一种利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法

1.本发明属于有色合金加工成型技术领域，具体涉及一种利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法。


背景技术：

2.铝硅合金是一种应用广泛的铸造铝合金；其中硅含量为13-26wt.％的过共晶铝硅合金，具有热膨胀系数低、密度小、结晶潜热高、耐磨性好和比强度高等特点，被广泛应用于制备交通工具发动机活塞和气缸套等耐磨零部件，用于汽车轻量化生产，同时在航空航天，船舶海洋等方面也都有广泛应用。由于过共晶铝硅合金中的铝相硬度明显低于硅相、但其密度大于硅相且热膨胀系数是硅相的3-4倍。因此随着硅含量的增加，合金密度和线膨胀系数降低、耐磨性提高，同时硅相作为一种硬质相分布在软韧的铝基体中，可以提高材料的尺寸稳定性；但是在传统铸造条件下，由于冷速较慢，粗大的板片状初晶硅及粗针状或长针状共晶硅，在外力作用时，会引起硅相的尖端及棱角处的应力集中，将严重割裂合金基体，使组织恶化，显著降低了合金的力学性能，使其应用受到一定限制。因此为了提高材料的综合力学性能，细化凝固组织至关重要。
3.目前，对过共晶铝硅合金中初生硅的细化研究较多，但对共晶组织的细化研究还有所局限；硅相的细化处理主要可以通过物理和化学两方面进行研究，目前的已有研究主要可以通过快速凝固以及熔体过热处理等物理手段，添加变质剂等化学处理手段。对初晶硅的变质细化，在工业上广泛应用的是p变质处理，但p是一种易燃性非常高的物质，对保存条件的要求十分严格，同时反应时还会产生大量的白色有毒烟雾。研究发现，稀土元素进行变质处理可以有效细化硅相，但其细化程度和元素种类以及添加量都有着密切的关系。如果能消除过共晶铝硅合金中的初生硅，将有效增加该合金的强韧性，对扩大过共晶铝硅合金的应用领域具有重要价值。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述及现有技术中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明的目的在于提供一种利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法。
7.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：包括，
8.将卤盐净化剂在坩埚中熔化，加入过共晶铝硅合金，充分摇晃使合金熔化；待过共晶铝硅合金完全熔化后，添加镧合金，将混合熔体充分摇晃熔化后保温；
9.保温结束后，将合金液浇注在室温金属型中成型。
10.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述卤盐净化剂成分配比为42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6，使用量将过共晶铝硅合金固体料完全浸没。
11.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述坩埚为850℃高纯氧化镁坩埚。
12.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述过共晶铝硅合金，为硅含量在al-24si的过共晶铝硅合金。
13.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述镧合金为al-10la中间合金。
14.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述镧合金，每添加50g过共晶铝硅合金，需添加过共晶铝硅合金质量分数1wt.％～5wt.％的镧合金。
15.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述保温，保温条件为在850℃下保温30分钟
16.作为本发明所述利用熔体净化和微量镧合金化制备近伪共晶铝硅合金的制备方法所得到的产品近伪共晶铝硅合金的一种优选方案，其中：所述产品近伪共晶铝硅合金中的初生铝相不到1.9％，合金组织由细小的共晶组织组成，无富镧相。
17.本发明的有益效果：
18.本发明采用熔体净化和添加微量合金元素镧对al-24si过共晶铝硅合金熔体进行协同处理，通过净化处理消除熔体中的氧化夹杂和其他杂质元素，使合金熔体处于深过冷状态，在凝固时可以同时大量形核，而微量镧元素可为硅相提供额外的形核质点，并吸附在硅相凹角处抑制硅相生长，消除合金中的初生硅，最终获得近伪共晶凝固组织。与传统的细化过共晶铝硅合金中硅相的方法不同，本发明是一种获得近伪共晶凝固组织的新型工艺方法，对扩大过共晶铝硅合金的应用领域具有重要价值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
20.图1为对比例1中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
21.图2为对比例2中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
22.图3为对比例3中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
23.图4为对比例4中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
24.图5为对比例5中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
25.图6为实施例1中al-22si合金试样横截面处的显微组织照片；
26.图7为实施例2中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
27.图8为实施例3中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
28.图9为实施例4中al-24si合金试样横截面处的显微组织照片；
