專利名稱：球形硅相鋁硅合金及其工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球形硅相鋁硅合金及其工藝方法，屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域， 特別是鋁硅合金鑄造。
背景技術(shù)：
鋁硅系鑄造合金具有密度小、比強度高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨耐蝕及高溫性能優(yōu)良 等特點，同時有良好的鑄造性能，廣泛用于汽車、機械等行業(yè)中，是發(fā)動機及壓縮機活塞、汽 缸體、斜盤等零部件的理想材料。隨著硅含量的升高，高溫強度等性能更加優(yōu)異，鋁硅合金 已成為制造行業(yè)中最受重視的結(jié)構(gòu)材料之一。但是，由于鋁硅合金在鑄造過程中的冷速受到限制，微觀組織主要由初生相α -Al 和共晶組織(α-Al+Si)或初晶硅和共晶組織構(gòu)成。其中硅對合金一系列性能有顯著影 響，而合金中的硅相一般成粗大的板片狀(初晶硅)或針狀(共晶硅)。因此，國內(nèi)外對改 變硅的形貌以改善合金的微觀組織形態(tài)進行了各種各樣的細化或球化的方法研究?；瘜W 變質(zhì)劑處理雖然能改變鋁硅合金中的硅相形貌，但很難使其球形化，硅相尺寸也較大，很難 小于ΙΟμπι。半固態(tài)技術(shù)、噴射沉積、固液混合鑄造技術(shù)等是目前很有應(yīng)用價值的主要方 法。固液混合鑄造技術(shù)結(jié)合了半固態(tài)鑄造和噴射沉積特點，是在過熱的鋁硅合金熔體中加 入同成分或近成分的鋁硅合金粉末，經(jīng)電磁強力攪拌或其他機械攪拌后使熔體與粉末混合 均勻，并實現(xiàn)快速凝固，硅相的平均粒徑可控制在5 μ m以下(陳振華，嚴紅革，康智濤等， CN1262334A,2000年8月9日)。但是由于加入是同成分或近成分的合金粉末，熔點較低， 易熔解，并且需要復(fù)雜的電磁或機械攪拌系統(tǒng)進行強力攪拌才能解決分布均勻化等問題， 控制難度及成本仍然較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種球形硅相鋁硅合金及其工藝方法，即首先熔制含Si 量為4%左右的鋁硅合金熔體，并可添加Cu、Mg、Mn等強化元素對鋁基體進行強化。在可控 溫度的懸浮澆口杯中通過氬氣或其他惰性氣體向熔體中植入硅顆粒，再澆注到具有負壓的 金屬型模具中，凝固后獲得球形硅相鋁硅合金鑄件或鑄錠，球形硅相均勻分布在鋁基體中， 其大小和數(shù)量隨植入的硅顆粒粒度和數(shù)量而變化，尺寸在2-10 μ m之間。合金具有高強度、 高韌性。工藝簡單，易于控制，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明的技術(shù)方案是球形硅相鋁硅合金及其工藝方法，合金中的Si含量為 ll-30wt %，硅成細小球形硅相均勻分布于鋁基體中，球形硅相尺寸在2-10 μ m之間，并可 添加Cu、Mg、Mn等強化元素對鋁基體進行強化。通過以下工藝方法來實現(xiàn)。(1)首先熔制含Si量為4襯％左右的鋁硅合金熔體，并可添加對鋁基體進行強化 的Cu、Mg、Mn等強化元素。(2)將其澆注于可控溫度的定量懸浮澆口杯中，熔體溫度控制在液相線以上 100-150°C。再用純凈氬氣或其他惰性氣體植入潔凈硅顆粒，氬氣或其他惰性氣體的壓力為10-20MPa，硅顆粒的植入量為7-26wt%，粒度為2-10 μ m。