一种改变铝合金中硅铁相形貌的方法与流程

本发明涉及一种铝合金及其制备领域，具体涉及一种改变铝合金(铝硅合金)中硅铁相形貌的方法。

背景技术：

铝硅合金具有质量轻、散热快、耐磨性能好等优点，但是硅铝合金的强度不高，如果需要在铝硅合金的基础上进一步提高材料的强度和耐磨性能，需要在合金中继续增加硅的含量或者加入其它元素，如：加入cu、ni、mg、fe等元素。其中fe元素通常在使用过程中严格控制含量在1％以下，一旦fe元素过高，在基体中易形成β-al5fesi相和δ-al4fesi相，这些硅铁相呈现粗大针状形貌，影响合金铸造补缩性能，同时这些相存在于合金微观铸造的晶界处，分布不均匀，对合金的基体有割裂作用，影响合金强度性能。但这些硅铁相普遍硬度较高，熔点也高，若能改变硅铁相的形貌，消除针状，将硅铁相作为增强相使用，可以提高合金的耐热性和强度，而且fe对于cu、ni等金属经济性好，可以降低材料的成本，从而拓展铝合金的应用范围。

专利cn108893662a公开了一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用，其中fe含量1.2-5％，采用mn、b、re等元素改善铁相形态，通过mn对fe进行置换，形成置换固溶体，消除再生铝中的针状铁相，再通过b和稀土元素抑制细化硅铁相。专利cn107385257a公开了一种再生铝合金富铁相变质的方法，该方法采用w元素与fe形成置换固溶体，改变硅铁相生长取向，减少fe元素富集的危害，然后通过剧烈搅拌细化硅铁相。现有技术中铝合金硅铁相的研究主要集中在两个方面，一是通过添加元素中和fe元素，消除针状硅铁相对合金性能的影响，但此方法只能消除不利影响，并不能将其作为增强相加以利用，而且此方法只适用于fe含量5％以下的铝合金；二是通过机械搅拌细化硅铁相，消除粗大针状硅铁相对合金性能的影响，但此方法工艺较为复杂，对设备要求高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种改变铝合金中硅铁相形貌的方法。一是为了改变铁含量大于5％的铝硅合金中粗大针状硅铁相的形貌，将硅铁相转变增强相使用；二是简化生产工艺，降低生产成本。本发明通过原位反应法在合金中生成高活性的tibc/tic亚微米陶瓷，利用这些陶瓷颗粒可以对基体中β-al5fesi相和δ-al4fesi相进行变质处理，转变为颗粒状或细小块状形貌原理，通过调整tibc/tic亚微米陶瓷与铁元素的配比，使铝硅合金具有良好的铸造补缩性能，同时提高了合金强度和耐磨性能。

本发明的技术方案是：一种改变铝合金中硅铁相形貌的方法，其特征是，控制产品铝合金材料中的成分：si:15-25％，fe:5-12％，(ti+b+c):5-7％，余量为al；其方法具体包括以下步骤：

(1)开启中频炉，加入铝锭，熔化后加入si-fe中间合金，待全部熔化后将温度控制在750-950℃；

(2)按配比加入al-ti合金、al-b合金、al-c合金，然后在铝液表面加入覆盖剂；

(3)迅速升温至1300-1500℃，并保温15-20min；

(4)快速降温至700-900℃后，将覆盖剂清除；

(5)加入铝合金精炼剂通入氩气，进行精炼除气8-15分钟，扒去浮渣；

(6)静置，将合金铝液浇注到预热好的模具中，得到颗粒状或细小块状硅铁相增强的铝合金。

所述覆盖剂可以为冰晶石等覆盖剂：所述铝合金精炼剂为市售的铝合金精炼剂，优选主要成分为nano3的铝合金精炼剂，使用量为0.5-3kg/500kg。

优选地，步骤(2)中，所述配比为al-ti合金、al-b合金、al-c合金与si、fe含量的配比，配比范围为：si:15-25％，fe:5-12％，(ti+b+c):5-7％。

优选地，步骤(2)中，所述配比为ti、b、c的摩尔比控制在ti:b:c＝2:2:1。

优选地，步骤(3)中，所述升温至1300-1500℃，并保温15-20min，是为了使熔体中的原位反应可以充分进行，并可以在微观组织中可以得到高活性的tibc/tic亚微米级陶瓷颗粒。

优选地，步骤(3)中，所述迅速升温，是指20分钟内从750-950℃升至1300-1500℃。

优选地，步骤(4)中，所述快速降温，是指2分钟内从1300-1500℃降至700-900℃。所述快速降温，是为了防止tibc/tic亚微米级陶瓷颗粒聚集长大，并且能够使陶瓷颗粒均匀的分布到铝液中，实现对硅铁相变质处理的目的。

优选地，步骤(6)中，所述硅铁相，是通过以上步骤得到颗粒状或细小块状的硅铁相。

本发明铝硅合金中fe含量在5-12％，在变质处理前，材料的微观组织中形成了大量粗大针状β-al5fesi相和粗大片状δ-al4fesi相(见附图1)。然后利用原位反应的原理，制备的材料中含有高活性的tibc/tic亚微米陶瓷颗粒(附图2)，这些高活性的亚微米级陶瓷颗粒在材料凝固的过程中一部分颗粒作为晶核成为硅铁相凝固核心；一部分颗粒富集在硅铁相的周围，阻止了硅铁相的长大(见附图3)，基于以上原理，通过调整材料中tibc/tic颗粒与铁元素的配比后，可以有效的使铝硅合金微观组织中粗大针状β-al5fesi相和片状的δ-al4fesi相全部转变成颗粒状或细小块状形貌的硅铁相，尺寸在40μm左右(见附图4)，从而使材料具有很好铸造补缩性能；同时由于消除了割裂基体的粗大组织，材料的微观组织更加均匀，材料的抗拉强度和耐磨性能有了明显的提高，适合零件的大规模生产和应用。

