CN116121574B - 一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其包括以下步骤：1)、获得共析合金液并控制所述共析合金液温度在700‑745℃之间；2)、将所述共析合金液升温至760‑780℃，并通过电解锰片和中间合金将Mn、B、V、Zr、Cr、Ga加入所述共析合金液中；3)、保温并搅拌使加入的电解锰片和中间合金熔化；4)、通过除气机压入铝合金无钠精炼剂以进行精炼；5)、打渣并静置，之后通过加工工艺制成铝硅铸造合金产品。其通过控制成分的比例，能够消除高铁条件下不利β相组织的影响，使之形成新的弥散强化相。

Description

一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，涉及一种铝合金中的铁相改形方法，尤其是一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法。

背景技术

铸造铝合金由于具有流动性好、成型性好、导热性好、强度高以及生产效率高、成本低廉等优点，在汽车领域得到广泛应用。其常被用于汽车车身、轮毂、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳、转向节、推拉杆等结构。为了实现汽车车体轻量化，对铸造铝合金的要求越来越高，尤其是涉及到合金中Fe含量超标时，会导致合金抗拉强度、屈服强度、延伸率及耐蚀性能有不同程度的下降。因此，针对高铁合金的无害化研究以及改形措施越来越成为行业的主攻点。

Fe在铸造铝合金中一直是被视作有害杂质元素，产生的富Fe相是铸造铝合金中最常见的金属间化合物，且随着铸造铝合金中合金元素的不同，富Fe相的种类也不同。在铸造铝硅合金中，富Fe相主要有三种。通常在铸造铝硅合金中Fe是以β相的形式存在，β相脆且硬，形状呈针状，它将严重影响合金的韧性，尤其是冲击韧性，并削弱了合金的力学性能。β相的形成与合金的凝固速率有很大的关系，较小的冷速会带来更粗大的β相，对合金的负面影响更大，并且随着Fe含量的增加，合金的热裂倾向也将随之增加，因此应尽量减少Fe杂质元素的引入。

现有的诸多论文及专利中都提及了Mn对Fe相改变或Cr对Fe相改变的研究，例如沈阳工业大学的申华、刘爱娟、杨卫东发表的《铝及合金中杂质铁的有害作用及去除方法研究进展》中就提及了使用元素中和法进行铝及合金中的Fe相形貌的控制，最常用的中和元素是Mn，另外还有一些应用相对较少的中和剂，如Be，Cr，Mo，Sr，Co，Ti，Ni，S，V，Re，Mg，K等；例如专利号为CN1081720A、发明名称为铝合金铁相球化剂的专利中，也探讨了Mn对Fe相的球化作用。

然而，上述专利或论文中公开的铝合金及应用方法，以及其他一些现有技术中公开的都是关于单个元素等对Fe相的改变作用，没有提出针对高Fe条件下多种元素的混合作用对Fe相改变方法，尤其是Ga、V、Zr等特殊元素；并且对于改形后的Fe相的形态，常规方法多是汉字装或骨骼状，也没有使得形成弥散性的斑点状组织，对合金基体和性能起到的强化作用有限。

鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法。

发明内容

针对现有技术的不足，针对铝硅铸造合金中Fe含量高时产生β-Fe相割裂基体，导致合金力学性能严重下降的现象，本发明通过补入或利用特殊合金液中本身存在的Ga、Cr、V、Zr、Ti、Mn、B等七种元素，合理控制设计的成分比例及对应的加入方法，生产出经济适用性高，组织性能优良并且力学性能较高的铸造铝硅合金产品。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、获得共析合金液并控制所述共析合金液温度在700-745℃之间；

2)、将所述共析合金液升温至760-780℃，并通过电解锰片和中间合金将Mn、B、V、Zr、Cr、Ga加入所述共析合金液中；其中，电解锰片和中间合金的加入量要满足如下条件：铬与铁的质量比例大于1:20且不能超过1：1；钒与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；锰与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；镓与铁的质量比例大于1:6且不能超过7：8；锆与铁的质量比例大于1:8且不能超过7：10；硼与铁的质量比例大于1:10且不能超过1：1；

3)、保温并搅拌使加入的所述电解锰片和中间合金熔化；

4)、通过除气机压入铝合金无钠精炼剂以进行精炼；

5)、打渣并静置，之后通过加工工艺制成铝硅铸造合金产品。

优选地，所述共析合金液包括以下组分：4.0～15.0wt％的硅；0.01～1.85wt％的铁；0.1～0.8wt％的钛；其余为铝；且其它未提及或无作用元素总量≤1.5wt％。