植入前在300-400°C和真空度不低于4. OX 10_3Pa的條件下進行潔凈處理。(3)硅植入后繼續(xù)通入氬氣攪拌熔體10-30秒，立即將熔體從懸浮澆口杯底 部的澆注口澆注于具有負壓的金屬型中獲得鑄件或鑄錠，負壓金屬型的負壓力不低于 8. 5 X IO-2Pa0本發(fā)明的優(yōu)點是(1)本發(fā)明的球形硅相鋁硅合金有很好的綜合力學性能。球形硅相鋁硅合金組 織由鋁基體和均勻分布的細小球形硅相組成，合金中的球形硅相是通過植入預(yù)制的硅顆粒 形成，并且硅顆粒在合金熔體中，尖角的熔解而鈍化進一步促進了球形硅相的形成，控制結(jié) 晶凝固過程而得到2-10 μ m的球形硅相，其大小和數(shù)量可隨植入的硅顆粒粒度和數(shù)量而變 化，使合金在具有高強度的同時，又具有高韌性。(2)工藝簡單，易于控制。采用氬氣植入硅顆粒，硅顆粒被植入的同時，氬氣還可對 熔體起到精煉、攪拌和保護作用，混合均勻。預(yù)制的硅顆粒的粒度和植入量容易控制，植入 熔體后獲得相應(yīng)尺寸的球形硅相，從而易于控制合金中球形硅相的大小和數(shù)量。(3)對合金無污染，節(jié)能節(jié)材。本發(fā)明在合金熔煉和硅顆粒植入過程中不采用機械 或電磁攪拌，無復(fù)雜的機械或電磁攪拌系統(tǒng)，也不需要添加各種變質(zhì)劑。


圖1是球形硅相鋁硅合金的鑄態(tài)組織(200X)?；瘜W成分為(wt % ) =Sill. 6，加 入對合金鋁基體的強化元素Cu 1.61，Mg 0. 52, Mn 0.83。合金鑄態(tài)組織致密，球形硅相均 勻分布于合金基體中，尺寸約為5-8 μ m。植入的顆粒硅粒度范圍為5-10 μ m，植入量約為合 金熔體量的8%。圖2是球形硅相鋁硅合金的鑄態(tài)組織(200X)?；瘜W成分為) =Si 26. 3，未 加入對合金鋁基體的強化元素Cu、Mg、Mn等。合金鑄態(tài)組織與圖1相似，硅相的數(shù)量比圖1 中的多，仍均勻分布于合金基體中，尺寸在5 μ m以下。植入的硅顆粒硅粒度范圍為2-5 μ m, 植入量約為合金熔體量的24%。
具體實施例方式下面通過具體實施例子進一步闡述本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步。但本發(fā)明 并非盡限于此實施案例。實施例1 制備含硅量為12wt%的球形硅相鋁硅合金首先熔制含Si量為4襯％左右的鋁硅合金熔體，并添加對鋁基體進行強化的Cu 1.61，Mg 0. 52, Mn 0. 83強化元素。將其澆注于可控溫度的定量懸浮澆口杯中，熔體溫度 控制在液相線以上100-150°C。再用純凈氬氣植入潔凈硅顆粒，氬氣的壓力為lOMPa，硅顆 粒的植入量約為合金熔體量的8wt%，粒度范圍為5-10 μ m，植入前在300-400°C和真空度 不低于4. OX 10_3Pa的條件下進行潔凈處理。硅植入后繼續(xù)通入氬氣攪拌熔體10-30秒， 立即將熔體從懸浮澆口杯底部的澆注口澆注于具有負壓的金屬型中獲得鑄件或鑄錠，負壓 金屬型的負壓力為7.4X10_2Pa。所得球形相鋁硅合金鑄件或鑄錠的化學成分為(wt%) Sill. 6, Cu 1. 61, Mg 0. 52，Mn 0.83。