29.图10为实施例5中al-26si合金试样横截面处的显微组织照片。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
33.对比例1：
34.al-24si过共晶铝硅合金在850℃熔炼保温30分钟后，浇注在室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
35.将al-24si原料于850℃在石墨坩埚中熔炼，熔化后加入六氯乙烷进行氧化除杂，除杂后于850℃继续保温30分钟；
36.保温结束，将al-24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为的室温金属型中；
37.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图1所示。由图1可见，合金组织中存在粗大的初生硅，初生硅颗粒数量较多，此外还存在大量的细小的初生铝相。
38.对比例2：
39.al-24si过共晶铝硅合金加入1wt.％al-10la在850℃熔炼保温30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
40.在850℃石墨坩埚中熔炼al-24si合金；
41.待al-24si合金完全熔化后加入1wt.％al-10la进行微合金化处理，在850℃熔炼并保温30分钟；
42.将镧元素化的al-24si过共晶铝硅合金浇注到内腔尺寸为的室温金属型中；
43.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图2所示。由图2可见，合金组织中存在粗大的初生硅，与对比例1相比初生硅颗粒数量有所减少，但其尺寸反而增加。此外，组织中的初生铝相面积分数减少，但其尺寸增加。
44.对比例3
45.al-24si过共晶铝硅合金加入3wt.％al-10la在850℃熔炼保温30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
46.在850℃石墨坩埚中熔炼al-24si合金；
47.待al-24si合金完全熔化后加入3wt.％al-10la进行微合金化处理，在850℃熔炼
并保温30分钟；
48.将镧元素化的al-24si过共晶铝硅合金浇注到内腔尺寸为的室温金属型中；
49.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图3所示。由图3可见，合金组织中存在粗大的初生硅，与对比例2相比初生硅颗粒尺寸有一定的减少，组织中的初生铝相面积分数和尺寸有所减少；与对比例4相比，没有富镧相的出现，组织性能更好。
50.对比例4
51.al-24si过共晶铝硅合金加入5wt.％al-10la在850℃熔炼保温30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
52.在850℃石墨坩埚中熔炼al-24si合金；
53.待al-24si合金完全熔化后加入5wt.％al-10la进行微合金化处理，在850℃熔炼并保温30分钟；
54.将镧元素化的al-24si过共晶铝硅合金浇注到内腔尺寸为的室温金属型中；
55.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图4所示。由图4可见，合金组织中存在粗大的初生硅，与对比例3相比初生硅颗粒尺寸出现一定的粗化现象，组织中出现黑色条片状富镧相。
56.对比例5
57.al-24si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化30分钟，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
58.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
59.将al-24si合金完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼并保温30分钟；
60.保温结束，将熔体净化的al-24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为在室温金属型中；
61.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图5所示。由图5可见，合金组织中局部存在粗大的初生硅，并产生明显聚集。此外，组织中的初生铝相基本消失，基体为伪共晶组织。
62.实施例1：
63.al-22si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化和微量镧合金化处理30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
64.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
65.将al-22si合金投入坩埚内，使其完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼；
66.待al-22si合金完全熔化后加入3wt.％al-10la，使其与合金熔体充分混合，在850℃熔炼并保温30min；
67.保温结束，将熔体净化和微量镧元素合金化的al-22si过共晶铝硅合金熔体浇注
到内腔尺寸为在室温金属型中；
68.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图6所示。由图6可见，合金组织中仅存在枝晶状的铝相，未发现初生硅相。
69.实施例2：
70.al-24si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化和微量镧合金化处理30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
71.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
