一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金化方法

專利名稱：一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金化方法
技術領域：
本發明屬于金屬熔煉技術領域，特別是涉及一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金 化方法。
背景技術：
過共晶Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐熱性，而且熱裂傾向小，體積穩定性高，是制 造汽車活塞、缸體等耐磨零件的首選材料。但是在含硅較高的過共晶Al-Si合金中，往往初 生Si顆粒偏聚現象比較嚴重，造成材料性能的不均勻，嚴重影響其使用性能。 一般說來，具 有細小、分散而形狀圓鈍化初晶Si的合金有比較好的切削性能。因此，制備初生Si顆粒分 布均勻的過共晶Al-Si合金是提高其性能、擴大其應用范圍的重要措施。為了抑制過共晶Al-Si合金凝固組織中硅的宏觀偏析，人們采用了各種方法，如塊凝技 術、機械攪拌、電磁攪拌和強磁處理。采用塊凝技術，由于熔體的凝固速度相當快，冷卻速 度通常在104°C / S以上，從而可以獲得傳統鑄件或鑄錠所不能獲得的少偏析或無偏析的均勻 的微觀組織。快速凝固法，雖然效果不錯，但成本過高。而其它的方法，效果不夠理想或無 法實現工業化應用。發明內容針對現有技術的不足之處，本發明提供一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金化方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是在常規過共晶系鋁硅合金中，加入熔體總重 量的0.8%以上的Cr元素，以改善過共晶系鋁硅合金熔體凝固過程中因初生硅顆粒與熔體密 度差所引起的比重偏析，從而獲得少偏析或無偏析的均勻的微觀組織，達到改善硅元素分布 均勻的目的。本發明方法包括以下工藝步驟1、 按照常規方法熔煉過共晶鋁硅合金；2、 在熔體溫度為750'C-77(TC時，向熔體中添加熔體總重量的0. 8%—1. 5%的Cr元素， Cr元素以Cr劑或以Al-Cr中間合金形式添加到熔體中；3、 添加合金元素后，使熔體溫度保持在740。C-770°C，向熔體中充入六氯乙烷或氬氣， 對合金熔液進行除氣處理；4、 鑄造。
過共晶鋁硅合金凝固組織中存在的硅的宏觀偏析，屬于比重偏析。它是由于領先析出相 ——初生硅相的比重大于熔體的比重所引起。在鋁硅合金中加入少量的Cr元素，可以改變合 金熔體的凝固過程，在凝固過程中，初生硅已經不再是領先析出相，領先析出相變成了 Ah3Cr4Si4相。在凝固過程中，由于Ah3Cr4Si4相的領先析出，使得其周圍熔體中Si組元的含 量降低，導致初生Si相的析出溫度下降，這將降低初生Si顆粒的密度,使其與熔體的密度 相近，從而改善了初生Si顆粒的宏觀偏析，抑制了Si元素的宏觀偏析。本發明的優點為Cr元素可以改善過共晶Al—Si合金凝固組織中初生Si顆粒的宏觀偏聚 現象，隨著Cr元素含量的增加，其效果也越來越顯著，當Cr元素含量達到0.8wty。一1.5wt% 時Si元素的宏觀偏析基本可以消除。在圖2中，從鑄錠底部向上到3.2cm左右以及4.4cm以上的兩個區域內，灰白色基底上 分布著諸多黑色顆粒；而在3.2cm至4.4cm的區域之間，則呈現為灰白色，基本上無黑色顆 粒物。