拉伸實驗在SHT4305萬能試驗機上進行，合金T6處理后抗拉強度σ b = 377MPa, 延伸率δ = 4.3%，遠高于普通鑄造法得到的相當牌號ZL108合金(ob = 261MPa，延伸率 δ =0.4%，Τ6處理)的力學性能，有高的強韌性能。金相分析，合金組織致密，球形硅相 均勻分布于合金基體中，尺寸約為5-8 μ m。實施例2 制備含硅量為27wt%的高硅球形硅相鋁硅合金首先熔制含Si量為4wt%左右的鋁硅合金熔體，將其澆注于可控溫度的定量懸浮澆口杯中，熔體溫度控制在液相線以上100-150°C。再用純凈氬氣植入潔凈硅顆粒，氬氣壓 力為lOMPa，硅顆粒的植入量約為合金熔體量的24wt%，植入的顆粒硅粒度范圍為2_5 μ m， 植入前在300-400°C和真空度不低于4. OX 10_3Pa的條件下進行潔凈處理。硅植入后繼續(xù) 通入氬氣攪拌熔體10-30秒，立即將熔體從懸浮澆口杯底部的澆注口澆注于具有負壓的金 屬型中獲得鑄件或鑄錠，負壓金屬型的負壓力不低于7. 4X 10_2Pa。拉伸實驗在SHT4305萬能試驗機上進行，合金抗拉強度σ b = 184MPa,延伸率δ =6.6%，遠高于普通鑄造法得到的含硅量為27%的鋁硅合金(Ob = 38MPa，延伸率δ = 0%)的力學性能，有高的強韌性能。金相分析，合金組織致密，球形硅相均勻分布于合金基 體中，尺寸約為2-4 μ m。
權(quán)利要求
球形硅相鋁硅合金及其工藝方法，其特征在于球形硅相鋁硅合金中的Si含量為11-30wt％，硅成細小球形硅相分布于鋁基體中，并可添加Cu、Mg、Mn等強化元素對鋁基體進行強化。
2.按照權(quán)利要求1所述的球形硅相鋁硅合金的工藝方法，其特征在于首先熔制含Si 量為4 %左右的鋁硅合金熔體，將其澆注于可控溫度的定量懸浮澆口杯中，熔體溫度控制在 液相線以上100-15(TC。再用純凈氬氣或其他惰性氣體植入潔凈硅顆粒，硅植入后繼續(xù)通入 氬氣攪拌熔體10-30秒，最后將熔體從懸浮澆口杯底部的澆注口澆注于具有負壓的金屬型 中獲得鑄件或鑄錠。
3.按照權(quán)利要求2所述的球形硅相鋁硅合金的工藝方法，其特征在于先熔制的含Si 量為4%左右的鋁硅合金熔體中，可同時添加Cu、Mg、Mn等強化元素對鋁基體進行強化。
4.按照權(quán)利要求2所述的球形硅相鋁硅合金的工藝方法，其特征在于硅顆粒的植入 量為7-26wt%，粒度為2-10 μ m，植入前在300-400°C和真空度不低于4. OXKT3Pa的條件 下進行潔凈處理。
5.按照權(quán)利要求2所述的球形硅相鋁硅合金的工藝方法，其特征在于所述的氬氣或 其他惰性氣體的壓力為10-20MPa，純度不低于99. 9%。
6.按照權(quán)利要求2所述的球形硅相鋁硅合金的工藝方法，其特征在于所述的負壓金屬 型中的負壓力不低于8. 5X10_2Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種球形硅相鋁硅合金及其工藝方法，其特征在于(1)合金中的Si含量為11-30wt％，硅成球形硅相分布于鋁基體中，并可添加Cu、Mg、Mn等元素對鋁基體進行強化。(2)合金工藝特征在于先熔制含Si量為4wt％左右的鋁硅合金熔體，將其澆注于可控溫度的定量懸浮澆口杯中，再用純凈氬氣或其他惰性氣體植入2-10μm潔凈硅顆粒，硅植入后繼續(xù)通入氬氣攪拌熔體10-30秒，立即將熔體從懸浮澆口杯底部的澆注口澆注于具有負壓的金屬型中獲得鑄件或鑄錠。本發(fā)明的鋁硅合金中的硅為細小的球形相，硅相的大小、形貌、數(shù)量易于控制，大幅度提高合金的強度和塑性，工藝簡單，成本低。
文檔編號C22C21/02GK101805860SQ201010154138
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者蔡擎, 顧琳, 魏曉偉, 魏稔峻 申請人:西華大學