CN111172435A - 一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，属于铝合金铸造领域，本发明以Al‑10%RE中间合金为变质剂，以铸造铝硅合金为变质对象，具体工艺方法为：将铝硅合金加热熔化，升温至730‑740℃进行搅拌、精炼除气、除渣，保温静置20‑30min后加入1.5‑3%的Al‑10%RE中间合金并同步对熔体充分搅拌、除渣，然后升温至750‑760℃静置保温40‑50min，之后在690‑700℃将金属液快速浇注入温度在160℃‑190℃的金属模具中；利用本发明的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，可以显著细化合金的铸态组织，提高合金电导率和力学性能，充分发挥稀土对共晶硅的变质作用。

Description

一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法

技术领域

本发明属于铝合金铸造领域，特别涉及一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法。

背景技术

铝硅合金属于铸造用铝合金，其流动性佳、铸造缺陷少，并可通过加入Mg、Cu等合金化元素实现强化，被广泛应用于汽车、航空航天、通讯电子等各领域。典型零件如铸造汽车轮毂，具备的质轻、美观、节能等优良性能使其迅猛发展取代了钢制轮毂的主导地位，在现代汽车中得到了广泛应用。A356等亚共晶合金目前仍是铸造轮毂普遍采用的材料，但随着汽车工业的发展，市场对合金强度与塑性提出了更高要求。亚共晶铝硅合金的铸造组织中一般含有初生α-Al相和共晶硅相，在常规铸造条件下合金组织中的共晶硅通常是以层片状或板条状的形式存在，这种层片状或板条状的共晶硅严重割裂了基体组织，使得合金的力学性能尤其是塑性显著降低。改善铸造铝硅合金的这种组织的一个有效方法是细化变质处理。稀土元素被称为金属的“维他命”，具有独特的变质效果，但目前在我国的产业化应用中还较少，原因之一是对稀土变质的工艺了解不足、利用不当，稀土的变质能力未能充分发挥。

经检索，公开号为CN108425043A的中国发明专利公开了一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金及其制备方法，其原料成分按重量百分比含Si6.0~8.5%，Mg0.65~1.5%，Mn0.25~0.75%，Ti0.08~0.25%，Be≤0.2%，Zn≤0.5%，Cr≤0.5%，Zr≤0.5%，余量为Al；制备方法为：(1)准备原料；(2)铝锭加热成铝熔体，加入其他原料铝熔体中，熔化后搅拌均匀；(3)加入精炼剂进行精炼处理；然后加入Al-10RE变质剂进行变质处理；(4)除气后扒渣，700~800℃静置，然后浇注成铸件；(5)将铸件进行固溶处理和时效处理。该发明的方法利用稀土变质后，解决了提高Mn含量导致的变质效果退化竺衰退的问题，充分发挥高Mg合金的沉淀强化效果，实现合金力学性能提升。该发明技术的缺点在于：稀土加入量为0.3~3%，当稀土加入过多时易引起生成大量的稀土夹杂，导致力学性能下降；精炼处理后未进行扒渣、静置，稀土元素易与精炼剂中的卤族元素发生反应而损失；稀土变质后的保温时间短，共晶硅变质效果未能达到理想状态。

目前国内铸造铝硅合金材料一般难以在保证铸造性能的情况下，将强度和塑性同时提高，稀土的变质作用为此提供了优化的可能性；我国稀土资源丰富，将其恰当应用于铸造铝合金材料中，充分发挥其变质能力，有助于资源优势转化为技术优势；我单位就此自主研发了一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，在保证铸造性能的情况下，将铝硅合金的强度和塑性进一步同时提高，其中的一个优选方案中制得的合金的各项性能指标为电导率为19.2x10⁶S/m，屈服强度为201MPa，抗拉强度为309MPa，延伸率为5.8%。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，在保证铸造性能的情况下，将铝硅合金的强度和塑性进一步同时提高。

本发明采用的技术方案如下：一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，包括如下步骤：

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：6~10%，Mg：0.2~1%，Cu：0~1%，Mn：0~0.3%，Fe：0.1~0.5%，Ti：0.05~0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，杂质元素的重量百分数不超过0.15%；

