体的硅质量分数为10％；
(2)精炼除气过程：
向在所述步骤(1)中制备的Al-Si合金熔体中加入原料总质量的0.1-0.2％的除气剂，并且在加入除气剂之前，首先将除气剂用铝箔包裹好置于井式炉井口端预热烘干，并一同预热不锈钢钟罩；在加入除气剂时，用不锈钢钟罩压至熔体底部，保持1-3分钟，至除气剂不再明显释放出氮气后取出钟罩，再向Al-Si合金熔体中通入氩气，并按照向每升Al-Si合金熔体中通入氩气的流量为0.1-0.7L/min的氩气流速，控制氩气供应量，并维持通入氩气5-10分钟，完成Al-Si合金熔体的精炼除气过程；
(3)合金化过程：
向在所述步骤(2)中完成精炼除气的Al-Si合金熔体中进行加料合金化处理，待Al-Si合金熔体的温度稳定在745-755℃时，依次加入均用铝箔包裹的Al-B合金、Al-La合金、Al-Sr合金，控制不同种合金的加入时间间隔为20-30秒，加入时保持不破坏熔体表面已经形成的氧化层，直接将铝箔包裹的各原料包用石墨棒压至Al-Si合金熔体内部，使各原料熔化，获得成分均匀的Al-Si-Sr-B稀土合金熔体；
(4)浇铸亚共晶铸造铝硅合金：
对在所述步骤(3)中制备的Al-Si-Sr-B稀土合金熔体，采用保温后浇铸方法，保温温度为745-755℃，保温时间为20-30分钟，然后用捞渣勺舀去Al-Si-Sr-B稀土合金熔体表面浮渣，再用石墨棒对Al-Si-Sr-B稀土合金熔体进行定向搅拌，搅拌持续10-40秒，盖上井式炉盖进行保温，待温度达到745-755℃时，将Al-Si-Sr-B稀土合金熔体浇入已于200-250℃环境中进行预热的铸铁模具中，待Al-Si-Sr-B稀土合金熔体凝固并冷却后，开模具取出铸件，从而得到亚共晶铸造铝硅合金。
实验测试分析
截取距实施例一制备的亚共晶铸造铝硅合金铸件底部2厘米处的位置进行金相观察，金相照片如图2所示，照片中深色区域为纤维状共晶硅相，浅色区域为Al，共晶硅的平均长度为3.96微米，平均长径比为2.34，平均面积为3.57平方微米。对比“AFS CH8600Microstructure Control in Hypoeutectic Aluminum-Silicon Alloys Chart”标准图谱可得，铝硅合金变质等级为6级。
实验结果表明，在与现有技术不同的本发明优化方案成分范围内，仅添加0.015％Sr、0.049％La及0.020％B，所添加改性元素的质量分数之和仅为0.084％，即可使亚共晶铸造铝硅合金可获得理想的变质效果，变质等级达最高级。
为了证明本发明与现有技术相比提高了生产效率，将本发明与现有技术在合金熔炼过程中不同时刻下的温度参数绘成图3，其中，保温温度为保温参数范围的平均值，时间点选取保温时长的最大值。
现有技术在熔炼合金过程中存在5次明显的升温过程、4次明显的降温过程及6段保温平台，浇铸前单次降温温差最大为40℃，熔炼用时为163分钟，相比而言，本发明在熔炼合金过程中存在1次升温过程、1次降温过程及1段保温平台，在浇铸前未有降温操作，熔炼用时100分钟。
结果表明，本发明能够有效提高生产效率，缩短生产周期，提升能源利用率，降低生产能耗，使生产时间降低39％，合金熔炼工艺化繁为简，仅1次升温、1次保温、1次降温即可获得铸锭产品。
为了证明Sr和La协同作用可使经Al-B细化后的亚共晶铸造铝硅合金在获得理想变质效果的同时不损害晶粒细化的效果，对此，设计对比例1、对比例2、对比例3。
对比例1
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：所熔炼的合金中不添加Sr和La。
对比例2
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：所熔炼的合金中不添加La。
对比例3
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：所熔炼的合金中不添加Sr。
