CN110616355A - 高硅铝合金流变浆料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半固态金属成形领域，特别涉及一种高硅铝合金流变浆料的制备方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种对初生硅、共晶硅有良好细化作用的高硅铝合金流变浆料的制备方法。该方法是a、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；b、设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为10～60°，搅拌速度设为10～500r/min；c、根据不同Si含量使经稀土元素处理的高硅铝合金的熔体温度保持在高硅铝合金液相线温度以上30～50℃，快速浇注进入机械滚筒，搅拌，即得高硅铝合金流变浆料。本发明使其在初生硅、共晶硅析出过程中起到抑制生长作用，能进一步实现初生硅、共晶硅的破碎细化作用。

Description

高硅铝合金流变浆料的制备方法

技术领域

本发明属于半固态金属成形领域，特别涉及一种高硅铝合金流变浆料的制备方法。

背景技术

活塞是发动机最关键的运动件之一，它与发动机的寿命、效率、功效、重量等各项指标休戚相关。活塞的工作环境极其恶劣，要承受很大的机械负荷和很高的热负荷。为保证发动机的良好运行，对活塞所用材料提出了极高的要求：高的高温强度、低的热膨胀洗漱、良好耐磨耐蚀性、导热性好等。随着原油价格的上涨、社会环保的要求以及制造技术的飞速发展，在节能、减重、环保的要求下，交通运输、航空航天等工业领域所用材料加大轻量化的发展，以达到高强、高效、节能的目的，工业上对发动机活塞材料的要求越来越高，传统的铸铁活塞和钢活塞由于密度大或者对缸套的磨损严重等原因已经无法满足高性能活塞的工作要求以及节能、轻量化的需要。高硅铝合金由于比重小、硬度高、耐磨性好、铸造成形性好、尺寸稳定性高等优点，在材料使用低能耗、轻量化的要求下具有取代传统钢铁材料成为发动机活塞的较大潜力，有望被广泛应用在航空航天、汽车船舶等工业中。

高硅铝合金中Si元素含量通常在18～30wt％之间，其力学性能与其在合金中的含量和形貌紧密相关。随着铝合金中Si元素含量的增大，合金的微观组织中通常会形成粗大的五瓣星形状、板片状、八面体以及其它复杂形貌的初生硅。这些形状复杂、粗大的初生硅严重的割裂合金基体。在外力作用下，局部应力集中容易在粗大初生硅相的尖端和棱角部位产生，显著影响合金塑性和耐磨性，严重降低合金力学性能。除了形成粗大的初生硅，Si元素还会在合金凝固的后期形成针状、条状的共晶硅，其尺寸和形貌严重影响合金的塑性。此外，高硅铝合金制造的各种零部件在加工过程中，硬脆的粗大初生硅容易受力剥落，在降低机加工零件表面的光洁度的同时加速了机加工刀具的磨损。高硅铝合金中粗大的硅相限制了其应用范围，因此，高硅铝合金硅相的细化工艺，对该系列合金的应用具有重大意义。

目前，工业界主要采用化学细化法对共晶铝硅合金的硅相进行变质细化处理，其主要思路是通过在合金中添加诸如稀土等化学元素实现细化目的。专利文献CN102417998A公开了一种过共晶硅细化处理工艺，该方法对低硅含量过共晶铝硅合金的初生硅具有一定的细化效果，但对高硅含量的合金作用不明显，而且其只对初生硅起作用，对共晶硅的变质和细化无明显效果。

诸如此类的化学细化法普遍存在作用时间短、细化效果不稳定、污染严重等缺点，无法实现对高硅铝合金中硅相的细化要求。源于半固态成形技术的机械搅拌法，通过对凝固过程中的熔体施加机械剪切力从而实现枝晶破碎、晶粒细化的目的，是半固态技术最有效的方法之一，(如中国专利：CN2471450Y；日本专利：专利号为1-192447；美国专利：专利号为3958650、5501266和5040589)。这些方法通常需要在容量一定的坩埚内进行封闭式处理，单次处理的合金质量有限；此外，浆料处理过程中处于等温保温状态，晶粒生长驱动力较大，不利细化。再者，以上专利方法的设计初衷仅围绕初生硅细化，实际效果对共晶硅无效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对初生硅、共晶硅有良好细化作用的高硅铝合金流变浆料的制备方法。