步骤2：将步骤1准备好的原料加热熔化，升温至730℃-740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20-30min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量1.5-3%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，并再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃-760℃，静置保温40-50min；之后，控制铝熔体温度至690℃-700℃，将金属液快速浇注入金属模具中，模具预热温度在160℃-190℃，得到铝合金铸锭。

作为优选方案：上述原料中Mg/Si重量比不超过0.1。

作为优选方案，Al-10%RE中间合金的加入量按铝硅合金总重量的2%进行配比。

作为优选方案，步骤3加入Al-10%RE中间合金后，保温工艺为：750℃下静置保温45min。

作为优选方案，步骤3中控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃的金属模具中，得到铝合金铸锭。

上述方案中的一个优选实施例为：

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

本发明方法的特点在于：

1、选择在铝熔体中加入1.5~3wt%的Al-10%RE中间合金作为变质剂，控制RE含量在0.2wt%左右；一方面，以中间合金加入的方式熔化速率快、烧损低，稀土能够快速在熔体中分散开，同时0.2wt%的RE变质作用强烈，可以保证亚共晶硅充分细化，同时使合金具有良好的力学性能；经研究，RE的含量若高于此范围，会生成大量的稀土夹杂，反而使合金强度与塑性均发生下降；RE的含量若低于此范围，添加量较少则对合金组织与性能改善作用不大。

2、选择铝硅合金中Si含量在6~10%的亚共晶区域，其组织中AlSi共晶含量小于75vol%，对稀土中间合金变质有较好的敏感性，同时控制Mg/Si重量比不超过0.1，否则Mg₂Si相占比过多引起合金塑性下降，使变质效果减弱。

3、Al-RE中间合金加入前，对熔体先进行充分精炼与扒渣，有效减小RE元素与精炼剂中卤化物的反应损失，促进RE的变质作用；Al-RE中间合金加入后不再进行精炼，保持熔体平稳，避免二次氧化，稀土对共晶硅变质的同时，也可以进一步使粗大状化合物球化，发挥稀土的部分净化作用。

4、变质保温工艺与浇铸工艺的配合，实现保证Al-10%RE的变质效果，促使得到较理想的细化组织；在750℃-760℃保温40-50min的保温工艺，能够保证稀土渡过变质潜伏期并且烧损尽量小；浇铸工艺的模具温度在160℃-190℃范围内，保证了一定凝固冷却速度，和避免铸造缺陷；若高于此范围，冷速降低导致稀土变质效果大幅减弱；若低于此范围，铸件表层激冷凝固造成表层断流，出现冷隔、缩松、气孔等缺陷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法简单实用，操作过程安全、稳定，稀土烧损小，成功率高。

2、本发明的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法变质作用强烈，可以显著细化合金的铸态组织，提高合金的力学性能与电导率。

附图说明

图1为实施例1和对比例1制得的合金铸锭的显微组织图，其中图1（b）所示为实施例1制得的铝合金铸锭的显微组织图，图1（a）为对比例1制得的铝合金铸锭的显微组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明；应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

实施例2

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：10%，Mg：0.3%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量1.5%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比例1

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比例2

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量1%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比例3

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量4%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比例4

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入250℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比例5

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：10%，Mg：0.3%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

对比分析

如图1所示，为实施例1和对比例1制得的合金铸锭的显微组织图，其中图1（b）所示为实施例1制得的铝合金铸锭的显微组织图，图1（a）为对比例1制得的铝合金铸锭的显微组织图；实施例2制得的铝合金铸锭的显微组织图与实施例1基本相同；由图1（b）可见实施例1制得的合金呈非枝晶组织状态，共晶硅细小分散分布；由图1（a）可见对比例1制得的合金呈枝晶组织状态，共晶硅也较为聚集粗大。

对比例1与实施例1的区别在于，对比例1步骤3中缺少“向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min”。

由此可见，本发明的“向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；”该操作发挥出稀土细化变质处理的作用，有效地改善了铸造铝硅合金的显微组织形态，从而决定了合金性能的进一步提升。

