专利名称：一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及铝合金的制备技术，特别提供了一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料及其制备方法。
背景技术：
铝硅合金，尤其是Si＞12.7％重量的过共晶铝硅合金，由于其高强度、高耐磨性能、高的抗腐蚀性能和低的热膨胀系数，而在汽车工业和航天、航空工业中有广泛的应用。然而，对于过共晶合金，一般的凝固制备方法难于消除粗大的块状先析出Si颗粒和板条状共晶组织，因而造成合金强度很差，脆性极大，限制了合金的应用。人们进而寻求快速凝固的方法，但是由于快速凝固只能获得尺寸很小(＜10mm)的块体，要制备大尺寸的部件，需要进一步的工序。一个典型的例子是通过粉末冶金的方法制备，其生产成本和工艺复杂程度很高。传统上，由于硅铝合金变形能力差，而被划分在铸造铝合金之列。
在工业纯铝和变形铝合金的生产中，半连续铸造方法(Direct Chill，简称DC铸造)一直被广泛应用，虽然如何降低合金成分偏析，减小晶粒，提高表面质量一直被人们关注。但是，利用半连续铸造方法制备大尺寸不含其它调质剂(如P，Na，Sr)成份的铝硅合金却从来没有被尝试过。其原因可能来源于两个方面。其一，铝硅合金是铸造合金，传统上不作为变形铝合金使用，其二，有权威断言不可能制备尺寸大于10mm的具有精细微观结构的过共晶铝硅合金，从而使得人们没有勇气探讨并跨越其论断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸过共晶高硅铝合金的制备方法，该方法可以在不添加任何变质剂的前提下低成本地获取大尺寸并且具有优良的精细微观结构、Si颗粒弥散分布和良好性能的过共晶高硅铝合金坯料。
本发明提供了一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料，其特征在于所述合金坯料的横截面积在600～150000mm2；合金中Si的含量在13.5～30％重量；具有均匀细小的微观组织结构，Si颗粒弥散分布且平均尺寸＜5μm。
本发明所提供的大尺寸过共晶高硅铝合金坯料中，还可以含有Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Cr、Zn之一种或多种，总含量低于10％重量。
本发明特别提供了上述大尺寸过共晶高硅铝合金坯料的制备方法，其特征在于在不添加任何变质剂的条件下，采用半连续铸造方法制备锭坯，通过热处理进行Si颗粒离散化，Si颗粒尺寸可通过热处理工艺调控。
本发明大尺寸过共晶高硅铝合金坯料的制备方法中，(1)半连续铸造工艺参数为浇铸温度对应合金液相线以上100～300℃；垂直牵引速度50～200mm/min；凝固坯外围冷却水量0.5～20g/mm.s。
不添加任何变质剂。
(2)热处理工艺参数为加热速度1～10℃/min；加热温度350～550℃；保温时间20分钟～3小时。
本发明的关键在于克服了传统的技术偏见，将传统的半连续铸造方法用于大尺寸过共晶铝硅合金的制备，在不添加任何变质剂的前提下，结合后续热处理过程，获得了意想不到的技术效果，即得到了具有细小弥散硅颗粒分布的基本上消除了大尺寸初晶硅相凝固组织的过共晶铝硅合金。
图1为半连续铸造设备结构示意；图2为典型的铸造Al-15Si合金微观组织形貌；图3为实施例1半连续铸造Al-15Si合金伪共晶组织形貌；图4为实施例1半连续铸造Al-15Si合金共晶组织铝基体腐蚀掉后Si相形貌；图5为实施例1半连续铸造Al-15Si合金450℃ 0.5h保温热处理后Si颗粒形貌；图6为实施例1半连续铸造Al-15Si合金450℃ 1小时保温热处理后Si颗粒形貌；图7为实施例1半连续铸造Al-15Si合金450℃ 2小时保温热处理后Si颗粒形貌；图8为实施例1半连续铸造Al-15Si合金500℃ 0.5小时保温热处理后Si颗粒形貌；图9为实施例1半连续铸造Al-15Si合金500℃ 1小时保温热处理后Si颗粒形貌；图10为实施例1半连续铸造Al-15Si合金500℃ 2小时保温热处理后Si颗粒形貌；图11为实施例1半连续铸造Al-15Si合金550℃ 0.5小时保温热处理后Si颗粒形貌；
图12为实施例1半连续铸造Al-15Si合金550℃ 1小时保温热处理后Si颗粒形貌；图13为实施例1半连续铸造Al-15Si合金550℃ 2小时保温热处理后Si颗粒形貌；图14为实施例1半连续铸造Al-15Si合金550℃ 1小时保温热处理，铝基体腐蚀掉后Si颗粒的形貌SEM；图15为实施例2半连续铸造Al-20Si合金微观组织形貌；图16为实施例2半连续铸造Al-20Si合金500℃ 2小时保温热处理后Si颗粒的形貌。
