一种用于共晶铝硅合金的Al-B-P双重变质剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于有色金属加工制备领域，涉及一种用于共晶铝硅合金的al-b-p双重变质剂及其制备方法和应用。

背景技术：

铸造铝硅合金因具有密度低、热膨胀系数小、比强度高等优点，是铸造铝合金中应用范围最广、产量最大的一类合金，占铸造铝合金总量的80％以上，被广泛应用于汽车及航天航空领域，特别是缸体、活塞。常规铸造条件下，铝硅合金存在如下问题：1)铝基体晶粒组织比较粗大；2)粗大针片状共晶硅严重割裂基体；3)随着硅含量的增加，铝硅合金组织中出现粗大、不规则的块状初晶硅，明显降低合金的韧性。变质处理作为调控铝硅合金组织最常规的手段，其目的是通过细化铝相、硅相或改善硅相的形态，最终提高合金的综合力学性能。

共晶硅变质的元素有na，sr，ca，ba，re等，可以将共晶si由针片状变质为纤维状。变质机理为杂质促发孪晶机制(iit)，该理论建立在孪晶凹谷机制(tpre)基础上。对铝基体进行变质的元素有ti、b、zr等，其化合物tial3，alb2，tib2，tic，zral3和al具有相似晶体结构和相近的晶格常数，可以作为al的异质形核核心，从而细化al晶粒。初晶si的变质的元素主要是p，al与p反应生成alp化合物，弥散分布在合金熔体中，其晶体结构与si相同，属于面心立方晶格，且晶格常数相近，alp作为初晶si的异质形核核心，从而细化了初晶硅，同时p的加入可以间接抑制共晶si的生长。

技术实现要素：

采用al-3b和al-3p合金对铝硅合金进行复合变质处理可明显提高其强韧性，但是需要分别制备al-3b和al-3p合金，并分步实施复合变质处理，变质工艺比较复杂。本发明的目的是设计与开发一种用于共晶铝硅合金变质处理的al-b-p复合变质剂，简化共晶铝硅合金的复合变质工艺。

本发明是通过以下方式实现的，其具体操作步骤包括：

(1)按质量百分数，硼：0.5％～15.0％；磷：0.5％～15.0％；余量为铝，称取铝粉、硼粉和红磷粉(粒度均为80～150目)均匀混合，均匀混合后平铺在钢板上，平铺厚度为5毫米；

(2)把钢板放入钢制盒密封抽真空后，将其在840～930℃炉中保温2～5小时进行气(p)-液(al)和液(al)-固(b)之间的原位反应，制备成块状al-b-p复合变质剂；

(3)取出块状al-b-p复合变质剂，将其破碎成1～3毫米。

作为优选，步骤(1)合金的成分为：1.0～8.0％b、2.5～10.0％p、铝为余量。

本发明是依据al-b-p三元系700℃等温截面相关系进行al-b-p复合变质剂的成分设计，其具体成分为：0.5％～15.0％b、0.5％～15.0％p、余量为al。al-b-p合金的相组成为α-al、alb2和alp，alb2和alp相均匀分布在α-al基体中，采用发明的al-b-p双重变质剂对共晶铝硅合金的复合变质处理，可提高变质效率。

本发明的原理如下：

依据al-b-p三元系700℃等温截面相关系，存在α-al+alb2+alp三相区，在此区域内设计al-b-p中间合金，合金的相组成为α-al、alb2和alp相。当将粒度为80～150目的铝粉、硼粉和红磷粉均匀混合后，在840～930℃时，液态铝和气态磷、液态铝与固态硼在混合组态下发生原位反应，铝元素分别与硼和磷元素通过原位反应生成alb2和alp相，这些生成相将均匀分布在铝基体中。alb2相可作为α-al相的形核质点，alp相可作为硅相的形核质点，因此，al-b-p合金可对铝硅合金起到双重变质作用。

本发明的有益效果是：

本发明制备al-b-p中间合金，合金组织中同时具有alb2和alp相，且在合金基体中分布均匀，对共晶铝硅合金具有显著的双重变质作用，有较好的工业应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