对比例1、对比例2、对比例3及实施例1制备的铸造铝硅合金样品变质效果和晶粒细化效果的变化情况如图4所示，左纵轴的共晶硅的平均长度、平均长径比、平均面积用于表征变质效果，数值越低表示变质效果越好，右纵轴的初晶铝晶粒尺寸用于表征晶粒细化效果，数值越低表示细化效果越好。以共晶硅长度为例，对于经Al-B细化后的亚共晶铸造铝硅合金而言，未添加Sr和La或二者仅添加其一时，合金中共晶硅的平均长度均大于13微米，而Sr和La协同作用时，共晶硅平均长度为3.96微米。此外，添加Sr和La后，合金初晶铝晶粒尺寸为250.27微米，低于仅添加La的291.42微米，略高于未添加Sr或La的235.61微米和仅添加Sr的237.78微米。
结果表明，仅当Sr和La共同添加，才能使经Al-B细化后的亚共晶铸造铝硅合金在获得理想变质效果的同时不损害晶粒细化的效果。
为了证明真正影响含微量元素Sr、La、B的亚共晶铸造铝硅合金变质效果及晶粒细化效果的决定性因素之一是La/B质量比，在实施例1所设计的成分基础之上，固定Sr/B质量比，调整La添加量以改变La/B质量比，设计实施例2、实施例3。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：添加La按质量百分比0.029％进行投料，此时La/B质量比值为1.45。
实施例3
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：添加La按质量百分比0.099％进行投料，此时La/B质量比值为4.95。
对比例2、实施例2、实施例1及实施例3制备的铸造铝硅合金样品变质效果和晶粒细化效果的变化情况如图5所示，当La/B质量比低于2.45时，存在临界值，当La/B质量比低于此临界值时，合金丧失变质效果，处于未变质状态，但初晶铝晶粒尺寸无明显变化；当La/B质量比大于2.45时，初晶铝晶粒尺寸有明显增大趋势，但变质效果无明显变化。
结果表明，真正影响含微量元素Sr、La、B的亚共晶铸造铝硅合金变质效果的决定性因素之一是La/B质量比，La/B质量大于临界值可获得理想变质效果，La/B质量比不宜超过5，否则初晶铝的晶粒尺寸会进一步增加。
为了证明真正影响含微量元素Sr、La、B的亚共晶铸造铝硅合金变质效果的决定性因素之一是Sr/B质量比，固定La/B质量比，调整Sr添加量以改变Sr/B质量比，设计实施例4、实施例5。
实施例4
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：在优化方案“C区”边界处，取成分点“▲”，即Sr/B质量比为0.63，以La/B质量比为2.02加入La，按Sr、La和B的质量百分数依次为0.031％、0.099％、0.049％添加进合金熔体中。
实施例5
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：在优化方案“C区”边界处，取成分点“■”，即Sr/B质量比为1.26，以La/B质量比为2.02加入La，按Sr、La和B的质量百分数依次为0.062％、0.099％、0.049％添加进合金熔体中。
截取距铸件底部2厘米处的位置进行金相观察，实施例4中合金金相照片如图6所示，共晶硅的平均长度为6.15微米，平均长径比为2.61，平均面积为5.84平方微米，变质等级为4级；实施例5中合金金相照片如图7所示，共晶硅的平均长度为2.72微米，平均长径比为1.95，平均面积为1.66平方微米，变质等级为6级。提高Sr/B质量比后使共晶硅平均长度下降56％，平均长径比下降25％，平均面积下降72％，变质等级提升2级。
结果表明，真正影响含微量元素Sr、La、B的亚共晶铸造铝硅合金变质效果的决定性因素之一是Sr/B质量比，在优化方案成分范围内适当提高Sr/B质量比可使亚共晶铸造铝硅合金的变质效果有明显提升，变质等级可提升至最高级。
为了证明La的加入对含Sr、B的亚共晶铸造铝硅合金的变质效果具有明显提升作用，固定Al-10Si合金中微量元素Sr、B的投料量，对比是否加La的两种情况下合金的变质效果，设计实施例6、对比例4。
实施例6
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：在本发明所保护的成分范围“B区”中，取现有技术“A区”上方的成分点“◆”，即Sr/B质量比为0.392，以La/B质量比为1.25加入La，按Sr、La和B的质量百分数依次为0.031％、0.099％、0.079％添加进合金熔体中。
对比例4
