专利名称：一种具有粒状硅相的铝硅合金系列及其工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种具有粒状硅相的铝硅合金系列及其工艺方法。更确切地说是在电解铝硅合金中(通常硅含量＜12％)加入或不加入铝硅中间合金构成不同硅量的铝硅合金，再添加少量锶或稀土或钠盐等变质剂或不进行变质处理，即可获得完全由变质或欠变质共晶体组成的铝硅合金。再经过固溶处理这些硅相转化为粒状硅相。
背景技术：
铝硅合金是一种轻质金属材料，具有高的比强度和耐磨性能。随着硅量增加合金耐磨性能进一步得到提高，但粗大、有棱角的初生硅随之析出，恶化了合金机械性能和加工性能。细化或者团、球化初生硅相或者抑止它的析出使之具有共晶组织，皆可以大幅度改善合金韧性、强度和加工性能。
通常在共晶或过共晶铝硅合金中加入磷基硅相细化剂可以有效地细化硅相，却不能改变它们原有形态，即初生硅呈多角状，共晶硅仍呈针、片状，影响到合金性能的改善。加入含磷、钛、硼、稀土等的硅相球化剂的合金经过T6热处理后，共晶硅和初生硅得到团、球化，从而大大提高了过共晶合金的机械性能和加工性能(Hsien-Yang Yeh，Ru-Yao Wang et al USP6,261,391 B1 Jul.17，2001)不过，这种工艺在进行T6热处理过程中团、球状初生硅相尺寸很难小于15-20μm，有时团、球状初生硅聚集成串，尺寸较大，影响合金性能。在过共晶铝硅合金中(Si＜15％)加入过量Na或Sr(0.1-0.4％)和Ti、Cr、Mo、Ta、Tl、V等元素，能形成金属间化合物，可以充当初生硅的外来晶核，促进初生硅细化，并使共晶硅变质或者抑止初生硅的析出，获得完全的共晶组织。但由于Na或Sr加入量过高容易引起缩松，难以获得致密铸件(Rogers K et a1 USP5,484,492 Jan.16，1996)。八十年代以后出现的高温过热处理工艺可以大大改善合金性能。其工艺特征是先将合金过热到1100-1200℃。此时各种杂质及硅质点皆溶解在铝液中形成均质铝硅熔体。再加入超细TiN或A1N形成大量外来晶核使初生硅和共晶硅得到充分细化，从而大大提高合金使用性能(Shepelov.L et al USP6,132,532 0ct.17 2000)。近年来又出现过热-快冷工艺(或称之为热速处理)。例如，将Al-18％Si过共晶合金加热至950℃，然后与另一组加热至750℃的同样合金熔体混合，再浇注，可以将初生硅细化至20μm以下(坚增运杨根仓周尧和中国有色金属学报1995(4)133-135)。然而，这些高温过热处理给生产带来许多工艺上的困难，难以推广应用。电解铝硅合金在生产过程中承受920-950℃高温和电流处理，凝固时也可以取得高温处理的效果，即出现较大的过冷度以及细小变质共晶硅和较多的枝晶状初生铝相(Ru-Yao Wang Wei-Hua Lu L HoganMaterials Science and EngineeringA348(2003)289-298)。此时电解铝硅合金共晶点硅相成分移至16％左右。于是，可以推想含硅16％以下的电解过共晶合金将具有共晶组织，并且应处于变质状态。而含硅18％以下的合金只出现少量小尺寸初生硅相。这种显微组织热力学上不稳定，加热时转变成稳定组织，获得均匀分布在铝基体上的颗粒状硅相。
发明内容
基于上述认识，本发明的目的在于提供一种具有粒状硅相的铝硅合金系列及其工艺方法为生产轻质铝硅合金耐磨材料的汽车、航空零件提供一条简易、廉价的新途径。
本发明的目的通过以下方式实现所述铝硅合金系列含Si 12.0-17.0％(重量，下同)、Cu 0.5-5.5％、Mg0.2-1.5％、Ni 0.5-3.0％、Mn 0.1-0.9％、Zn＜1.0％、Fe＜1.3％，Ti 0.02-0.30％，余量为Al。
