CN110724858A - 过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法 - Google Patents

过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半固态金属制备技术领域，特别涉及过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。该方法是：a、将铝硅合金预热，熔化，搅拌，静置，调整铝硅合金熔体温度；b、将稀土元素加入至铝硅合金熔体中，搅拌，第一次静置，调温，精炼，搅拌并扒渣，调整铝硅合金熔体温度；c、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；d、将铝硅合金熔体注射入机械滚筒中，搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料；e、将所述过共晶铝硅合金半固态浆料浇注进入金属铸锭模，凝固得过共晶铝硅合金半固态坯料。本发明在共晶硅析出时通过稀土变质和流变处理增强了细化效果。

Description

过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法
技术领域
本发明属于半固态金属制备技术领域，特别涉及过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。
背景技术
铝硅合金是工业生产中最常用的合金之一，被广泛运用在交通、航空航天等工业行业。进入21世纪，随着原油价格的上涨、社会的进步、制造技术的飞速发展，在节能、减重的要求下，交通、航空等工业行业为达到高速、高效、节能的目的，所用材料进一步朝着轻量化方向发展。
过共晶铝硅合金具有比重小、强度高、耐磨性好、铸造成型好、尺寸稳定性高等诸多优点，在节能、轻量化的时代要求下正逐渐取代部分钢铁材料，被广泛应用在航空、航天、汽车、机械制造、船舶等工业中。工业上广泛应用的过共晶铝硅合金Si含量在13～18wt％之间，该系列合金的使用性能与Si元素的含量和形态紧密相关。Si元素在合金中往往以粗大的初生硅加上不同形态的共晶硅形式存在。通常合金存在五瓣星形状、板片状、八面体和其他复杂形貌的初生硅粗大的初生硅，以及针状、板条状甚至是块状的共晶硅，它们严重割裂合金基体，外力作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位易引起局部应力集中，从而显著降低合金的力学性能，尤其影响其塑性和耐磨性。因此，研究过共晶铝硅合金初生硅和共晶硅的细化工艺，对该系列合金的力学性能和应用推广具有重大意义。
实现Si相尤其是初生硅的细化和钝化是过共晶铝硅合金综合性能提高的前提，目前化学变质剂处理是较为主流的解决方法。大量研究表明，稀土元素能细化共晶硅，但是在能否细化初生硅问题上存在较大争议。由于稀土元素与Al形成的化合物与Si的晶体结构相差很大，无法成为Si的有效异质晶核，一般认为铈无法像磷一样单独细化初晶硅。但也有观点认为Al～Si合金中加入铈从而生产(Al2Si2)Ce三元化合物很可能是初生硅细化的原因，其机制可用吸附理论来解释。研究发现，稀土镧会形成富镧相，其会在凝固时包裹住部分初生硅阻止其长大；此外，镧还能通过“毒化”效应有效的细化共晶硅。
20世纪70年代，美国麻省理工的Flemings等人研发的半固态成形技术利用金属在固液相之间相互转变时固液共存的特性，降低了合金加工温度和金属的变形抗力，从而为形状复杂、高精度零件的近净成形提供了一条新途径。机械搅拌法是制备半固态浆料最有效、快速的方法之一，它通过对凝固过程中的熔体施加机械剪切力以实现枝晶破碎、晶粒细化的目的。(如中国专利：CN2471450Y；日本专利：专利号为1～192447；美国专利：专利号为5501266、5040589和3958650)，而最近提出的近液相线铸造法(中国专利：专利公开号为CN1305876A)扩大了半固态制备技术的概念，使得人们对合金的半固态处理不再局限于固液两相区间，扩大了制备工艺的应用范围。但是上述方法工作场合需在高温条件下进行，不利硅相细化；此外，其单次处理的合金熔体有限，不足以满足后续连续铸造成形要求。第三，共晶硅相的形成通常在合金凝固后期发生，此时合金熔体黏度较高，机械搅拌阻力较大，纯机械搅拌效率下降。
专利文献CN103381472B提出了一种有效制备过共晶铝硅合金半固态组织的方法，使得半固态熔体中的初生硅尺寸得到有效的细化，但该方法却没有看到改善共晶硅形貌的效果，使得过共晶铝硅合金半固态流变浆料的性能没有更大程度的优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。
本发明提供了一种过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。该方法包括如下步骤：