未特别说明的步骤与实施例1相同，不同之处在于：在本发明所保护的成分范围“B区”中，取现有技术“A区”上方的成分点“◆”，即Sr/B质量比为0.392，不添加La，按Sr和B的质量百分数依次为0.031％、0.079％添加进合金熔体中。
截取距铸件底部2厘米处的位置进行金相观察，实施例6中合金金相照片如图8所示，共晶硅的平均长度为6.86微米，平均长径比为2.75，平均面积为6.04平方微米，变质等级为2级；对比例4中合金金相照片如图9所示，共晶硅的平均长度为10.52微米，平均长径比为4.18，平均面积为12.72平方微米，变质等级为4级。加入La后使共晶硅平均长度下降35％，平均长径比下降34％，平均面积下降53％，变质等级提升4级。
结果表明，La的加入对含Sr、B的亚共晶铸造铝硅合金的变质效果具有明显提升作用。
综上所述，本发明上述实施例亚共晶铸造铝硅合金变质方法，按元素质量百分数为Si：6.000-12.600％；Sr：0.001-0.150％，La或RE：0.020-0.122％，B：0.001-0.150％，并且Sr/B质量比不大于1.351，La/B或RE/B质量比在1-5之间；余量主要为Al的要求进行备料，并经过以下熔炼操作：1，熔化合金；2，精炼除气；3，加料；4，保温后浇铸，得到的合金。所得合金中共晶硅相的平均长度为2.25-6.86微米，平均长径比为1.87-2.75，平均面积由为1.66-6.04平方微米；变质处理未对初晶铝尺寸造成明显影响，处理前后初晶铝晶粒尺寸由235.61±21.77微米增长至250.27±23.03微米增幅不超过6.3％；变质等级为4-6级。变质有效期为2-3小时。相对于现有技术，本发明优化方案中改性元素Sr、La、B总投料量降低62.3-72.5％，产品中改性元素的质量分数之和仅为0.022-0.237％；生产时间降低37.5-52.0％，仅需60-100分钟，具有极高的经济价值。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明亚共晶铸造铝硅合金变质方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于：对硅质量分数在6-12.6％的亚共晶铝硅合金进行变质处理，来调控铸造铝硅合金的共晶硅相的形貌和尺寸，获得共晶硅呈短纤维状的亚共晶铝硅合金组织；在进行亚共晶铸造铝硅合金高效变质处理时，以Al-La合金、富镧稀土铝合金Al-RE中的任意一种合金、Al-Sr合金、Al-B合金、含有铝和硅材料为原料，按以下元素质量百分数要求进行备料，并进行以下熔炼操作后得到的目标亚共晶铸造铝硅合金；以下所述的元素质量百分数是投料比，各元素来自于不同原料中，元素称量比例要求为：Si：6.000-12.600％；Sr：0.001-0.150％；La或RE：0.020-0.122％；B：0.001-0.150％；并且Sr/B质量比不大于1.351，La/B或RE/B质量比在1-5之间；余量主要为Al；所述亚共晶铸造铝硅合金的变质处理方法采用如下熔炼方法过程和步骤：
(1)熔化Al-Si合金：
先将井式炉空炉升温至745-755℃，保温10-15分钟除去炉内潮气、水气及油污杂质，然后加入含有铝和硅的材料的原料，进行保温20-40分钟，当硅完全溶于铝液后，获得成分均匀的Al-Si合金熔体，Al-Si合金熔体的硅质量分数不低于6％；
(2)精炼除气过程：
向在所述步骤(1)中制备的Al-Si合金熔体中加入原料总质量的0.1-0.2％的除气剂，并且在加入除气剂之前，首先将除气剂用铝箔包裹好置于井式炉井口端预热烘干，并一同预热不锈钢钟罩；在加入除气剂时，用不锈钢钟罩压至熔体底部，保持1-3分钟，至除气剂不再明显释放出氮气后取出钟罩，再向Al-Si合金熔体中通入氩气，并按照向每升Al-Si合金熔体中通入氩气的流量为0.1-0.7 L/min的氩气流速，控制氩气供应量，并维持通入氩气5-10分钟，完成Al-Si合金熔体的精炼除气过程；
(3)合金化过程：
向在所述步骤(2)中完成精炼除气的Al-Si合金熔体中进行加料合金化处理，待Al-Si合金熔体的温度稳定在745-755℃时，依次加入均用铝箔包裹的Al-B合金、Al-La合金或Al-RE合金、Al-Sr合金，控制不同种合金的加入时间间隔为20-30秒，加入时保持不破坏熔体表面已经形成的氧化层，直接将铝箔包裹的各原料包用石墨棒压至Al-Si合金熔体内部，使各原料熔化，获得成分均匀的含微量元素Sr、La、B的铝硅合金熔体或者含微量元素Sr、RE、B的铝硅合金熔体；