具体实施例方式实施例1选用设备为自制设备，结构原理示于图1，图中1冷却水、2结晶器、3坯料、4热顶、5石墨环。获得的铸造坯料尺寸为直径103mm，长550mm的圆坯。
工艺参数为合金成分Si15.0％重量，Fe 0.29％z重量，Cu 0.02％重量，Al余量；浇铸温度720℃；垂直牵引速度85mm/min；凝固坯外围冷却水量10g/mm.s。
金相结果见图2、3，将铝基体腐蚀后金相结果见图4，可见Si颗粒在三维方向呈连续长大形貌。
热处理工艺参数为加热速度5℃/min；
加热温度450℃、500℃、550℃；保温时间0.5、1、2小时；金相结果见图5～13，将其中之一的铝基体腐蚀后金相结果见图14，可见Si颗粒完全弥散均匀分布。
实施例2选用设备为自制设备，结构原理示于图1。获得的铸造坯料尺寸为直径110mm，长550mm的圆坯。
工艺参数为合金成分Si 20％重量，Fe 0.39％重量，Cu 0.017％重量，Al余量；浇铸温度820℃；垂直牵引速度75mm/min；凝固坯外围冷却水量7g/mm.s。
金相结果见图15。
热处理工艺参数为加热速度5℃/min；加热温度550℃；保温时间30分钟；金相结果见图16。
实施例3选用设备为自制设备，结构原理示于图1。获得的铸造坯料尺寸为直径80mm，长5450mm的圆坯。
工艺参数为
合金成分Si 30％重量，Fe 0.23％重量，Cu 0.015％重量，Al余量；浇铸温度1000℃；垂直牵引速度120mm/min；凝固坯外围冷却水量15g/mm.s。
热处理工艺参数为加热速度5℃/min；加热温度550℃；保温时间30分钟；实施例4选用设备为自制设备，结构原理示于图1。获得的铸造坯料尺寸为直径103mm，长550mm的圆坯。
工艺参数为合金成分Si 14.02％重量，Cu 4.5％重量，Ni 1.0％重量，Mg 0.6％重量，Al余量；浇铸温度850℃；垂直牵引速度160mm/min；凝固坯外围冷却水量10g/mm.s。
实施例5选用设备为自制设备，结构原理示于图1。获得的铸造坯料尺寸为直径103mm，长550mm的圆坯。
工艺参数为合金成分Si 15％重量，Fe 2.0％重量，Ni 0，8％重量，Cu 0.4％重量，Mg 0.65％重量，Cr 0.54％重量，Al余量；浇铸温度750℃；垂直牵引速度1800mm/min；凝固坯外围冷却水量10g/mm.s。
实施例6选用设备为自制设备，结构原理示于图1。获得的铸造坯料尺寸为直径103mm，长550mm的圆坯。
工艺参数为合金成分Si 15.43％重量，Fe 0.49％重量，Cu 1.5％重量，Al余量；浇铸温度750℃；垂直牵引速度150mm/min；凝固坯外围冷却水量10g/mm.s。
权利要求
1.一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料，其特征在于所述合金坯料的横截面积在600～150000mm2；合金中Si的含量在13.5～30％重量；具有均匀细化的微观组织结构，Si颗粒弥散分布且平均尺寸＜5μm。
2.按照权利要求1所述大尺寸过共晶高硅铝合金坯料，其特征在于所述合金中含有Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Cr、Zn之一种或多种，总含量低于10％重量。
3.一种权利要求1所述大尺寸过共晶高硅铝合金坯料的制备方法，其特征在于在不不添加任何变质剂的条件下，采用半连续铸造方法制备锭坯，然后热处理进行Si颗粒离散化，Si颗粒尺寸可通过热处理工艺调控。
4.按照权利要求3所述大尺寸过共晶高硅铝合金坯料的制备方法，其特征在于(1)半连续铸造工艺参数为浇铸温度对应合金液相线以上100～300℃；垂直牵引速度100～400mm/min；凝固坯外围冷却水量0.5～20g/mm.s；(2)热处理工艺参数为加热速度1～10℃/min；加热温度350～550℃；保温时间20分钟～3小时。
全文摘要
一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料，其特征在于所述合金坯料的横截面积在600～150000mm
文档编号B22D11/16GK1789456SQ200510119550
公开日2006年6月21日 申请日期2005年11月18日 优先权日2004年11月18日
发明者于福晓, 崔建忠, 秦克, 孙振国, 王话 申请人:东北大学