a、将铝硅合金预热，熔化，搅拌，第一次静置，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于铝硅合金液相线温度50～80℃；
b、将预热干燥后的稀土元素加入至步骤a第二次静置后的铝硅合金熔体中，待稀土元素熔化后，搅拌，第一次静置，降温，精炼，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于液相线温度30～60℃；
c、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；
d、将步骤b所得铝硅合金熔体通过定量浇注***注射进入机械滚筒中，搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料；
e、将所述过共晶铝硅合金半固态浆料浇注进入金属铸锭模，凝固后即得过共晶铝硅合金半固态坯料。
步骤a中，所述铝硅合金中Si含量的质量百分比为13～18％。
进一步地，步骤a中，所述铝硅合金的液相线温度为590～700℃。
进一步地，步骤b中，所述稀土元素为镧或铈中的至少一种。
进一步地，所述稀土元素占铝硅合金熔体的重量百分比为0.1～5wt％。
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。
进一步地，步骤a中，所述预热的温度为150～250℃。
进一步地，步骤a中，所述搅拌的温度为670～750℃。
所述第一次静置的时间为10～15min。
所述第二次静置的时间为10～20min。
进一步地，步骤b中，所述搅拌的温度为670～750℃。
所述第一次静置的时间为10～15min。
所述精炼的温度为680～720℃，精炼的时间为10～15min。
所述第二次静置的时间为10～20min。
进一步地，步骤c中，所述预热的温度为200～300℃。
进一步地，步骤d中，所述机械滚筒相对水平地面倾斜角度为10～70℃。
进一步地，步骤d中，所述机械滚筒的搅拌速度为10～500r/min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明针对过共晶铝硅合金初生硅相在熔体冷却到液相线附近的时候析出的特点，采用机械搅拌法结合稀土化学变质，可在初生硅开始析出的时候对其施加机械力，达到破碎初生硅的目的；在共晶硅析出时通过稀土变质增强细化效果；同时满足对过共晶铝硅合金高力学性能的要求。
(2)本发明方法制备过共晶铝合金浆料或坯料的效率高，可通过与挤压铸造、高压铸造、差压铸造等成型技术结合能制备出表面质量良好、力学性能优良的铸件，具有较大的市场推广价值。
(3)本发明方法工艺步骤简单、容易实施，在降低了设备生产成本的同时还提高了初生硅、共晶硅细小的过共晶铝硅合金的制备效率。
附图说明
图1为本发明采用型号为YL117的铝硅合金未经处理直接水淬的微观组织图。
图2为本发明方法处理后合金半固态浆料水淬后的微观组织图。
图3为本发明采用型号为YL117的铝硅合金未经任何处理直接浇注进入铸锭模的微观组织图。
图4为本发明方法处理后合金在铸锭模凝固后的微观组织图。
具体实施方式
具体的，本发明提供了一种过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法。该方法包括如下步骤：
a、将铝硅合金预热，熔化，搅拌，第一次静置，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于铝硅合金液相线温度50～80℃；
b、将预热干燥后的稀土元素加入至步骤a第二次静置后的铝硅合金熔体中，待稀土元素熔化后，搅拌，第一次静置，降温，精炼，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于液相线温度30～60℃；
c、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；
d、将步骤b所得铝硅合金熔体通过定量浇注***注射进入机械滚筒中，搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料；
e、将所述过共晶铝硅合金半固态浆料浇注进入金属铸锭模，凝固后即得过共晶铝硅合金半固态坯料。
在本发明步骤a中，所述铝硅合金中Si含量的质量百分比为13～18％，铝硅合金的液相线温度为590～700℃。本发明步骤c所述铝合金铸造涂料为本领域技术人员公知常识的涂料。
本发明创造性地采用低过热度半固态机械搅拌和稀土化学变质复合处理工艺制备硅相细化的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料。将稀土元素镧或铈中的至少一种变质后的低过热度的合金液浇注进入高速旋转的机械滚筒，金属液在滚筒内壁激冷作用下凝固，产生大量初生硅晶核。滚筒的高速转动对金属熔体产生强烈的剪切力，促使激冷产生的初生硅晶核从内壁脱落在熔体中游离，从而提高其形核率。强烈的剪切力会抑制初生硅的长大，使其在以小平面的方式生长的过程中产生的尖端棱角破碎并趋于圆滑。