本发明所述铝硅合金工艺方法使用的炉料包括电解铝硅合金(通常Si量在6.0-12.0％范围)、铝硅中间合金以及其它Al-X中间合金(X指所述合金其它元素)。用电阻炉或其它熔化炉如反射炉进行熔化。升温到液相线以上150℃，去气精炼，然后加入锶或稀土变质剂或同时加入两种变质剤或钠盐或不进行变质处理。搅拌均匀，再静置15分钟即可浇注。合金铸态组织中不出现初生硅，而由变质或欠变质共晶体和枝晶状初生铝组成。浇注时间超过1.5小时出现轻微变质衰退。重熔后出现变质衰退，但仍保留共晶组织。
本发明所述的锶或稀土分别使用Al-10％Sr或Al-10％RE(RE为稀土元素)中间合金或钠盐，加入量皆在0.01-0.10wt％范围内。两者联合加入量也在0.01-0.10wt％范围。使用钠盐或稀土变质的效果不如锶。
本发明所述铝硅合金用氮气或六氯乙烷去气精炼。
本发明所述铝硅合金经过固溶处理后，变质或欠变质硅相转变为粒状硅相，均匀分布在铝基体上。
本发明的优点是(1)本发明所述铝硅合金具有粒状硅相是指在电解铝硅合金中加入铝硅中间合金，调整为共晶或过共晶铝硅合金前提下，加入少量锶或稀土或钠盐变质剤或不进行变质处理，再利用电解铝硅合金固有的自变质性能便可抑止初生硅的析出，而形成变质或欠变质铝硅共晶组织。再经过固溶处理，便可获得颗粒状硅相，均匀分布在铝基体上。
(2)本发明选用电解铝硅合金，避免了高温过热所带来的工艺上的困难，却具有高温过热处理所产生的共晶组织变质的效果。
(3)本发明利用这种显微组织热力学上不稳定的特性，通过在480-510℃范围内加热使之分解，获得粒状硅相，均匀分布在铝基体上，并且不出现硅粒聚集成串的现象。
(4)本发明所加的锶或稀土的数量皆远低于文献报道(Rogers K et alUSP5,484,492 Jan.16，1996)的必需值。这就避免了缩松的产生，保证获得致密的铸件。合金的硅相呈颗粒状，大部分尺寸在5μm左右。
(5)本发明属于铝合金原位复合材料，适用于生产要求重量轻、耐磨性高的零、部件。
图1电解铝硅合金锭铸态组织(100X)。化学成份为Si 12.12％、Cu 0.88％、Mg 0.91％、Mn 0.01％、Ni 0.81％、Fe 0.25％、Ti 0.09％、Sr＜0.0006％。共晶硅呈变质纤维状，粗大枝晶状初生铝均匀分布。共晶体晶界上出现少量片状硅相和小块状初生铝相。
图2电解共晶铝硅合金热处理态组织(SEM照片)。化学成份同图1。共晶硅呈颗粒状，大多数尺寸小于5μm。最大尺寸不超过10μm。未发现初生硅相。说明电解铝硅合金硅相的球化特性在500℃时即表现出来。
图3图1共晶铝硅合金重熔3次的热处理态组织(100X)。树枝状初生铝均匀分布。共晶硅仍呈颗粒状，分布在初生铝枝晶间，少许長大，大多数尺寸在10μm左右。
图4过共晶铝硅合金热处理态组织(100X)。化学成份为Si 13.7％、Cu 0.98％、Mg 0.55％、Mn 0.49％、Ni 0.30％、Fe 0.26％、Ti 0.08％、Sr＜0.0006％。固溶处理温度495-505℃。硅相呈粒状，均匀分布在铝基体上，大多数尺寸小于5μm。共晶体周边分布一些尺寸较大的硅相。
图5过共晶铝硅合金铸态组织(100X)。化学成份为Si 15.7％Cu 1.00％、Mg 0.55％、Mn 0.50％、Ni 0.28％、Fe 0.33％、Ti 0.09％、Sr 0.0051％。合金浇注前，加入Al-10％Sr中间合金进行变质处理。显微金相组织由呈菊花状铝硅共晶体及初生铝相组成。共晶硅相呈变质态，异常细小。共晶体周边初生铝基体上出现少量短片状硅相。说明锶起了变质作用，抑止初生硅的析出。
图6 图5过共晶铝硅合金热处理态金相组织。固溶处理温度为495-505℃。硅相呈颗粒状，尺寸非常细小，大部分小于5μm。共晶体周边出现一些片状硅相。