本发明提供了高硅铝合金流变浆料的制备方法，该方法包括如下步骤：

a、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；

b、设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为10～60°，搅拌速度设为10～500r/min；

c、根据不同Si含量使经稀土元素处理的高硅铝合金熔体温度保持在高硅铝合金液相线温度以上30～50℃，快速浇注进入机械滚筒，搅拌，即得高硅铝合金流变浆料。

其中，上述高硅铝合金流变浆料的制备方法中，步骤a中，所述预热的温度为100～300℃。

其中，上述高硅铝合金流变浆料的制备方法中，步骤c中，所述经稀土元素处理的高硅铝合金熔体由如下步骤制得：

(1)将高硅铝合金母料熔化；

(2)根据不同Si含量，使高硅铝合金的熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置；

(3)将步骤(2)第一次静置后的高硅铝合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，加入稀土元素，搅拌，第二次静置；

(4)将步骤(3)第二次静置后的高硅铝合金熔体温度控制在高于液相线温度20～30℃精炼，保温，搅拌，扒渣，第三次静置，即得。

进一步地，步骤(1)中，所述熔化是将高硅铝合金预热1.5～2.5小时达到150～200℃后采用工业电炉进行熔化。

进一步地，步骤(3)中，所述稀土元素预热1～2小时达到100～200℃后再加入至高硅铝合金熔体中。

其中，上述高硅铝合金流变浆料的制备方法中，步骤c中，

步骤(2)中，所述第一次静置的时间为10～20分钟。

步骤(3)中，所述加入稀土元素的质量占高硅铝合金熔体质量的0.1～5wt％。

步骤(3)中，所述稀土元素为镧或铈元素中的至少一种。

步骤(3)中，所述第二次静置的时间为10～20分钟。

步骤(4)中，所述保温的时间为5～15分钟。

步骤(4)中，所述第三次静置的时间为15～25分钟。

进一步地，本发明所述高硅铝合金中Si含量为18～30wt％，对应的液相线温度为680～820℃。

其中，稀土镧、铈是以单质形态或是以混合稀土形态加入，只需要满足稀土元素总量占合金熔体重量百分比为0.1～5wt％即可。

其中，上述高硅铝合金流变浆料的制备方法中，步骤c中，从机械滚筒搅拌后流出的所述高硅铝合金流变浆料储存在保温炉，炉温保持在所述液相线上5～15℃过热度。

进一步地，所述流变浆料进入保温炉后随即在5～10秒内进入后续成形工序。

进一步地，所述后续成形工序包括浇注制备铸锭后挤压、锻造或轧制成形，或直接铸造成形。

本发明的有益效果是：

本发明方法采用机械滚筒搅拌与稀土变质复合工艺，通过在高硅铝合金中添加稀土元素，使其在初生硅、共晶硅析出过程中起到抑制生长作用；同时，结合机械滚筒的激冷和剪切作用，进一步实现初生硅、共晶硅的破碎细化。此外，剪切作用还能实现铝基体枝晶破碎，进一步细化合金组织。本方法制备高硅铝合金流变浆料效率高、流程短，适合工业生产。采用本发明方法制备得到的流变浆料既可制备触变坯料，亦可选用差压、挤压、高压铸造等成形技术制备力学性能优良、表面质量良好的铸件。本发明方法是高硅铝合金工业化批量生产的极佳选择，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为Al-18Si合金未经处理直接水淬的微观组织形貌图。

图2为采用本发明方法制备Al-18Si合金流变浆料水淬后的微观组织形貌图。

图3为Al-30Si合金未经处理直接水淬的微观组织形貌图。

图4为采用本发明方法制备Al-30Si合金流变浆料水淬后的微观组织形貌图。

图5为Al-30Si合金未经处理直接水淬所得样品的深腐蚀扫描电镜图。

图6为采用本发明方法制备Al-30Si合金流变浆料水淬后所得样品深腐蚀扫描电镜图。

具体实施方式

针对现有技术对高硅铝合金硅相细化效果不足，初生硅、共晶硅粗大等问题，发明人通过在铝硅合金中进行稀土变质，随后将金属液降温至液相线附近进行机械流变处理。第一、通过机械滚筒宽大的内壁实现熔体激冷达到细化初生硅的效果，第二通过机械剪切力使熔体凝固过程中的温度场浓度差趋于均匀，使稀土元素在二元共晶反应过程中更好的发挥细化共晶硅的作用。第三，机械剪切力对铝基体产生剪切搅拌作用，可抑制、破碎铝基体树枝晶的生长，进一步实现高硅铝合金的细化。本发明方法加工成本低、高效易行，初生硅、共晶硅细化效果良好，是细化高硅铝合金硅相切实可行的方法。