此外，滚筒的强烈搅拌使合金熔体中的稀土元素成分趋于均匀，凝固过程中依附在共晶硅前沿，有效的细化共晶硅。另一方面，金属液非平衡凝固过程中生成的树枝状初生铝在高速剪切下得到破碎，对于浆料成形后的铸件性能会有更进一步的提高作用。经过机械搅拌和稀土变质复合处理，在激冷、剪切和化学变质的综合作用下，从而制备得到晶粒细小、边缘圆滑的硅相的过共晶半固态铝硅合金浆料。
下面将通过具体的实施例对本发明作进一步地详细阐述。
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。
实施例1采用本发明方法制备过共晶铝硅合金半固态浆料的方法
步骤a：将型号为AlSi12Cu的铝硅合金(其中，Si的重量百分比含量为12.5～13.5％，铝硅合金的液相线温度为600～610℃)在温度为150～250℃条件下进行预热，熔化，在670～750℃搅拌，第一次静置10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，使熔体温度为690℃。
步骤b：加入0.1wt％镧铈混合稀土，待稀土元素熔化后，在690℃搅拌，第一次静置10～15分钟，降温至680℃，精炼10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，同时调整铝硅合金熔体的温度，使得该温度比合金的液相线温度高30℃。
步骤c：将潍坊华师铸造材料有限公司的铸造铝合金涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在200～300℃预热。
步骤d：将铝硅合金熔体通过定量浇注***迅速注射进入相对水平地面倾斜角度为10°的机械滚筒中，以10r/min速度搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料。
实施例2采用本发明方法制备过共晶铝硅合金半固态浆料的方法
步骤a：将型号为YL117的铝硅合金(其中，Si的重量百分比含量为16～18％，铝硅合金的液相线温度为690～700℃)在温度为150～250℃条件下进行预热，熔化，在670～750℃搅拌，第一次静置10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，使熔体温度为770℃。
步骤b：加入5wt％铈，待稀土元素熔化后，在670℃搅拌，第一次静置10～15分钟，调温至720℃，精炼10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，同时调整铝硅合金熔体的温度，使得该温度比合金的液相线温度高40℃。
步骤c：将潍坊华师铸造材料有限公司的铸造铝合金涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在300℃预热。
步骤d：将铝硅合金熔体通过定量浇注***迅速注射进入相对水平地面倾斜角度为45°的机械滚筒中，以80r/min速度搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料。
实施例3采用本发明方法制备过共晶铝硅合金半固态坯料的方法
步骤a：将型号为YL117的铝硅合金(其中，Si的重量百分比含量为16～18％，铝硅合金的液相线温度为690～700℃)在温度为150～250℃条件下进行预热，熔化，在670～750℃搅拌，第一次静置10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，使熔体温度为780℃。
步骤b：加入0.1wt％铈，待稀土元素熔化后，在750℃搅拌，第一次静置10～15分钟，降温至720℃，精炼10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，同时调整铝硅合金熔体的温度，使得该温度比合金的液相线温度高50℃。
步骤c：将潍坊华师铸造材料有限公司的铸造铝合金涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在200～300℃预热。
步骤d：将铝硅合金熔体通过定量浇注***迅速注射进入相对水平地面倾斜角度为30°的机械滚筒中，以300r/min速度搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料。
步骤e：将所述过共晶铝硅合金半固态浆料直接浇注金属铸锭模中，凝固，即可得过共晶铝硅合金半固态坯料。
实施例4采用本发明方法制备过共晶铝硅合金半固态坯料的方法
