強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金中相組織的方法技術

本發明專利技術涉及一種強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金中相組織的方法。由于強磁場和變質劑的復合作用，抑制合金中Si相的長大，減小和改善初晶硅和共晶硅晶粒的大小和形貌，達到晶粒細化，成分均勻的目標。發明專利技術中的強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金相組織反應裝置，由水冷套1、超導磁體2、澆包3、壓射沖頭4、壓室5、液態合金6、定型7、動型8、噴嘴9、型腔10、反料沖頭11組成。該方法可以與壓力鑄造、金屬型重力鑄造、Cosworth（考斯沃斯）法鑄造、消失模鑄造、精確砂型重力鑄造、低壓鑄造及甩帶鑄造的凝固過程結合，從而可以制備性能優異的高硅鋁合金發動機缸體缸套材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種在過共晶鋁硅合金凝固過程中通過施加強磁場和變質劑細化凝固組織中初晶硅和共晶硅的方法，屬于凝固領域，其中包含有制備該種合金的裝置。
技術介紹
進入21世紀，隨著社會的進步，制造業的飛速發展，在節能、節材的要求下，各種零部件所采用的材料又進一步向著輕量化方向發展，以減輕自重、提高功率質量比為前提，從而達到高速、高效、節能和減輕污染的目的。特別是近幾年隨著汽車產業不斷地發展，人們生活水平和環境意識的提高，減輕車體重量和減少環境污染已經逐漸引起人們的關注，并被人們所重視。由于具有高強、輕質、高耐磨高耐 熱性、較低的熱膨脹性以及良好的鑄造性能和焊接性能，過共晶鋁硅合金(13 50%硅，其余為鋁)可以很好的代替傳統的鋼鐵材料，成為汽車發動機缸體、活塞部件的首選材料，以滿足汽車節能降耗的目標。但是，由于常規條件下制備的過共晶鋁硅合金中通常存在五瓣星形狀、板片狀、八面體和其他復雜形貌的粗大初晶硅和粗大共晶硅，這些分布在合金基體中的較粗大初晶硅和共晶硅，在外力作用下，易引起局部應力集中而碎裂，顯著降低了合金材料的韌性，阻礙了過共晶鋁硅合金材料的發動機行業的應用。此外，由于合金中粗大的初晶硅和共晶硅硬而脆，在機械加工過程中將加快刀具的磨損，并影響機加工后零部件的表面光整度，且隨著硅含量的提高這一問題表現更為突出，因此在汽車工業中，發動機缸體材料仍然沒有采用廣泛過共晶鋁硅合金材料。為細化過共晶鋁硅合金材料中的初晶硅和共晶硅組織，提高合金的力學性能，目前主要采用噴射成型、變質劑處理、半固態攪拌、快速凝固、電脈沖處理等方法。采用噴射成型技術，可以制備出硅含量達50%的過共晶高硅鋁合金，且初晶硅顆粒尺寸可以細化到5-10um，但噴射成型技術的成本非常高，生產效率低，且難以成型復雜的零件，同時其致密性也不高，因此采用噴射成型制備的高硅鋁合金產品尚不具市場競爭力；添加變質劑來細化過共晶鋁硅合金凝固組織的方法已在工業上廣泛應用，但一方面變質劑只能細化Si含量小于30%的Al-Si合金，且細化尺寸受到限制，一般只能將初晶硅顆粒的尺寸細化到30-50um,而對高娃招合金用于汽車發動機缸體材料、活塞材料而言,最佳的初晶娃尺寸為5-20um,因此采用變質劑處理的高硅鋁合金仍然只能應用在要求較低的場合；半固態攪拌法由于難以使整個鑄錠達到均勻的攪拌，從而使得鑄錠在各區域的細化效果區別較大，且存在偏析，同時該方法也很難應用于復雜結構的零部件；快速凝固的方法可以得到晶粒十分細小的初晶硅組織，但其最大的問題在于冷卻速度的提高必須以犧牲鑄件尺寸為代價，對于復雜鑄件和普通尺寸的鑄件均不具備適應性，工業應用成本較高；電脈沖處理在過共晶鋁硅合金凝固中具有一定的細化初晶硅的效果，但是，其細化程度仍然有限，而且無法作用于整個鑄件區域。由此可見，過共晶鋁硅合金鑄件中的初晶硅組織和共晶硅組織的尺寸控制，目前仍然缺少有效的手段。
技術實現思路