具体的，本发明制备高硅铝合金流变浆料包括常规熔炼和后续流变处理工序。

所述熔炼工序如下：

将高硅铝合金母料预热1.5～2小时达到150～200℃，采用坩埚电阻炉或其它工业电炉将合金熔化。待高硅铝合金熔化后熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置10～20分钟。在本发明中，高硅铝合金随Si含量的不同，其液相线的温度变化较大，本发明采用的高硅铝合金中Si含量为18～30wt％的铝硅合金对应的液相线温度为680～820℃。将稀土元素(镧或铈中的至少一种)预热1～2小时达到100～200℃，将上述高硅铝合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，按高硅铝合金熔体质量的0.1～5wt％加入稀土元素，充分搅拌使合金成分均匀，第二次静置10～20分钟。然后，控制高硅铝合金熔体温度高于液相线温度20～30℃精炼，保温5～15分钟进行搅拌，扒渣，第三次静置15～25分钟，即得经稀土元素处理的高硅铝合金熔体。

后续流变处理工序包括如下步骤：

机械滚筒预热：将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在100～300℃预热，确保干燥。

流变细化处理：设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为10～60°，搅拌速度设为10～500r/min，根据不同Si含量使经稀土元素处理的高硅铝合金熔体温度保持在高硅铝合金液相线温度以上30～50℃，通过定量浇注***快速输送进入机械滚筒，搅拌，即得高硅铝合金流变浆料。

浆料储存及成形：用一个温度可控制的保温炉装载从滚筒搅拌后流出的高硅铝合金流变浆料，保温炉温度根据不同Si含量的高硅合金保持在5～15℃过热度。高硅铝合金流变浆料不能在保温炉静置停留时间过长，需要在5～10秒内被转运输送进入后续高压、低压、挤压铸造等成形工序。高硅铝合金流变浆料除了铸造成形，也可以选择直接浇注进入金属铸锭模制备合金铸锭，随后进行挤压、锻造、轧制等塑性加工工序。

本发明的工作机理如下：

硅相在高硅铝合金中的析出主要分两个阶段，一是凝固初期，初生硅从熔体析出并以不规则形状的小平面形式生长，二是随着熔体温度降低到二元、三元共晶反应的阶段，Si与Al或者Cu一起凝固形成共晶组织。在高硅熔体中添加稀土元素(镧，铈)，其在初生硅相析出的时候会偏聚在凝固前沿，阻碍初生硅相的长大，在共晶反应时，也会在凝固前沿限制熔体溶质的迁移扩散，达到细化共晶硅的效果。本发明采用机械滚筒搅拌一方面可以实现熔体激冷细化初生硅，还可以在合金共晶反应过程中使稀土元素分布均匀、温度场分布均匀，进一步增强稀土的细化效果。

下面将通过具体的实施例对本发明作进一步地详细阐述。

本发明实施例中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。本发明采用的铝合金铸造涂料为本领域技术人员公知常识的涂料。本发明实施例采用的高硅铝合金中Si含量为18～30wt％的铝硅合金对应的液相线温度为680～820℃。

实施例1Al-18Si合金初生硅细化及流变浆料的制备

将Al-18Si合金预热1.5～2小时达到150～200℃后，采用工业电炉将合金熔化。待合金熔化后熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置10～20分钟。将稀土镧预热1～2小时达到100～200℃，将Al-18Si合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，按Al-18Si合金熔体质量的1wt％加入镧，充分搅拌，第二次静置10～20分钟。然后，控制Al-18Si合金熔体温度为800℃精炼，保温5～15分钟进行搅拌，扒渣，第三次静置10分钟。

将Al-18Si合金熔体温度降至750℃，设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为60°，转速为150r/min。将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在300℃预热，把精炼后的Al-18Si合金熔体在750℃下浇注进入机械滚筒进行流变处理，处理后的熔体直接入水淬火用于组织观察。

从图1、2可以明显看出，经本发明方法处理后，Al-18Si合金的初生硅尺寸得到较明显的细化，其平均颗粒尺寸从25微米细化到14微米，晶粒边缘棱角较为圆滑，非常适合后续的压铸成形。

实施例2 2Al-18Si合金初生硅细化及流变浆料的制备

将Al-18Si合金预热1.5～2小时达到150～200℃后，采用工业电炉将合金熔化。待合金熔化后熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置10～20分钟。将稀土铈预热1～2小时达到100～200℃，将Al-18Si合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，按Al-18Si合金熔体质量的0.1wt％加入铈，充分搅拌，第二次静置10～20分钟。然后，控制Al-18Si合金熔体温度为780℃精炼，保温5～15分钟进行搅拌，扒渣，第三次静置15分钟。

将Al-18Si合金熔体温度降至770℃，设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为10°，转速为10r/min。将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在300℃预热，把精炼后的Al-18Si合金熔体在770℃下浇注进入机械滚筒进行流变处理，处理后的熔体直接压铸成型，即可得到高硅铝合金铸件。