72.将al-24si合金投入坩埚内，使其完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼；
73.待al-24si合金完全熔化后加入1wt.％al-10la，使其与合金熔体充分混合，在850℃熔炼并保温30min；
74.保温结束，将熔体净化和微量镧元素合金化的al-24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为在室温金属型中；
75.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图7所示。由图7可见，有极少量初生硅的存在，与实施例3相比，合金组织中仅存在极少的初生硅，初生硅周围伴随有铝相，基体得到伪共晶组织。
76.实施例3：
77.al-24si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化和微量镧合金化处理30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
78.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
79.将al-24si合金投入坩埚内，使其完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼；
80.待al-24si合金完全熔化后加入3wt.％al-10la，使其与合金熔体充分混合，在850℃熔炼并保温30min；
81.保温结束，将熔体净化和微量镧元素合金化的al-24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为在室温金属型中；
82.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图8所示。由图8可见，未发现初生硅相，与实施例1相比，合金组织中仅存在少量细小的铝相，其占比不到1.9％，基体为伪共晶组织，合金整体组织为近伪共晶组织。
83.在传统铸造工艺下，液态铝合金容易氧化影响组织形貌，通过熔体净化，可以使合金熔体处于深过冷状态下，即获得大的过冷度，抑制硅相形核；添加一定量的微量合金元素镧时，可以细化共晶硅相，降低初生硅相与铝相的占比；实验表明，在硅含量较低时，初生铝相细化不够完全，硅含量较高时，初生硅得不到完全细化；通过微量合金元素镧和熔体净化的协同作用，可以在al-24si合金中完全抑制初生硅的形成，得到全部近伪共晶组织，在熔体深过冷条件下，微量合金元素镧通过富集在铝相和初生硅相边缘，形成成分过冷，抑制其生长；硅相的生长一般遵循孪晶凹角机制和界面台阶机制，添加微量合金元素镧后，在界面台阶处诱发更多孪晶产生，且毒化孪晶凹角机制，选择性地吸附在孪晶凹角处，消除硅相在孪晶凹角处的生长优势，对硅相的生长造成阻碍，进一步细化组织形貌，提升合金性能。
84.实施例4：
85.al-24si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化和微量镧合金化处理30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
86.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
87.将al-24si合金投入坩埚内，使其完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼；
88.待al-24si合金完全熔化后加入5wt.％al-10la，使其与合金熔体充分混合，在850℃熔炼并保温30min；
89.保温结束，将熔体净化和微量镧元素合金化的al-24si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为在室温金属型中；
90.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图9所示。由图9可见，有初生铝相的存在，与实施例3相比，合金组织中存在周围伴随有铝相的初生硅，基体得到伪共晶组织。
91.实施例5：
92.al-26si过共晶铝硅合金经850℃熔体净化和微量镧合金化处理30分钟后，浇注到室温金属铸型中，具体操作步骤如下：
93.将净化剂(42.5％nacl+42.5％kcl+15％na3alf6)在850℃高纯氧化镁坩埚中熔化，并使净化剂均匀涂敷在坩埚璧上；
94.将al-26si合金投入坩埚内，使其完全浸没在净化剂中在850℃进行熔炼；
95.待al-26si合金完全熔化后加入3wt.％al-10la，使其与合金熔体充分混合，在850℃熔炼并保温30min；
96.保温结束，将熔体净化和微量镧元素合金化的al-26si过共晶铝硅合金熔体浇注到内腔尺寸为在室温金属型中；
97.在距离试样底部10mm处截取金相样品，使用金相显微镜进行观察合金显微组织，其金相组织照片如图10所示。由图10可见，组织中存在少量细小铝相，基体为伪共晶组织，与实施例3相比，硅含量增加，合金组织中局部出现粗大的初生硅，并产生明显聚集。
98.如上述图例可知，添加al-10la中间合金可以细化共晶组织，消除初生硅，特别是对于al-24si合金来说，添加3wt.％的al-10sr中间合金的效果更好，可以得到几乎完全的伪共晶组织，极少量初生铝相的比例不到1.9％。但当中间合金添加量增加到5wt.％时，会重新出现初生铝相，效果反而降低。
99.本发明采用熔体净化和添加微量合金元素镧对al-24si过共晶铝硅合金熔体进行协同处理，通过净化处理消除熔体中的氧化夹杂和其他杂质元素，使合金熔体处于深过冷状态，在凝固时可以同时大量形核，而微量镧元素可为硅相提供额外的形核质点，并吸附在硅相凹角处抑制硅相生长，消除合金中的初生硅，最终获得近伪共晶凝固组织。与传统的细化过共晶铝硅合金中硅相的方法不同，本发明是一种获得近伪共晶凝固组织的新型工艺方法，对扩大过共晶铝硅合金的应用领域具有重要价值。
100.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。