鑒于目前各類制備過共晶鋁硅合金方法中存在的一些問題，本專利技術旨在提供一種在過共晶鋁硅合金凝固過程中施加強磁場和變質劑，通過其復合效應達到細化過共晶鋁硅合金中相組織的方法和裝置。為達到上述要求，本專利技術構思如下 本專利技術通過強磁場和變質劑的復合作用來完成對該類合金凝固過程的控制。首先，在過共晶鋁硅合金凝固過程中添加變質劑，一方面，變質劑的加入能夠形成某種高熔點化合物，其晶體結構和晶格常數與初晶硅相似，可以作為初晶硅的異質核心，晶核數目的增加使得初晶硅得到細化；另一方面，吸附在初晶硅生長表面的變質劑元素有效的抑制了初晶硅的孿晶凹槽生長機制(TPRE)，并且改變了初晶硅晶體的表面能以及初晶硅晶體界面前沿的固/液界面能，從而可以很好的細化晶粒，改善初晶硅形貌。此外，在過共晶鋁硅合金熔體中添加變質劑的同時，施加一個強靜磁場。由于強靜磁場是一種能量密度很高的能量場，因 此，強靜磁場的施加可以抑制過共晶鋁硅合金凝固過程中硅的上坡擴散速率，因而可以抑制合金熔體中初晶硅相和共晶硅相的長大；另一方面，利用強磁場對導電熔體中第二相粒子運動的抑制作用，以及對導電熔體流動制動的效應，不但可以抑制熔體中初晶硅相的上浮，還可以減緩初晶硅相的碰撞凝并長大。強靜磁場的施加，還將影響α鋁相的共生過程。因此，通過強磁場和變質劑的復合作用，就可以顯著細化過共晶鋁硅合金凝固中的初晶硅和共晶硅尺寸，顯著降低成分偏析，進而顯著提升合金的韌性和力學性能。本專利技術采用下述技術方案 采用工業純鋁和結晶硅為原料，按照一定的質量百分比稱量后放入坩堝進行熔配，待其完全溶化后，加入變質劑變質，靜置一段時間使其充分反應，將變質后的合金液澆入壓鑄模事先置于超導磁體的強磁場區域中的壓鑄機中壓鑄，整套裝置稱為強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金相組織反應裝置。強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金相組織反應裝置由水冷套、超導磁體、澆包、壓射沖頭、壓室、液態合金、定型、動型、噴嘴、型腔、反料沖頭組成。超導磁體的磁感應強度可在O. l-20Tesla范圍變化；超導磁體的室溫口徑為50mm-800mm ;施加的強磁場也可采用電磁鐵技術、或比特技術、或混合磁體技術產生。將壓鑄機的壓鑄模置于超導磁體的強磁場區域中，需確保型腔中心與強磁場勻強區中心線重合，強磁場由超導技術產生，調節磁場發生裝置使磁感應強度在O. 1-20T之間；將裝有按一定質量比例分配的結晶硅和工業純鋁進行熔配，溫度控制在700-75(TC之間，待其完全熔化后加入變質劑變質，靜置20min使變質劑完全反應；將變質后的合金液通過澆包澆入壓鑄機中的壓室，澆入壓室中的合金液被已封住噴嘴孔的反料沖頭托住，當壓射沖頭向下壓到合金液面時，反料沖頭開始下降打開噴嘴，合金液壓入型腔；凝固后，關閉超導磁體，壓射沖頭退回，反料沖頭上升，切斷余料，并將其頂出壓室，余料取走后，反料沖頭再降到原位，然后開模取出過共晶鋁硅合金壓鑄件。本專利技術中，變質劑可以是磷(赤磷)和稀土 RE的復合變質，也可以是含磷中間合金和稀土 RE的復合變質，還可以是磷鹽和稀土 RE的復合變質；超導磁體產生的磁場可以是勻強磁場，也可以是梯度磁場；壓鑄模可以由無磁性不銹鋼材料制成，也可以由無磁鋼材料制成；壓鑄方式可以采用半固態壓鑄，也可以采用真空壓鑄，還可以采用充氣壓鑄技術；本專利技術既可以適用于亞共晶鋁硅合金、共晶鋁硅合金、過共晶鋁硅合金，也適用于鎂合金、銅合金、鋅合金、鎳合金以及其他鑄造或鍛造類合金系列相組織的控制；于此同時，強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金相組織反應裝置既可以與壓力鑄造的凝固過程結合，還可以與金屬型重力鑄造、Cosworth (考斯沃斯)法鑄造、消失模鑄造、精確砂型重力鑄造、低壓鑄造及甩帶鑄造的凝固過程結合，從而可以制備高硅鋁合金發動機活塞、缸體缸套及其他高強耐磨部件材料。本專利技術通過強磁場復合變質劑制備過共晶鋁硅合金，相比于現有過共晶鋁硅合金的制備技術，具有如下明顯特點和優勢 1、變質劑的加入能夠形成某種高熔點化合物，其晶體結構與初晶硅相似，晶格常數與初晶硅相近，因此可以作為初晶硅異質形核的核心，晶核數目的增加使得初晶硅得到細化； 2、吸附在Si相表面的變質劑元素有效地抑制了Si相的孿晶凹槽生長機制(TPRE)，并且改變了 Si相的表面能以及Si相界面前沿的固本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種強磁場復合變質劑細化過共晶鋁硅合金中相組織的方法，其特征是在合金凝固過程中通過強磁場和變質劑的復合作用，抑制合金中Si相的長大，減小和改善初晶硅和共晶硅的晶粒大小和形貌，從而實現晶粒細化成分均勻。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鐘云波，李甫，黃靖文，夏逢辰，陳旭，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：