通過金相觀察可知，鑄錠底部和頂部灰白色基底上分布著諸多黑色顆粒的區域為初生 Si顆粒大量析出的區域，而鑄錠中間灰白色區域為初生Si顆粒析出很少的區域。圖3為經 圖像分析軟件定量分析后，所得到的初生Si顆粒在凝固組織中所占比例的統計結果。由圖3 可見，在未添加Cr元素的Al — 20XSi合金的凝固組織中，初生Si顆粒沿縱向的分布很不均 勻，硅元素的偏析現象非常明顯。在圖4、圖5中，Al—20XSi合金的宏觀組織隨著Cr添加量的增加發生了顯著的變化。 當Cr元素的加入量為0. 2wtM時，貧Si帶出現在距鑄錠底部15mm-27mm之間，寬12,的范 圍之內；當Cr元素的加入量為0.4機％時，貧Si帶向上移動并變窄，出現在距鑄錠底部 18mm-25mm之間，寬7mm-8mra的范圍之內；當Cr的加入量為0. 6wt。/。時，貧Si帶繼續向上移 動并變窄，出現在距鑄錠底部25mm-30mm之間，寬5mm的范圍之內；當Cr元素的添加量達到 0. 8wtM時，鑄錠中的貧Si帶基本消失。本發明還具有以下積極效果(1) 方法簡單，操作簡便，易于掌握，效果明顯；(2) 與快凝技術相比較，合金化方法成本低；(3) 合金化方法易于工業化生產。


圖1是鑄造裝置示意中1螺桿，2熔體，3壓板，4保溫材料，5壓板，6銅板，7冷卻水，8電阻絲圖2是未添加Cr元素的Al—20%Si合金的宏觀組織照片圖3是未添加Cr元素的初生Si顆粒在凝固組織中的分布數據圖
圖4是添加Cr元素的Al-20%Si合金宏觀組織照片圖中a:添加0. 2wtM的Cr元素 b:添加0. 4wtM的Cr元素 c:添加0. 6wtM的Cr 元素d:添加0. 8wt免的Cr元素圖5是Cr元素含量對Al-20%Si合金鑄錠中初生Si顆粒分布影響的數據圖具體實施方式
采用Al—20wt^Si合金(添加Cr元素) 實施例1在Al—20wt%Si合金中，分別添加熔體總重量的0. 8%的Cr元素，考察初生Si顆粒在 凝固組織中的分布情況。步驟如下1、 Al—20wt%Si合金在碳棒爐內加熱熔化，熔化溫度為900。C，保溫10min;2、 當熔體溫度為750—77(TC時，向熔體中添加Cr元素；3、 在添加合金元素后，熔體溫度為750'C左右時，用六氯乙垸或氬氣對合金熔液進行除 氣處理；4、 鑄造。為了保證結果不受其它因素的影響，鑄造采用定向凝固方式進行，其裝置的示意圖如圖 1所示。瑢體結晶的坩堝由壁厚30咖、小100X70鵬的保溫桶，與厚4咖的銅板組成，用壓 板壓緊。在保溫桶外纏繞功率為3Kw的電阻絲用以加熱坩堝，在銅板下方布置冷卻水管，使 凝固過程中冷卻水可以直接澆在銅板上。由圖4、圖5可見，Al — 20%Si合金的宏觀組織隨著Cr添加量的增加發生了顯著的變化。 當Cr元素的加入量為0. 2wty。時，貧Si帶出現在距鑄錠底部15mm-27mm之間，寬12mm的范 圍之內；當Cr元素的加入量為0.4^%時，貧Si帶向上移動并變窄，出現在距鑄錠底部 18mm-25mm之間，寬7mm-8mra的范圍之內；當Cr的加入量為0. 6wt。/。時，貧Si帶繼續向上移 動并變窄，出現在距鑄錠底部25mm-30mm之間，寬5mm的范圍之內；當Cr元素的添加量達到 0.8rtM時，鑄錠中的貧Si帶基本消失。因此，Cr元素可以改善過共晶Al—Si合金凝固組織 中初生Si顆粒的宏觀偏聚現象，隨著Cr元素含量的增加，其效果也越來越顯著，當元素 含量達到0. 8wt96時Si元素的宏觀偏析基本可以消除。 實施例2在Al—20wt%Si合金中，添加熔體總重量的1. 0%的Cr元素，考察初生Si顆粒在凝固 組織中的分布情況。步驟如下1、 Al—20wt%Si合金在碳棒爐內加熱熔化，熔化溫度為90(TC，保溫10min;2、 當熔體溫度為750—77(TC時，向熔體中添加Cr元素；
