CN109055831B - 纳米过共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法和用途，按重量百分比计包括：硅1.2‑30％，磷0.5‑4％，纳米Al₂O₃颗粒0.5‑5％，余量为铝，其中磷来自Al‑12Si‑5P中间合金；在高温电阻炉中加热融化并保温，将用铝箔包覆好的纳米Al₂O₃颗粒加入到合金熔体中，超声震动将其分散于合金熔体中，浇注成形即得；上述复合变质剂变质效果明显，有效细化初晶硅的同时变质共晶硅，达到复合变质效果。

Description

纳米过共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于过共晶铝硅合金变质技术领域，具体涉及一种新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法和用途。

背景技术

过共晶铝硅合金因其具有热膨胀系数低、耐磨性能好、热稳定性好、比强度高等优点，因而被广泛应用在汽车发动机活塞及其他汽车耐磨零部件中。传统铸造方法所生产的过共晶铝硅合金，由于存在粗大的板片状初晶硅及长针状的共晶硅，严重割裂基体，从而使合金力学性能大大降低，限制其工业应用。近几十年来，国内外研究学者就如何细化过共晶铝硅合金中初晶硅及变质共晶硅进行广泛研究，并提出相关措施。优化合金组织的方法总体上可以概括为两类：一类为变质细化法，即通过向过共晶铝硅合金熔体中添加P、Na、Sr、Re等元素，达到细化初晶硅或者变质共晶硅的目的。另一类为改进传统铸造法，即通过快速凝固、喷射沉积、粉末冶金、挤压铸造等方法来代替传统铸造方法，优化合金组织。变质细化法由于工艺操作简单、生产成本较低、变质效果明显等优势，在工业生产中得到广泛应用。

国内外对过共晶铝硅合金变质进行深入研究，结果表明P可以有效细化初晶硅，其细化机理为在高温下，P与Al发生反应生成高熔点AlP化合物，其晶格常数与初晶硅的晶格常数相近，可以作为初晶硅的异质形核基底，从而达到细化初晶硅的目的。而Na、Sr等元素则通过抑制共晶硅的形核及生长过程变质共晶硅。在工业领域同时细化初晶硅及变质共晶硅却受到极大挑战，主要是由于向合金熔体中同时添加初晶硅细化剂P及共晶硅变质剂Sr、Na等会发生变质剂之间的反应，生成比AlP热力学更稳定Sr₃P₂及Na₃P化合物，削弱了变质剂的细化效果，即产生变质剂之间的毒化作用。

近几年来，有研究者通过向Al-20Si合金熔体中添加纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，并通过超声熔体震动方法将其分散在合金熔体中，达到了同时细化初晶硅及变质共晶硅的目的。但是该方法对初晶硅的细化效果不及添加P时效果显著，通过向合金熔体中同时加入AlP及Al₂O₃陶瓷颗粒，可以达到同时细化初晶硅及变质共晶硅的目的，且变质效果比加入单一变质剂AlP或 Al₂O₃更加显著。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，该方法制备的复合变质剂能够同时细化初晶硅和变质共晶硅，达到复合变质效果。

本发明的目的之一还在于提供上述新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，该复合变质剂同时含有P元素及纳米Al₂O₃颗粒，两者协同作用同时细化初晶硅和变质共晶硅。

本发明的目的之一还在于提供上述新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂用于制备变质过共晶铝硅合金。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，按重量百分比计，包括以下含量的原料：

硅 1.2-30％，

磷 0.5-4％，

纳米Al₂O₃颗粒 0.5-5％，

余量为铝；其中，所述磷来自Al-12Si-5P中间合金。

优选地，所述纳米Al₂O₃颗粒为γ-Al₂O₃陶瓷颗粒，粒径大小为20-50nm。

第二方面，上述新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照上述配比称取所述原料，并将所述纳米Al₂O₃颗粒用铝箔包覆；

(2)将所述铝、硅和Al-12Si-5P中间合金混匀后置于高温电阻炉中，加热到780-880℃，待上述混合物完全融化后保温5-30min，搅拌使合金熔体混合均匀；

(3)将步骤(1)铝箔包覆好的纳米Al₂O₃颗粒加入到步骤(2)所得合金熔体中，并将其压入到所述合金熔体下部，将超声波发生器的探头浸入到所述合金熔体液面以下10-20mm，启动超声波发生器，进行超声震动5-30min后，取出所述探头，搅拌；