实施例3Al-30Si合金初生硅细化及流变浆料的制备

将Al-30Si合金预热1.5～2小时达到150～200℃后，采用工业电炉将合金熔化。待合金熔化后熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置10～20分钟。将稀土镧预热1～2小时达到100～200℃，将Al-30Si合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，按Al-30Si合金熔体质量的3wt％加入镧，充分搅拌，第二次静置10～20分钟。然后，控制Al-30Si合金熔体温度为850℃精炼，保温5～15分钟进行搅拌，扒渣，第三次静置15分钟。

将Al-30Si合金熔体温度调整至850℃，设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为45°，转速为90r/min。将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在300℃预热，把精炼后的Al-30Si合金熔体在850℃下浇注进入机械滚筒进行流变处理，处理后的熔体直接入水淬火用于组织观察。

从图3、4可以明显看出，经本发明方法处理后，Al-30Si合金的初生硅尺寸得到较明显的细化，其平均颗粒尺寸从28微米细化到15微米，晶粒边缘棱角较为圆滑，非常适合后续的压铸成形。图5、6深腐蚀扫描电镜照片看到，经本发明方法处理后Al-30Si合金共晶硅形貌从粗大连续的片状转变为细小、彼此分隔的纤维状，该形貌改变能显著提高铝硅合金的强度和韧性，非常有利于提高后续成形产品的使用性能。

实施例4

将Al-30Si合金预热1.5～2小时达到150～200℃后，采用工业电炉将合金熔化。待合金熔化后熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置10～20分钟。将稀土镧预热1～2小时达到100～200℃，将Al-30Si合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，按Al-30Si合金熔体质量的5wt％加入稀土镧，充分搅拌，第二次静置10～20分钟。然后，控制Al-30Si合金熔体温度为850℃精炼，保温5～15分钟进行搅拌，扒渣，第三次静置15分钟。

将Al-30Si合金熔体温度调整至860℃，设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为60°，转速为350r/min。将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在300℃预热，把精炼后的Al-30Si合金熔体在860℃下浇注进入机械滚筒进行流变处理，处理后的熔体直接压铸成型，即可得到高硅铝合金铸件。

Claims (10)

1.高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；

b、设置机械滚筒相对地面水平线的倾角为10～60°，搅拌速度设为10～500r/min；

c、根据不同Si含量使经稀土元素处理的高硅铝合金的熔体温度保持在高硅铝合金液相线温度以上30～50℃，快速浇注进入机械滚筒，搅拌，即得高硅铝合金流变浆料。

2.根据权利要求1所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤c中，所述经稀土元素处理的高硅铝合金熔体由如下步骤制得：

(1)将高硅铝合金母料熔化；

(2)根据不同Si含量，使高硅铝合金的熔体温度高于液相线温度50～70℃下搅拌，第一次静置；

(3)将步骤(2)第一次静置后的高硅铝合金熔体温度设置在高于液相线温度30～50℃，加入稀土元素，搅拌，第二次静置；

(4)将步骤(3)第二次静置后的高硅铝合金熔体温度控制在高于液相线温度20～30℃精炼，保温，搅拌，扒渣，第三次静置，即得。

3.根据权利要求1所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述预热的温度为100～300℃。

4.根据权利要求2所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述熔化是将高硅铝合金预热1.5～2.5小时达到150～200℃后采用工业电炉进行熔化。

5.根据权利要求2所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述稀土元素预热1～2小时达到100～200℃后再加入至高硅铝合金熔体中。

6.根据权利要求2所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤c中，满足以下至少一项：

步骤(2)中，所述第一次静置的时间为10～20分钟；

步骤(3)中，所述加入稀土元素的质量占高硅铝合金熔体质量的0.1～5wt％；

步骤(3)中，所述稀土元素为镧或铈元素中的至少一种；

步骤(3)中，所述第二次静置的时间为10～20分钟；

步骤(4)中，所述保温的时间为5～15分钟；

步骤(4)中，所述第三次静置的时间为15～25分钟。

7.根据权利要求1或2所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：所述高硅铝合金中Si含量为18～30wt％，对应的液相线温度为680～820℃。

8.根据权利要求1所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：步骤c中，从机械滚筒搅拌后流出的所述高硅铝合金流变浆料储存在保温炉，炉温保持在所述液相线上5～15℃过热度。

9.根据权利要求8所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：所述流变浆料进入保温炉后随即在5～10秒内进入后续成形工序。

10.根据权利要求9所述的高硅铝合金流变浆料的制备方法，其特征在于：所述后续成形工序包括浇注制备铸锭后挤压、锻造或轧制成形，或直接铸造成形。