图7过共晶铝硅合金热处理态金相组织(100X)。化学成份为Si 14.2％、Cu 1.05％、Mg 0.50％、Mn 0.36％、Ni 0.28％、Fe 0.30％、Ti 0.08％。合金浇注前，加入Al-10％RE中间合金进行变质处理。共晶硅相呈欠变质状态。枝晶状初生铝相数量较多，分布均匀。出现少量小尺寸初生硅。经固溶处理后(加热温度为495-505℃)，共晶硅相少量断开，转变成粒状，大部分形态未发生变化。说明稀土合金变质作用比锶弱得多，500℃下硅相难以球化。
具体实施例方式
下面通过具体实施例子进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1
电解共晶铝硅合金锭化学成份为Si 12.12％、Cu 0.88％、Mg 0.91％、Mn 0.01％、Ni 0.81％、Fe 0.25％、Ti 0.09％、Sr＜0.0006％。用电阻炉熔化。升温至720℃，用氮气去气。不加入任何变质剂。。保温15分钟后，浇入预热至300℃的金属型。试样尺寸为45×50×120mm。合金铸态金相组织中，不出现初生硅相，铝硅共晶体和数量较多的枝晶状初生铝相为主要组成。硅相呈变质态，异常细小并扭曲(见图1)。经500℃固溶处理6小时后，硅相转变成颗粒状，均匀分布在铝基体上，大多数尺寸小于5μm。(见图2)。
实施例2电解共晶铝硅合金锭。化学成份及熔化工艺同例1。重熔3次。经500℃固溶处理6小时后，硅相转变成颗粒状，均匀分布在铝基体上，尺寸略有增大，多数仍小于10μm(见图3)。说明电解铝硅合金硅相的球化性质随着重熔次数增加而逐渐减弱。
实施例3过共晶铝硅合金化学成份Si 13.7％、Cu 0.98％、Mg 0.55％、Mn 0.49％、Ni 0.30％、Fe 0.26％、Ti 0.08％、Sr＜0.0006％。炉料组成包括电解铝硅合金(见图1说明)、Al-25％Si中间合金。用电阻炉熔化。升温至720℃，用氮气去气。不加入任何变质剂。保温15分钟后，浇入预热至300℃的金属型。试样尺寸为45×50×120mm。合金铸态金相组织中，不出现初生硅相，铝硅共晶体和数量较多的枝晶状初生铝相为主要组成。硅相呈变质态，异常细小并扭曲。经500℃固溶处理6小时后，硅相转变成颗粒状，均匀分布在铝基体上，大多数尺寸小于5μm。共晶体周边分布一些尺寸较大的硅相(见图4)。说明电解铝硅合金添加少量铝硅中间合金，即便不进行变质处理，也可保持硅相球化的特性。
实施例4过共晶铝硅合金化学成份为Si 15、7％、Cu 1.00％、Mg 0.55％、Mn 0.50％、Fe 0.33％、Ni 0.28％、Ti 0.09％、Sr 0.0051％。炉料组成及熔化工艺同例3。去气后加入Al-10％Sr中间合金(0.1％)进行变质处理。搅拌均匀，再静置15分钟后浇注。试样同例1。合金铸态金相组织基本上由铝硅共晶体组成，每个共晶体为铝相所包围。共晶体中心的硅相得到充分变质，十分细小，但晶界上的硅相呈短棒状以辐射的方式分布在铝基体上(见图5)。铝相数量比未经锶变质处理的合金(例3)大为增加。说明合金含硅量接近非平衡共晶成份16％时必须进行变质，否则，硅相变质不充分。经500℃固溶处理6小时后，硅相转变成颗粒状，均匀分布在铝基体上，大多数尺寸小于5μm。共晶体周边分布一些尺寸较大的硅相(见图6)。说明由电解铝硅合金组成的过共晶铝硅合金，经变质处理后仍可保持硅相的球化特性。此外，本实施例有轻微硅漂浮现象。
实施例5过共晶铝硅合金化学成份、炉料组成及熔化工艺同例3。去气后加入0.1％的Al-10％RE中间合金进行变质处理。搅拌均匀，再静置15分钟后浇注。试样同例1。经固溶处理6小时后(加热温度为495-505℃)，共晶硅相少量断开，转变成粒状。大部分形态未发生变化(见图7)。说明稀土合金变质作用比锶弱得多，500℃下硅相难以球化。