如下表1统计了上述实施例1、2以及对比例1-5制得的合金的电导率、屈服强度、抗拉强度、延伸率；

表1

实施例1与对比例1对比分析

对比例1与实施例1的区别在于，对比例1步骤3中缺少“向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min”；

由此可见，本发明的“向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；”通过表1对制得的合金的电导率、屈服强度、抗拉强度、延伸率数值对比可知，实施例1因为多了该操作，其电导率、屈服强度、抗拉强度、延伸率数值比对比例都要高；其内在原因是该操作可以细化变质铸造合金组织，减少电子散射，从而提升合金电导率，而且有效提高合金塑性和抗拉强度。

实施例1与对比例2、3对比分析

对比例2与实施例1的区别在于，步骤3中Al-10%RE中间合金的添加量为1%；对比例3与实施例1的区别在于，步骤3中Al-10%RE中间合金的添加量为4%；实施例1中步骤3中Al-10%RE中间合金的添加量为2%；其他数值的对比数据不再此一一展示；

通过表1对制得的合金的电导率、屈服强度、抗拉强度、延伸率数值对比可知，实施例1的电导率、屈服强度、抗拉强度、延伸率各项数值都是其中最高的；由此可知：在本发明处理工艺下，稀土加入量存在一个最佳变质效果区间，随着稀土含量的增加，合金强度与延伸率均呈先增加后减小的趋势；因此，本发明限定Al-10%RE中间合金的加入量为1.5-3%，且2%是最优方案。

实施例1与对比例4对比分析

对比例4与实施例1的区别在于，对比例4步骤3中将金属液快速浇注入250℃金属模具中，实施例1为浇注入160℃金属模具中；

由表1对比可知，浇铸模具温度对于合金性能的保证是必要的，模具温度过高或过低都将使变质处理效果减弱，其他温度数值的对比数据不再此一一展示；经过对比实验研究发现，本发明模具预热温度在160℃-190℃之间效果是较为理想的区间，其中实施1的最佳温度为160℃。

实施例2与对比例5对比分析

对比例5与实施例2的区别在于，步骤3中缺少：“向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min”；

由表1对比可知，本发明工艺下的稀土处理对含硅量10%的亚共晶铝硅合金也有较好的细化变质效果，有效提高合金电导率、强度和塑性。

尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法,其特征是，包括如下步骤：

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：6~10%，Mg：0.2~1%，Cu：0~1%，Mn：0~0.3%，Fe：0.1~0.5%，Ti：0.05~0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，杂质元素的重量百分数不超过0.15%；

步骤2：将步骤1准备好的原料加热熔化，升温至730℃-740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20-30min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量1.5-3%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，并再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃-760℃，静置保温40-50min；之后，控制铝熔体温度至690℃-700℃，将金属液快速浇注入金属模具中，模具预热温度在160℃-190℃，得到铝合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，其特征在于：上述原料中Mg/Si重量比不超过0.1。

3.根据权利要求1所述的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，其特征在于：Al-10%RE中间合金的加入量按铝硅合金总重量的2%进行配比。

4.根据权利要求1所述的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，其特征在于：步骤3加入Al-10%RE中间合金后，保温工艺为：750℃下静置保温45min。

5.根据权利要求1所述的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，其特征在于：步骤3中控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃的金属模具中，得到铝合金铸锭。

6.根据权利要求1所述的稀土变质铸造铝硅合金的工艺方法，其特征在于：上述方案中的一个优选实施例为：

步骤1：按如下重量百分比准备原料并烘干处理：Si：7.5%，Mg：0.7%，Fe：0.2%，Ti：0.15%，余量为Al，杂质元素的重量百分数≤0.1%；

步骤2：将步骤1准备好的原料放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后升温至740℃进行搅拌、精炼除气、除渣形成铝熔体；而后将铝熔体保温静置20min；

步骤3：向步骤2的铝熔体中加入铝硅合金总重量2%的Al-10%RE中间合金，并同步对铝熔体充分搅拌，使稀土元素分散均匀，全部熔解和液面平稳后再一次除渣；随后控制铝熔体升温至750℃，静置保温45min；之后，控制铝熔体温度至700℃，将金属液快速浇注入160℃金属模具中，得到铝合金铸锭。

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