(4)浇铸亚共晶铸造铝硅合金：
对在所述步骤(3)中制备的铝硅合金熔体，采用保温后浇铸方法，保温温度为745-755℃，保温时间为20-30分钟，然后用捞渣勺舀去铝硅合金熔体表面浮渣，再用石墨棒对铝硅合金熔体进行定向搅拌，搅拌持续10-40秒，盖上井式炉盖进行保温，待温度达到745-755℃时，将铝硅合金熔体浇入已于200-250℃环境中进行预热的铸铁模具中，待铝硅合金熔体凝固并冷却后，开模具取出铸件，从而得到亚共晶铸造铝硅合金。
2.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于，投料前的原料中化学元素组成和质量百分比为：6.000-12.600％；Sr：0.001-0.066％，La或RE：0.020-0.122％，B：0.001-0.079％，并且Sr/B质量比在0.392-1.351之间，La/B或RE/B质量比在1.25-4.95之间；余量主要为Al。
3.根据权利要求2所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于，投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.029-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.392-1.260之间，La/B或RE/B质量比在1.25-4.95之间；余量主要为Al。
4.根据权利要求3所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于，投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.049-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.75-1.260之间，La/B或RE/B质量比在2.02-4.95之间；余量主要为Al。
5.根据权利要求4所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于，投料前的原料中化学元素组成和质量百分比满足如下条件：Si：6.000-10.000％；Sr：0.015-0.062％，La或RE：0.049-0.099％，B：0.002-0.079％，并且Sr/B质量比在0.75-1.260之间，La/B或RE/B质量比在2.45-4.95之间；余量主要为Al。
6.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述含有铝和硅的材料的原料采用工业纯铝和工业硅，或ZL101铝合金。
7.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，所述Al-La合金或Al-RE合金中La或RE的质量分数为5-20％，并以Al4La、Al11La3或Al4RE、Al11RE3相形式存在；
所述Al-Sr合金中Sr质量分数为5-10％，并以Al4Sr相形式存在；
所述Al-B合金中B质量分数为3-8％并以AlB2、AlB12相形式存在。
8.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所得到的亚共晶铸造铝硅合金中，共晶硅晶粒的平均长度为2.25-6.86微米，平均长径比为1.87-2.75，平均面积为1.66-6.04平方微米；初晶铝晶粒尺寸为250.27±23.03微米。
9.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金变质方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，在浇铸亚共晶铸造铝硅合金前，亚共晶铸造铝硅合金保温过程中的变质有效期为2-3小时。
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