(4)将步骤(3)处理后的合金熔体降至750-800℃保温5-30min，浇铸成形，即得。

优选地，步骤(3)中，所述铝箔包覆后的纳米Al₂O₃颗粒经超声震动均匀分散于步骤(2)所得合金熔体内。

第三方面，上述新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂在制备变质过共晶铝硅合金中的用途。

本发明中复合变质的原理在于：

新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂内分布有大量的AlP颗粒及纳米Al₂O₃颗粒，成为变质过共晶铝硅合金的有效成分，加入到过共晶铝硅合金中进行变质处理时，在高温下发生溶解，大量的AlP颗粒及纳米Al₂O₃颗粒在合金熔体中分散。由于AlP可以作为初晶硅的异质形核基底，因此当AlP分散在合金熔体中，提供大量的初晶硅形核核心，达到细化初晶硅的目的。而且纳米Al₂O₃颗粒的晶格常数约等于初晶硅晶格常数的

倍，晶格错配度约为3％，纳米Al₂O₃颗粒作为初晶硅形核核心，达到细化初晶硅的目的。

此外，纳米Al₂O₃颗粒在Al和Si中固溶度较低，在初晶硅生成时部分纳米Al₂O₃颗粒被推移至固液界面边缘，导致纳米颗粒大量聚集，造成极大过冷度，使得共晶反应过程共晶硅的生长得到抑制，达到对共晶硅的变质效果。

本发明的有益效果在于：

与传统变质剂相比，本发明新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂具有变质效果稳定、操作工序简单的特点，能够在细化初晶硅的同时变质共晶硅，达到复合变质的目的；且经复合变质的过共晶铝硅合金组织得到极大改善，强度和韧性都得到大幅度提升，适合工业生产应用。

附图说明

图1是本发明实施例1合金浇注到铁制模具中的200倍金相显微组织照片。

图2是本发明实施例2合金浇注到铁制模具中的200倍金相显微组织照片。

图3是本发明实施例3合金浇注到铁制模具中的200倍金相显微组织照片。

图4是本发明对比例1合金浇注到铁制模具中的200倍金相显微组织照片。

图5是本发明对比例2合金浇注到铁制模具中的200倍金相显微组织照片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明内容做进一步说明。

实施例1

按重量百分比称取商用Al-12Si-5P中间合金10％，粒径大小为20nm的γ-Al₂O₃陶瓷颗粒 5％，并用铝箔包覆后待使用，其余为工业纯铝。将称量好的Al-12Si-5P中间合金与工业纯铝混合后，在高温电阻炉中加热到780℃，待合金完全融化后保温5min，并加以搅拌，使熔体混合均匀。将用铝箔包覆好的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒加入到合金熔体中，用金钟罩将其压入到合金液下面，之后将超声波发生器探头浸入到合金液面以下10mm，启动超声波发生器，使其工作30min，待超声熔体震动过程结束后，取出探头，并适当搅拌合金熔体。待合金温度降至 750℃保温5min，浇铸成形，得到新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，名义成分为 Al-1.2Si-0.5P-5Al₂O₃。

在高温电阻炉中将Al-30Si合金完全融化后，待温度过热到液相线70-120℃时，加入精炼剂进行除气除渣，保温10min。之后按照Al-30Si合金质量分数0.5％的比例加入本实施例制备的新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂Al-1.2Si-0.5P-5Al₂O₃，保温5min后，待温度过热到Al-30Si合金液相线60-100℃时，按照正常工艺浇注到铁制模具中，其金相显微组织的形貌如图1所示，可以看出加入复合变质剂Al-1.2Si-0.5P-5Al₂O₃后，Al-30Si合金初晶硅呈细小多边形状，共晶硅呈纤维状，实现了细化初晶硅的同时变质共晶硅，优化合金组织。

实施例2

按重量百分比称取商用Al-12Si-5P中间合金40％，工业纯硅25.2％，粒径大小为30nm的γ-Al₂O₃陶瓷颗粒2％，并用铝箔包覆后待使用，其余为工业纯铝；将称量好的Al-12Si-5P中间合金、工业纯铝、工业纯硅混合后，在高温电阻炉中加热到880℃，待合金完全融化后保温30min，并加以搅拌，使熔体混合均匀。

将用铝箔包覆好的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒加入到合金熔体中，用金钟罩将其压入到合金液下面，之后将超声波发生器探头浸入到合金液面以下20mm，启动超声波发生器，使其工作15min，待超声熔体震动过程结束后，取出探头，并适当搅拌合金熔体；待合金温度降至800℃保温 30min，浇铸成形，得到新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，名义成分为Al-30Si-2P-2Al₂O₃。

在高温电阻炉中将Al-30Si合金完全融化后，待温度过热到液相线70-120℃时，加入精炼剂进行除气除渣，保温60min。之后按照Al-30Si合金质量分数0.5％的比例加入本实施例制备的新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂Al-30Si-2P-2Al₂O₃，保温30min后，待温度过热到Al-30Si合金液相线60-100℃时，按照正常工艺浇注到铁制模具中，其金相显微组织的形貌如图2所示，可以看出加入复合变质剂Al-30Si-2P-2Al₂O₃后，Al-30Si合金初晶硅呈细小多边形状，共晶硅呈纤维状，实现了细化初晶硅的同时变质共晶硅，优化合金组织。