本发明铝硅合金可进行重力铸造、压力铸造，适用于生产活塞、缸套等发动机耐磨件。经过t6处理后，常温抗拉强度>300mpa，摩擦系数低于0.1，延伸率达到0.8％，硬度≥190hbw。

附图说明

图1为本发明铝硅合金未进行原位反应前微观组织中粗大针状β-al5fesi相和粗大片状δ-al4fesi相sem扫描图片；

图2为本发明中原位反应生成tibc/tic陶瓷粒子的sem扫描图片(亮色的为tic陶瓷粒子、暗色的为tibc粒子)；

图3为本发明中tibc/tic陶瓷粒子在细小块状β-al5fesi相晶体内和界面上分布的sem扫描图片；

图4为本发明铝硅合金中颗粒状和细小块状硅铁相的sem扫描图片。

具体实施方式

下面给出四种最佳实施例，实施例中使用的铝合金精炼剂为主要成分为nano3的铝合金精炼剂，使用量为0.5-3kg/500kg。

实施例1：

(1)将铝锭加入中频炉，熔化后加入60si-fe中间合金，待全部熔化后将温度控制在800℃；

(2)加入al-10ti合金、al-5b合金、al-0.5c合金，然后在铝液表面加入冰晶石覆盖剂，ti、b、c的摩尔比控制在ti:b:c＝2:2:1，合金成分中(ti+b+c)含量：5％，si：15％，fe：5.5％，其余为al；

(3)升温至1300℃，并保温20min；

(4)快速降温至700℃后，将覆盖剂清除；

(5)加入铝合金精炼剂通入氩气，进行精炼除气10分钟，扒去浮渣；

(6)静置5分钟后将合金铝液浇注到预热好的模具中，得到颗粒状或细小块状硅铁相增强的铝合金。

合金经过t6处理后，产品的性能指标如下1所示。

实施例2：

(1)将铝锭加入中频炉，熔化后加入70si-fe中间合金，待全部熔化后将温度控制在800℃；

(2)加入al-10ti合金、al-10b合金、al-0.5c合金，然后在铝液表面加入冰晶石覆盖剂，ti、b、c的摩尔比控制在在ti:b:c＝2:2:1，合金成分中(ti+b+c)含量：6％，si：18.5％，fe：7.4％，其余为al；

(3)升温至1400℃，并保温18min；

(4)快速降温至750℃后，将覆盖剂清除；

(5)加入铝合金精炼剂通入氩气，进行精炼除气10分钟，扒去浮渣；

(6)静置5分钟后将合金铝液浇注到预热好的模具中，得到颗粒状或细小块状硅铁相增强的铝合金。

合金经过t6处理后，产品的性能指标如下1所示。

实施例3：

(1)将铝锭加入中频炉，熔化后加入80si-fe中间合金，待全部熔化后将温度控制在850℃；

(2)加入al-15ti合金、al-5b合金、al-1c合金，然后在铝液表面加入冰晶石覆盖剂，ti、b、c的摩尔比控制在在ti:b:c＝2:2:1，合金成分中(ti+b+c)含量：6.5％，si：21.8％，fe：9.3％，其余为al；

(3)升温至1450℃，并保温16min；

(4)快速降温至800℃后，将覆盖剂清除；

(5)加入铝合金精炼剂通入氩气，进行精炼除气12分钟，扒去浮渣；

(6)静置5分钟后将合金铝液浇注到预热好的模具中，得到颗粒状或细小块状硅铁相增强的铝合金。

合金经过t6处理后，产品的性能指标如下1所示。

实施例4：

(1)将铝锭加入中频炉，熔化后加入80si-fe中间合金，待全部熔化后将温度控制在850℃；

(2)加入al-15ti合金、al-10b合金、al-1c合金，然后在铝液表面加入冰晶石覆盖剂，ti、b、c的摩尔比控制在在ti:b:c＝2:2:1，合金成分中(ti+b+c)含量：7％，si：23.8％，fe：11.2％，其余为al；

(3)升温至1500℃，并保温15min；

(4)快速降温至850℃后，将覆盖剂清除；

(5)加入铝合金精炼剂通入氩气，进行精炼除气15分钟，扒去浮渣；

(6)静置5分钟后将合金铝液浇注到预热好的模具中，得到颗粒状或细小块状硅铁相增强的铝合金。

合金经过t6处理后，产品的性能指标如下1所示。

本发明实施例1-4制备的材料与现有活塞常用铝硅合金zl109进行对比，两种材料经过t6处理后，根据《gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验方法》、《gb/t231.1金属材料布氏硬度试验》、《gb/t12444-2006_金属材料_磨损试验方法_试环-试块滑动磨损试验》标准进行测试，得出材料性能如表1所示，从表1可以看出：本发明铝硅合金强度、硬度较高，且高温性能优异，说明强度提高的同时耐热性也提高。

表1材料性能数据对比