优选地，所述电解锰片是Mn含量≥99％的铝箔包覆的电解锰片，且所述中间合金包括Al-B5、Al-V5、Al-Zr10、Al-Cr5和Al-Ga3。

优选地，所述步骤3)中的保温温度为650-760℃，保温时间位10-240min，搅拌转速为80-380r/min，搅拌时间为10-45min，并使用石墨分型式转子进行搅拌。

优选地，所述步骤4)中的无钠精炼剂用量为0.2％-1.5％wt，精炼温度为715-755℃，精炼时间为10-30min。

优选地，所述步骤5)中的静置时间为10-240min，静置温度为650-750℃。

优选地，所述步骤5)中的加工工艺为水平铸造、压铸或半固态成型。

与现有技术相比，本发明的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法具有如下有益技术效果中的一者或多者：

1、本发明使用特殊的共析合金液，通过控制成分的比例，消除高铁条件下不利β相组织的影响，使之形成新的弥散强化相。

2、本发明制成的铸造铝合金在铸态时较未处理前伸长率提升20％、抗拉强度提升10％。

附图说明

图1示出了现有技术中的针状Fe相的存在。

图2示出了初步处理后汉字状Fe相的分解。

图3示出了本发明改形后的斑点状Fe相的弥散。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。

根据现有的研究文献，当Fe＞0.15wt％时就容易在铝硅合金基体中形成Al₅FeSi针状相，这种针状相在遇到Mn元素时会被粉碎，并形成新的Al-Mn-Fe-Si四元相，这种四元相是稳定的，一般来说是汉字状相。

在我们的试验中发现，Cr的加入会加快针状相转化的发生，时间更短；同时在有一定量钒的共同作用下，汉字状的铁相会发生分解，这种分解在金相的角度就表现为“开裂”，含铁相的内部开裂，含铁的汉字状相分解开裂成不规则的脱离块状。

这种小块组织在Zr和Ga的强非共格影响下，继续分离分解，并结合Ga形成新的弥散性点相。

同时，在加入B的作用下，TiB₂粒子大量形核，优先生成的铝基体被细化，挤压、推动这种点相的移动和球化，使之以斑点状分散在铝基体中。

在后续的热处理中这些弥散点相充分析出，起到了弥散强化和固溶强化的作用。

基于发明人发现的以上原理和思想，发明人发明了本发明的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法。

本发明的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法包括以下步骤：

一、获得共析合金液并控制所述共析合金液温度在700-745℃之间。

在本发明中，所述共析合金液为共析铝合金液。优选地，所述共析合金液包括以下组分：4.0～15.0wt％的硅；0.01～1.85wt％的铁；0.1～0.8wt％的钛；其余为铝；且其它未提及或无作用元素总量≤1.5wt％。

由于所述共析合金液中铁元素含量较高，将影响制造的铝硅铸造合金的性能，因此，需要对其进行处理。

二、将所述共析合金液升温至760-780℃，并通过电解锰片和中间合金将Mn、B、V、Zr、Cr、Ga加入所述共析合金液中。

在本发明中，电解锰片和中间合金的加入量要满足如下条件：铬与铁的质量比例大于1:20且不能超过1：1；钒与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；锰与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；镓与铁的质量比例大于1:6且不能超过7：8；锆与铁的质量比例大于1:8且不能超过7：10；硼与铁的质量比例大于1:10且不能超过1：1。

通过加入电解锰片和中间合金，引入了Mn、B、V、Zr、Cr、Ga元素，再加上共析合金液中本身含有的Ti和Fe元素，共有八种元素。本发明中，通过使铝硅铸造合金中存在的Fe与补入或本身存在的Ga、Cr、V、Zr、Ti、Mn、B等8种元素相互作用，形成有害针状β相的“变形”，消除不良针状相的害处，并对基体产生一定的强化作用。

在本发明中，优选地，所述电解锰片是Mn含量≥99％的铝箔包覆的电解锰片，且所述中间合金包括Al-B5、Al-V5、Al-Zr10、Al-Cr5和Al-Ga3。

三、保温并搅拌使加入的所述电解锰片和中间合金熔化。

在加入电解锰片和中间合金之后，需要保温并搅拌以使加入的所述电解锰片和中间合金熔化，从而与共析合金液融合为一体。

在本发明中，优选地，保温温度为650-760℃，保温时间为10-240min，搅拌转速为80-380r/min，搅拌时间为10-45min，并使用石墨分型式转子进行搅拌。通过这种条件的保温和搅拌，使得电解锰片和中间合金能够熔化并与共析合金液融为一体。

四、通过除气机压入铝合金无钠精炼剂以进行精炼。

之后，就是要进行精炼。在本发明中，在进行精炼时，无钠精炼剂用量为0.2％-1.5％wt，精炼温度为715-755℃，精炼时间为10-30min。

其中，所述无钠精炼剂可以是市场上可买到的任何无钠精炼剂，本发明不对其进行限制。例如，可以是徐州万鑫生产的精炼剂，其包括30％-60％硝酸钠，30％-60％硝酸钾，10％-40％氯化钠+氯化钾，剩余为助燃剂及部分无机盐成分。