图1是al-b-p三元系700℃等温截面相关系。

图2是实施例1制备的al-1.5b-3p中间合金的x射线衍射图谱。

图3是实施例1制备的al-1.5b-3p中间合金的显微组织。

图4是实施例2制备的al-2.5b-2.5p中间合金的显微组织。

图5是实施例3制备的al-4.0b-10p中间合金的显微组织。

图6是实施例4制备的al-8.0b-8.0p中间合金的显微组织。

图7是实施例5al-1.5b-3p中间合金变质共晶铝硅合金的显微组织。

具体实施方式

本发明将通过实施例进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

实施例1

(1)将铝粉、硼粉和红磷粉(质量百分数为：硼1.5％；磷3.0％；铝为95.5％)均匀混合后平铺在钢板上，混合粉厚度为5毫米；

(2)把钢板放入钢制盒密封抽真空后，将其在850℃炉中保温2.5小时，进行液态铝和气态磷、液态铝与固态硼之间的原位反应，制备成块状al-1.5b-3.0p复合变质剂；

(3)取出al-1.5b-3.0p复合变质剂，将其破碎成1～3毫米。

由图2所示的al-1.5b-3p中间合金的x射线衍射图谱可知，该中间合金的相组成为α-al、alb2和alp相。由图3所示的al-1.5b-3p中间合金显微组织可见，alb2和alp相均匀地分布在α-al基体中。

实施例2

(1)将铝粉、硼粉和红磷粉(质量百分数为：硼2.5％；磷2.5％；铝为95.0％)均匀混合后平铺在钢板上，混合粉厚度控制在5毫米；

(2)把钢板放入钢制盒密封抽真空后，将其在870℃炉中保温3小时，进行液态铝和气态磷、液态铝与固态硼之间的原位反应，制备成块状al-2.5b-2.5p复合变质剂；

(3)取出al-2.5b-2.5p复合变质剂，将其破碎成1～3毫米。

由图4所示的al-2.5b-2.5p中间合金显微组织可见，alb2和alp相均匀地分布在α-al基体中。

实施例3

(1)将铝粉、硼粉和红磷粉(质量百分数为：硼4.0％；磷10.0％；铝为86.0％)均匀混合后平铺在钢板上，混合粉厚度控制在5毫米；

(2)把钢板放入钢制盒密封抽真空后，将其在890℃炉中保温3.5小时进行液态铝和气态磷、液态铝与固态硼之间的原位反应，制备成块状al-4.0b-10.0p复合变质剂；

(3)取出al-4.0b-10.0p复合变质剂，将其破碎成1～3毫米。

由图5所示的al-4.0b-10.0p中间合金显微组织可见，alb2和alp相均匀地分布在α-al基体中。

实施例4

(1)将铝粉、硼粉和红磷粉(质量百分数为：硼8.0％；磷8.0％；铝为84.0％)均匀混合后平铺在钢板上，混合粉厚度控制在5毫米；

(2)把钢板放入钢制盒密封抽真空后，将其在920℃炉中保温4小时进行原位反应，制备成块状al-8.0b-8.0p复合变质剂；

(3)取出al-8.0b-8.0p复合变质剂，将其破碎成1～3毫米。

由图6所示的al-8.0b-8.0p中间合金显微组织可见，alb2和alp相均匀地分布在α-al基体中。

实施例5

采用实施例1中制备的al-1.5b-3.0p变质剂对共晶铝硅合金进行复合变质处理：

(1)采用井式电炉在石墨坩埚中熔炼共晶铝硅合金；

(2)加入六氯乙烷除气精炼；

(3)将al-1.5b-3.0p变质剂迅速压入熔体中，搅拌均匀后保温；

(4)将熔体浇注到预热的金属型，制得双重变质的共晶铝硅合金。

由图7所示的al-1.5b-3p中间合金变质共晶铝硅合金的显微组织可见，α-al面积分数最大且枝晶尺寸最小，细小的初晶si均匀分布于基体中，大部分共晶硅都已经转变为颗粒状。上述现象表明，实施例5制备的共晶铝硅显微结构处于较好水平。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。