权利要求
1.一种具有粒状硅相的铝硅合金，其特征在于(1)化学成份为(wt％)Si 11.5-17.0、Cu 0.5-5.0、Mg 0.2-1.5、Ni 0.5-3.0、Mn 0.1-0.9、Zn＜1.0、Fe＜1.3、Ti 0.02-0.30，余量为Al；(2)铸态金相组织由变质或欠变质铝硅共晶体和枝晶状初生铝组成；(3)热处理后金相组织由铝基体及均匀分布的粒状硅相组成。
2.按权利要求1所述的具有粒状硅相的铝硅合金的工艺方法，包括配料、熔化、浇注、热处理工艺，其特征在于可以采用下面二种方法中的任意一种来制备(1)(a)所用炉料包括电解铝硅合金、铝硅中间合金、回炉料和其它常用铝基合金等。合金化学成份为(wt％)Si 11.0-17.0，Cu 0.5-5.0，Mg 0.2-1.5，Ni 0.5-3.0，Mn 0.1-0.9，Zn＜1.0，Fe＜1.3，Ti 0.02-0.30，余量为Al，(b)用电炉或反射炉熔化炉料。炉料温度升至合金液相线以上150℃，去气精炼。(c)熔体用锶或稀土合金，或同时加入锶和稀土合金，或加入钠盐进行变质处理，加入量为0.01-0.10wt％，搅拌均匀，静置15分钟后浇注，(d)然后进行热处理，固溶处理温度为480-520℃，加热6-8小时。合金出现粒状硅相且均匀分布在铝基体中；(2)(a)所用炉料包括电解铝硅合金、铝硅中间合金、回炉料和其它常用铝基合金等。合金化学成份为(wt％)Si 11.0-17.0，Cu 0.5-5.0，Mg 0.2-1.5，Ni 0.5-3.0，Mn 0.1-0.9，Zn＜1.0，Fe＜1.3，Ti 0.02-0.30，余量为Al，(b)用电炉或反射炉熔化炉料，炉料温度升至合金液相线以上150℃，去气精炼，(c)然后进行热处理，固溶处理温度为480-520℃，加热6-8小时，合金出现粒状硅相且均匀分布在铝基体中。
3.按权利要求2所述的具有粒状硅相的铝硅合金的工艺方法，其特征在于所述锶和稀土以中间合金形式加入，钠以钠盐形式加入。
4.按权利要求3所述的具有粒状硅相的铝硅合金的工艺方法，其特征在于所述锶和稀土的中间合金为Al-10％Sr或Al-10％RE，RE为稀土元素。
5.按权利要求2所述的具有粒状硅相的铝硅合金的工艺方法，其特征在于所述的去气精炼采用氮气或六氯乙烷。
6.按权利要求2所述的具有粒状硅相的铝硅合金系的工艺方法，其特征在于在130-250℃进行4-6小时效处理。
全文摘要
本发明涉及一种具有粒状硅相的铝硅合金系列及其工艺方法，其特征在于(1)化学成份为(wt％)Si 11.5－17.0、Cu 0.5－5.0、Mg 0.2－1.5、Ni 0.5－3.0、Mn 0.1－0.9、Zn＜1.0、Fe＜1.3、Ti 0.02－0.30，余量为Al。(2)铸态金相组织由变质或欠变质铝硅共晶体和枝晶状初生铝组成。(3)热处理后金相组织由铝基体及均匀分布的粒状硅相组成。工艺特征在于先将电解铝硅合金和铝硅中间合金熔化，升温至液相线以上150℃，去气精炼。加入或不加入Al－Sr中间合金或Al－RE中间合金或钠盐，搅拌均匀，静止15分钟，浇注铸件。本发明所加入的变质剂数量为0.01－0.10wt％，远低于文献报道的0.1－0.4wt％值，从而避免了缩松的产生，保证获得致密铸件。本发明适用于要求耐磨性能高的轻质铝硅合金铸件。
文档编号C22C21/02GK1546708SQ200310109039
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月3日 优先权日2003年12月3日
发明者王汝燿, 鲁薇华, 王汝 申请人:东华大学