五、打渣并静置，之后通过加工工艺制成铝硅铸造合金产品。

精炼之后，通过打渣去除掉上层渣滓，并对其进行静置。优选地，静置时间为10-240min，静置温度为650-750℃。

静置之后，即可以通过加工工艺制成铝硅铸造合金产品。优选地，所述加工工艺可以为水平铸造、压铸或半固态成型等。

下面以两个具体的实施例详细介绍本发明，以使得本领域技术人员能够更好地了解和使用本发明。

【实施例一】

在实施例一中，共析合金液中硅含量为7.2wt％；铁含量为0.75wt％；钛含量为0.21wt％。

通过电解锰片和中间合金加入锰含量为0.16wt％；硼含量为0.33wt％；铬含量为0.08wt％；镓含量为0.17wt％；钒含量为0.14wt％；锆含量为0.11wt％。

采用本发明的改形方法进行处理发现，其金相变化过程为：一开始是如图1所示的针状Fe相存在；然后变成如图2所示的汉字状Fe相的分解；最后变成如图3所示的斑点状Fe相的弥散。

由此可知，通过特殊设计的成分比例及加入方法，使铝硅铸造合金中存在的Fe与补入或本身存在的Ga、Cr、V、Zr、Ti、Mn、B等8种元素相互作用，形成有害针状β相的“变形”消除不良针状相的害处，并对基体产生一定的强化作用。

并且，从该实施例一能发现，针状Fe相变化成碎斑点状的多元含Fe相成分。减弱了针状相对基体的割裂，在针的尖端产生明显的应力集中作用，反而在α-Al基体中产生了新的斑点状的强化弥散相，这种强化弥散相在后续工艺处理下，可以使合金性能提高。

【实施例二】

在该实施例二中，共析合金液中硅含量为8.9wt％；铁含量为0.54wt％；钛含量为0.21wt％。

通过电解锰片和中间合金加入锰含量为0.16wt％；硼含量为0.33wt％；铬含量为0.03wt％；镓含量为0.19wt％钒含量为0.07wt％；锆含量为0.08wt％。

采用本发明的改形方法进行处理，获得的铝硅铸造合金的力学性能化验数据如下：

状态	抗拉强度/MPa	延伸率/％
			未处理前	188	6
处理后	214	7.4

经过测试分析可知，横向对比未处理前合金，可以使合金伸长率提升20％、抗拉强度提升10％，对工业生产高铁条件下的高品质铸造铝硅合金产品提供了新方法新思路。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、获得共析合金液并控制所述共析合金液温度在700-745℃之间；

2)、将所述共析合金液升温至760-780℃，并通过电解锰片和中间合金将Mn、B、V、Zr、Cr、Ga加入所述共析合金液中；其中，电解锰片和中间合金的加入量要满足如下条件：铬与铁的质量比例大于1:20且不能超过1：1；钒与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；锰与铁的质量比例大于1:15且不能超过1：1；镓与铁的质量比例大于1:6且不能超过7：8；锆与铁的质量比例大于1:8且不能超过7：10；硼与铁的质量比例大于1:10且不能超过1：1；

3)、保温并搅拌使加入的所述电解锰片和中间合金熔化；

4)、通过除气机压入铝合金无钠精炼剂以进行精炼；

5)、打渣并静置，之后通过加工工艺制成铝硅铸造合金产品；

所述共析合金液包括以下组分：4.0～15.0wt％的硅；0.01～1.85wt％的铁；0.1～0.8wt％的钛；其余为铝；且其它未提及或无作用元素总量≤1.5wt％。

2.根据权利要求1所述的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，所述电解锰片是Mn含量≥99％的铝箔包覆的电解锰片，且所述中间合金包括Al-B5、Al-V5、Al-Zr10、Al-Cr5和Al-Ga3。

3.根据权利要求2所述的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，所述步骤3)中的保温温度为650-760℃，保温时间为10-240min，搅拌转速为80-380r/min，搅拌时间为10-45min，并使用石墨分型式转子进行搅拌。

4.根据权利要求3所述的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，所述步骤4)中的无钠精炼剂用量为0.2％-1.5％wt，精炼温度为715-755℃，精炼时间为10-30min。

5.根据权利要求4所述的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，所述步骤5)中的静置时间为10-240min，静置温度为650-750℃。

6.根据权利要求5所述的适用于铝硅铸造合金中的铁相改形方法，其特征在于，所述步骤5)中的加工工艺为水平铸造、压铸或半固态成型。