[发明专利]一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及金属铸造的方法，具体的说是一种细化过共晶铝硅合金初晶硅组织的方法。

二、背景技术

过共晶铝硅合金具有良好的耐磨性、热稳定性、低热膨胀系数、高导热性以及优良的铸造性能和焊接性能，一直被认为是一种理想的耐磨耐热功能合金材料。在航空航天工业、汽车零部件制造、铁路运输业、军事工业、电子工业以及内燃机活塞制造业等领域中具有巨大的应用前景。然而，在常规铸造条件下获得过共晶铝硅合金材料的微观组织中，初晶硅呈板片状、多角形块状或五瓣星状，形态及分布状况差，特别是通常条件下的初晶硅尺寸粗大(80-150μm)。这使得过共晶铝硅合金力学性能不高、切削性能变差，从而制约了过共晶铝硅合金的实际使用与推广。因此，尽可能细化过共晶铝硅合金中初晶硅组织，一直是材料工程及铸造业追求的目标。

迄今为止，国内外细化过共晶铝硅合金中初晶硅的技术有如下几种：

1、浇铸前对铝硅液态合金变质处理：即加入含磷、稀土等中间合金变质剂，如：刘相法等：铝-磷-铜中间合金及其制备方法(授权日：03.6.25，专利号：01 10 7704.2)；吴树森等：铸造高铝硅合金的双重变质剂(授权日：2003.6.11，专利号：00 13 1196.4)；张金龙等：一种过共晶铝硅合金变质精炼剂(申请日期：2004.06.11，申请号：CN2004100251 20.3)。

这类方法存在一些缺点，如：加入额外的变质剂往往增加不菲的成本；变质物质(P等)往往对生产及社会环境造成严重污染(如车间有毒的P₂O₅烟雾及P对整体环境的污染；变质效果尚不十分理想，通常初晶硅实际只能细化到平均尺寸35～50μm左右(专利号：01 10 7704.2；铸造(2006)55卷12期第1244-1246页；Materials Characterization 59(2008)1559-1563)，个别研究及专利声称可细化到20μm左右(专利号：00 13 1196.4；专利号：2004 10010911)。

2、“熔体过热”方法：即将合金熔体加热到大大超过常规熔炼温度的某一温度，以达到细化其凝固组织的目的。如清华大学与俄罗斯专家共同研究了(Materials Science and Engineering A332(2002)371-374)不同过热温度及冷却条件对Al-Si16％合金的初晶硅晶粒尺寸影响；西北工业大学对含Si17.42％的铝硅合金也曾有过类似的研究(有色金属，(2002)第54卷第3期第19-21页)。虽然发现熔体过热能够在一定程度上细化初晶硅，但其工艺方法的不足之处在于，过热温度的选取存在盲目性，因此硅晶体的细化程度有限，对Al-Si16％过热处理后在快速冷却条件下也只能达到20-30μm左右，含Si17.42％的铝硅合金的初晶硅细化及形态则十分不理想(有色金属，(2002)第54卷第3期第19-21页)。

3、“熔体混熔”方法：“熔体混熔”方法是将不同成分的高、低温合金熔体快速混合，以达到细化组织的目的。文献(中国有色金属学报，(1995)第5卷第4期第133-135页)声称，运用该方法可将Si18％的铝硅合金初晶硅从80μm细化到20μm。文献(机械工程材料(2011)第35卷第2期第12～15页)利用高、低温合金熔体混熔，使得含Si20％的铝硅合金初晶硅的平均尺寸细化到36μm左右。专利申请号为CN200910304965.9(高硅铝合金或其它含第二硬脆相合金的物理法变质工艺，申请日：2009.07.29)的发明声称，含20％Si铝硅合金中初生Si相的晶粒在保温100min内尺寸可稳定在40μm左右。该类方法的不足之处也在于，高温及低温合金熔体的温度选取存在盲目性，硅晶体的细化程度也有限。

4、固态合金的后续热处理：对固态合金坯料进行长时间的热处理(一种大尺寸过共晶高硅铝合金坯料及其制备方法，专利号：200510119550，授权日：2008.6.4)。该工艺细化初晶硅的效果好，但需要额外热处理设备，增加工艺周期并需大量消耗能源。

5、其它方法还有：电磁搅拌(材料科学与工艺(2001)9卷第2期第117-121)、超声波处理(journal of materials processing technology 208(2008)330-335)、快速凝固等，但对实际铸件生产应用在技术上依然有难度，且效果有限度。