实施例3

按重量百分比称取商用Al-12Si-5P中间合金80％，工业纯硅2.4％，粒径大小为50nm的γ-Al₂O₃陶瓷颗粒0.5％，并用铝箔包覆后待使用，其余为工业纯铝；将称量好的Al-12Si-5P 中间合金、工业纯铝、工业纯硅混合后，在高温电阻炉中加热到830℃，待合金完全融化后保温150min，并加以搅拌，使熔体混合均匀。

将用铝箔包覆好的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒加入到合金熔体中，用金钟罩将其压入到合金液下面，之后将超声波发生器探头浸入到合金液面以下15mm，启动超声波发生器，使其工作5min，待超声熔体震动过程结束后，取出探头，并适当搅拌合金熔体；待合金温度降至770℃时，保温15min，浇铸成形，得到本发明所述新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，名义成分为 Al-12Si-4P-0.5Al₂O₃。

在高温电阻炉中将Al-30Si合金完全融化后，待温度过热到液相线70-120℃时，加入精炼剂进行除气除渣，保温30min。之后按照Al-30Si合金质量分数0.5％的比例加入本实施例制备的新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂Al-12Si-4P-0.5Al₂O₃，保温15min后，待温度过热到Al-30Si合金液相线60-100℃时，按照正常工艺浇注到铁制模具中，其金相显微组织的形貌如图3所示，可以看出加入复合变质剂Al-12Si-4P-0.5Al₂O₃后，Al-30Si合金初晶硅呈细小多边形状，共晶硅呈纤维状，实现了细化初晶硅的同时变质共晶硅，优化合金组织。

对比例1

在高温电阻炉中将Al-30Si合金完全融化后，待温度过热到液相线70-120℃时，加入精炼剂进行除气除渣，保温30min后，不加入任何变质剂，按照正常工艺浇注到铁制模具中，其金相显微组织的形貌如图4所示，可以看出Al-30Si合金初晶硅呈粗大板片状，共晶硅呈长针状。即初晶硅未细化，共晶硅也未变质。

对比例2

在高温电阻炉中将Al-30Si合金完全融化后，待温度过热到液相线70-120℃时，加入精炼剂进行除气除渣，保温30min后，按照Al-30Si合金质量分数0.5％的比例加入Al-12Si-5P 中间合金，保温15min后，待温度过热到Al-30Si合金液相线60-100℃时，按照正常工艺浇注到铁制模具中，其金相显微组织的形貌如图5所示，可以看出加入Al-12Si-5P中间合金后 Al-30Si合金初晶硅呈细小多边形状，共晶硅呈长针状。即初晶硅得到细化，但共晶硅未得到变质。

从实施例1-3及对比例1、2的合金金相显微组织可以发现，本发明的新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂变质效果明显，只需要加入少量复合变质剂，就能够达到良好变质效果，既能够将板块状初晶硅细化成细小多边形状，又能够将长针状共晶硅变质成纤维状，达到复合变质的目的，优化合金组织。与传统的加入AlP细化初晶硅相比，本发明新型纳米过共晶铝硅合金复合变质剂不仅对初晶硅细化效果更加明显，同时对共晶硅也得到有效变质。

Claims (4)

1.纳米过共晶铝硅合金复合变质剂，其特征在于，按重量百分比计由以下含量的原料组成：

硅1.2％-30％，

磷0.5％-4％，

纳米Al₂O₃颗粒0.5％-5％，

余量为铝；其中：

所述磷来自Al-12Si-5P中间合金；

所述复合变质剂通过包括以下步骤的制备方法得到：

(1)按照上述配比称取所述原料，并将所述纳米Al₂O₃颗粒用铝箔包覆；

(2)将所述铝、硅和Al-12Si-5P中间合金混匀后置于高温电阻炉中，加热到780-880℃，待上述混合物完全融化后保温5-30min，搅拌使合金熔体混合均匀；

(3)将步骤(1)铝箔包覆好的纳米Al₂O₃颗粒加入到步骤(2)所得合金熔体中，并将其压入到所述合金熔体下部，将超声波发生器的探头浸入到所述合金熔体液面以下10-20mm，启动超声波发生器，进行超声震动5-30min，取出所述探头，搅拌；

(4)将步骤(3)处理后的合金熔体降温至750-800℃保温5-30min，浇铸成形。

2.根据权利要求1所述的复合变质剂，其特征在于，所述纳米Al₂O₃颗粒为γ-Al₂O₃陶瓷颗粒，粒径大小为20-50nm。

3.根据权利要求1或2所述的复合变质剂，其特征在于，步骤(3)中，所述铝箔包覆后的纳米Al₂O₃颗粒经超声震动均匀分散于步骤(2)所得合金熔体内。

4.权利要求1-3任一项所述的复合变质剂在制备变质过共晶铝硅合金的用途。

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