[发明专利]一种改善再生铝合金中富铁相形态的塑形加工方法

说明书

一种再生铝合金中富铁相形态的塑形加工方法，再生铝合金中富铁相形态的塑形加工方法由下述5步组成：1是利用稀盐酸清洗再生铝表面；2是利用石灰石粉造渣；3是添加锰剂和硼剂改善再生铝加工性能；4是改变挤压模具中的挤出口直径和挤压压力比获得最佳加工参数；5是热压改善再生铝的工艺性能，再生铝合金中富铁相形态的塑形加工方法通过降低再生铝中的铁含量，利用石灰石造渣，利用助剂改善加工性能，这样获得加工成本低，而产品性能优良的铝制品。

技术领域

本发明属于材料科学领域，尤其是涉及一种再生铝加工。

背景技术

铁是再生铝中最为常见、有害的杂质元素，其在铝熔体中和铝固体中的溶解度分别为 1.7%~5%和 0.05%，相差 34~100 倍。其余的铁将以 AlFe 二元相或者 AlFe(MnMg)Si的形式存在，即为富铁相。根据富铁相晶体的结构特征，富铁相可分为αFe相和 βFe 相。其中βFe 相是单斜结构，晶胞常数为 a=0.5792nm， b=1.2273nm，c=4.313nm，β=98.93º，熔点约为870℃，βFe相常以长条针状或板条状存在，而在三维形态上呈连锁互联的片状形状，该富铁相在受力时强烈割裂基体，铝合金的延伸率急剧降低，此外，由于βFe 相的形成温度介于αAl 和AlSi 共晶转变之间，βFe 相的存在阻碍了AlSi 共晶金属液的流动和补缩，成为气孔、缩松形成的重要衬底，其长度尺寸和气孔面积分数均随 Fe 含量的增加而呈线性增加，进一步恶化合金性能。而αFe为体心立方结构，晶格常数 为 a=1.256nm，熔点约为 860℃，以汉字状为基本形态，兼有多边形、星形、汉字状和树枝状等形态出现，其中星形和多边形称为渣相，其形成温度高于αAl，而汉字状和树枝状铁相与初生αAl 共生共长，为共生富铁相，即汉字状 αFe 相，其三维形态主要以复杂的缠绕树枝状为主。

与βFe相比，αFe相对基体割裂大幅降低，可有效缓解其危害。

综上所述，富铁相的形态对再生铝力学性能具有显著的影响，其中 βFe 相危害最大；αFe 渣相其次，但可通过自然沉降或过滤除去；而αFe 汉字相危害最小，具有较高的综合利用价值，因此，如何将βFe 相转变成有益的αFe 相，是减缓富铁相危害最为关键的技术之一，近二十年来，为了实现βFe 相向αFe 的转变，国内外研究者对富铁相形态特征的影响因素做了大量有益的探索，从合金成分，熔体处理，到铸造工艺等贯穿整个熔铸工艺流程。

在合金成分方面，Mn元素早在上世纪50年代用于改善富铁相的形态，随后大量的研究结果证实了Mn 对富铁相形态的改善效果，并总结出了改善机制，认为Mn与Fe元素原子半径相近，结构相似，亲和力强，加 Mn可置换富铁相中的 Fe，从而改变了 βFe 相的晶体结构和生长取向，最终实现富铁相形态的转变，但至今为止还未得到一个公认的 Mn/Fe 添加比例。研究发现，当 Mn/Fe≤1.1 时，βFe 相无法完全消除，而 Mn/Fe≥1.2 时，基本实现了βFe 相向 αFe相的转变，同时触发了渣相的形成，其体积分数随Mn、Fe总量的增加而呈近似线性增长，导致塑性下降。

研究发现 Cr、Co 的作用与 Mn相近，且改善作用更为显著，但由于较低的 Cr 和Co 添加量即会引起初生硅的析出，影响合金性能，比较少用。随后的研究发现Be、Sc可与Al、Si等形成高温质点，改善富铁相形态的机制与Mn 类似，但价格较高, 且Be 蒸汽对人体的呼吸道有严重的损害，实用价值不高，稀土元素、B、Sr、Ca 等为表面活性高的元素，通过吸附在 βFe 质点表面抑制 βFe 相的生长，细化富铁相，但效果不及 Mn显著，同时还发现，Mn/Be复合添加时改善效果较单独添加好，完全消除βFe 相。

宋东福、范超等人也验证了复合添加的效果，因此，添加 Mn、Be、Sc、Co、Cr 等可促进 βFe 相向 αFe 的转变，B、Sr、RE、Ca等元素可细化富铁相尺寸，复合添加合金元素不仅可实现βFe 相向αFe的转变，还能细化αFe4 尺寸，改善效果最佳，但改善机制还有待于进一步研究。