3、 在添加合金元素后，熔體溫度為750。C左右時，用六氯乙烷或氬氣對合金熔液進行除 氣處理；4、 鑄造。為了保證結果不受其它因素的影響，鑄造采用定向凝固方式進行，其裝置的示意圖如圖 l所示。熔體結晶的坩堝由壁厚30mm、 <H00X70ram的保溫桶，與厚4mm的銅板組成，用壓 板壓緊。在保溫桶外纏繞功率為3Kw的電阻絲用以加熱坩堝，在銅板下方布置冷卻水管，使 凝固過程中冷卻水可以直接澆在銅板上。當Cr元素的添加量達到1. 0^%時，鑄錠中的貧Si帶消失，從鑄錠底部到頂部的Si元素 分布均勻。因此，隨著Cr元素含量的增加，Cr元素可以有效地改善過共晶Al—Si合金凝固 組織中初生Si顆粒的宏觀偏聚現象，其改善硅均勻分布的效果也較0. 8;vt訓寸更為顯著。 實施例3在Al — 20wt%Si合金中，添加熔體總重量的1. 5%的Cr元素，考察初生Si顆粒在凝固 組織中的分布情況。步驟如下1、 Al—20wt%Si合金在碳棒爐內加熱熔化，熔化溫度為900。C，保溫10min;2、 當熔體溫度為750—770'C時，向熔體中添加Cr元素；3、 在添加合金元素后，熔體溫度為75(TC左右時，用六氯乙垸或氬氣對合金熔液進行除 氣處理；4、 鑄造。為了保證結果不受其它因素的影響，鑄造采用定向凝固方式進行，其裝置的示意圖如圖 l所示。熔體結晶的坩堝由壁厚30mm、 4)100X70ram的保溫桶，與厚4mm的銅板組成，用壓 板壓緊。在保溫桶外纏繞功率為3Kw的電阻絲用以加熱坩堝，在銅板下方布置冷卻水管，使 凝固過程中冷卻水可以直接澆在銅板上。當Cr元素的添加量達到1. 5wty。時，鑄錠中的貧Si帶消失，從鑄錠底部到頂部的Si元素 分布十分均勻。因此，隨著Cr元素含量不斷的增加，Cr元素可以有效地改善過共晶Al—Si 合金凝固組織中初生Si顆粒的宏觀偏聚現象，其改善硅均勻分布的效果也較1.0wtM時更為 顯著。
權利要求
1、一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金化方法，其特征在于包括以下步驟1)按照常規方法熔煉過共晶鋁硅合金；2)在熔體溫度為750℃-770℃時，向熔體中添加熔體總重量的0.8％-1.5％的Cr元素，Cr元素以Cr劑或以Al-Cr中間合金形式添加到熔體中；3)添加合金元素后，使熔體溫度保持在740℃-770℃，向熔體中充入六氯乙烷或氬氣，對合金熔液進行除氣處理；4)鑄造。
全文摘要
一種抑制過共晶鋁硅合金硅宏觀偏析的合金化方法，在過共晶鋁硅合金熔體中添加Cr元素，添加量為熔體總重量的0.8％-1.5％，添加Cr元素的熔體溫度為750℃-770℃，Cr元素以Cr劑或以Al-Cr中間合金形式添加到熔體中。本發明方法簡單，操作方便，易于掌握，效果明顯；與快凝技術相比較，合金化方法成本低；合金化方法易于工業化生產。
文檔編號C22C21/02GK101109046SQ20071001248
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月17日 優先權日2007年8月17日
發明者崔建忠, 克 秦 申請人:東北大學