步骤a：将型号为YL117的铝硅合金(其中，Si的重量百分比含量为16～18％，铝硅合金的液相线温度为690～700℃)在温度为150～250℃条件下进行预热，熔化，在670～750℃搅拌，第一次静置10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，使熔体温度为760℃。
步骤b：加入5wt％铈镧混合稀土，待稀土元素熔化后，在740℃搅拌，第一次静置10～15分钟，降温至730℃，精炼10～15分钟，搅拌并扒渣，第二次静置10～20分钟，同时调整铝硅合金熔体的温度，使得该温度比合金的液相线温度高40℃。
步骤c：将潍坊华师铸造材料有限公司的铸造铝合金涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，在250℃预热。
步骤d：将铝硅合金熔体通过定量浇注***迅速注射进入相对水平地面倾斜角度为30°的机械滚筒中，以400r/min速度搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料。
步骤e：将所述过共晶铝硅合金半固态浆料直接浇注金属铸锭模中，凝固，即可得过共晶铝硅合金半固态坯料。
实施效果：
图1所示为YL117合金未经稀土变质与机械搅拌处理直接水淬的微观组织，图2为采用本发明方法处理后该合金半固态浆料水淬后的微观组织。从图1可以明显看出，经本发明处理后，YL117合金的初生硅和共晶硅尺寸得到较明显的细化，初生硅晶粒边缘棱角较为圆滑，共晶硅则由原来的块状变为近球形，形态得到完美的优化，非常适合后续的压铸成形。图3所示为YL117合金未经任何处理直接浇注进入铸锭模的微观组织，图4为采用本发明方法处理后该合金在铸锭模凝固后的微观组织。对比图3、4，可以发现YL117初生硅颗粒数量增大、尺寸明显细化、钝化；共晶硅由原来的长条块状转变为短纤维状，形态得到极大优化，非常适合后续的触变成型。

Claims (10)

1.过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，所述硅铝合金中Si含量的质量百分比为13～18％，其特征在于：包括如下步骤：
a、将铝硅合金预热，熔化，搅拌，第一次静置，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于铝硅合金液相线温度50～80℃；
b、将预热干燥后的稀土元素加入至步骤a第二次静置后的铝硅合金熔体中，待稀土元素熔化后，搅拌，第一次静置，降温，精炼，搅拌并扒渣，第二次静置，调整铝硅合金熔体的温度高于液相线温度30～60℃；
c、将铝合金铸造涂料涂抹于机械滚筒内壁上，烘干，预热；
d、将步骤b所得铝硅合金熔体通过定量浇注***注射进入机械滚筒中，搅拌，得过共晶铝硅合金半固态浆料；
e、将所述过共晶铝硅合金半固态浆料浇注进入金属铸锭模，凝固后即得过共晶铝硅合金半固态坯料。
2.根据权利要求1所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述铝硅合金的液相线温度为590～700℃。
3.根据权利要求1或2所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述稀土元素为镧或铈中的至少一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：所述稀土元素占铝硅合金熔体的重量百分比为0.1～5wt％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述预热的温度为150～250℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤a中满足以下至少一项：
所述搅拌的温度为670～750℃；
所述第一次静置的时间为10～15min；
所述第二次静置的时间为10～20min。
7.根据权利要求1～6任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤b中满足以下至少一项：
所述搅拌的温度为670～750℃；
所述第一次静置的时间为10～15min；
所述精炼的温度为680～720℃，精炼的时间为10～15min；
所述第二次静置的时间为10～20min。
8.根据权利要求1～7任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤c中，所述预热的温度为200～300℃。
9.根据权利要求1～8任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤d中，所述机械滚筒相对水平地面倾斜角度为10～70℃。
10.根据权利要求1～9任一项所述的过共晶铝硅合金半固态浆料或坯料的制备方法，其特征在于：步骤d中，所述机械滚筒的搅拌速度为10～500r/min。
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