專利名稱：一種鋁硅合金鑄件及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁硅合金鑄件及制備方法，更確切地說是采用我國鋁土礦，先經(jīng)除鐵，並用氧化鋁等輔助原料調整成份，再用電解法還原出低鈦鋁硅合金，然后，在混鋁爐中調整化學成份。利用電解鋁硅合金特有的自變質性質，即使少加或不加變質劑，即可獲得顯微組織均勻、硅相呈變質態(tài)的高韌、高塑、高強鑄件。
背景技術：
鑄造鋁硅合金廣泛應用于航空、交通運輸、汽車、電力等行業(yè)。鑄造車間根據(jù)鑄件成份要求和原材料供應情況進行配料，通常包括回爐料、切屑、中間合金以及新合金錠等。爐料熔清、過熱后，再經(jīng)過鈉或鍶變質處理才可澆成組織細小的高性能鑄件。
目前，鋁硅合金錠全世界皆采用純金屬熔配法生產(chǎn)，即先生產(chǎn)出電解鋁、鎳、銅、鎂和錳等純金屬。然后，熔配各種鋁基中間合金。再根據(jù)合金成分要求將各種鋁基中間合金及純鋁錠熔配成具有一定成分的各種鋁合金，最后，澆成鑄錠。這些生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別在不同的工廠生產(chǎn)。因之，產(chǎn)品成本高，生產(chǎn)周期長，運輸量大。能否在電解槽中直接電解出鋁硅合金，就成為百余年來冶金學家奮斗的目標，也是降低鑄件生產(chǎn)成本的第一道關隘。
上世紀七、八十年代國際上發(fā)表了許多有關電解槽中直接電解鋁硅合金的論文和專利。1972年捷克學者Fellner等人提出了在普通鋁電解槽中生產(chǎn)鋁硅合金的專利申請。在電解質體系中添加Al2O3和SiO2的混合物，可以電解生產(chǎn)鋁硅合金。調整Al2O3和SiO2的配比可以獲得不同硅含量的合金(Fellner捷克專利，No155971，1974 08 23)。1973年前蘇聯(lián)Р.В.Чернов等人申請了制取鋁硅合金用的電解質方面的專利。涉及內容是，電解質含有(質量分數(shù)，％)冰晶石0.5～70，硅氟酸鈉5.0～25.0，氟化鈉0.5～5.0，氯化鈉為剩余量時，可以制取鋁硅合金(Р.В.Чернов，Н.Н.Сторчак，В.М.Мошненко蘇聯(lián)專利，486076，1976 1 12)。1978年另一位前蘇聯(lián)學者З.Н.Ануфриева等人又提出了制取鋁硅合金用的電解質的專利申請，確定其基本成分包括NaF、AlF3、Al2O3和SiO2。其組成為(質量分數(shù)，％)AlF329-37，CaF21-7，MgF21-5，KF0.5-6，LiF1-5，Al2O35-7，SiO20.1-0.5，余量為NaF(З.Н.Ануфриева，З.Н.Балашова，Л.С.Баранова蘇聯(lián)專利，9183361982年4月7日)。1976年，前蘇聯(lián)學者В.Н.Сенин等人提出了制取鋁硅合金用的電解質專利申請，涉及的組成為(質量分數(shù)，％)NaF52.8-58.7，AlF339.1-45.0，Al2O30.3-3.5，和SiO20.24-0.38(В.Н.Сенин，Э.Б.Фролова，Р.Г.Лещинский蘇聯(lián)專利，5543191977 4 15)。1975年美國C.McMinn和A.T.Tabereaux申請了在鋁電解槽中加入石英砂生產(chǎn)鋁硅合金的專利(C.J.McMinn，A.T.Tabereaux美國專利C25C36/3，，US 3 980 537，1975 10 3，西德專利DT2641304，A1 1977 4 14))。波蘭Z.Orman於1976年發(fā)表文章(Rudy Met.Niezelaz，21(1976)(5)162-164)，報導了用波蘭本土的原料從Na3AlF6-Al2O3-SiO2熔體中電解出鋁硅合金的可行性。所用的SiO2原料是生產(chǎn)玻璃或生產(chǎn)氟化鹽的廢料，這些廢料價格低廉，在冰晶石中溶解，適合于生產(chǎn)鋁硅合金。
上述各專利有兩亇工藝問題未能得到解決。其一，硅由SiO2還原后，電解質中Al2O3的相對含量隨之增加，因而電解質中氧化物總量必須及時調整。此奌難以做到。其二，加入電解槽中的SiO2溶解較慢，容易在槽底產(chǎn)生沉淀，影響電解過程。因此，這些工藝皆未能投入大量生產(chǎn)。
我國鋁土礦95％以上是化學性能穩(wěn)定的一水硬鋁石型，化學組成具有高鋁、高硅、高鈦、低鐵的特點。這種礦石用拜耳法工藝制取氧化鋁存有弊端，卻易于用酸法除鐵。能否發(fā)揮我國礦產(chǎn)資源的優(yōu)勢，避開劣勢，以除鐵鋁土礦為主要原料生產(chǎn)鋁硅合金？就成為我國冶金界關注的一亇焦點。有關研究要追索到1960年。當時有些小型電解鋁廠為解決氧化鋁供應嚴重短缺的問題，用鋁土礦粉代替氧化鋁進行電解。一般將塊狀礦石在簡易立窯中煅燒后，破碎，磨粉，不經(jīng)任何處理，不控制組成，不排除雜質，就加入電解槽中。這些粉料不易溶解在電解質中，在槽底沉淀；有些還帶進大量水分，造成電解質大量揮發(fā)。這種工藝的電流效率低，原材料消耗高，環(huán)境污染嚴重。合金含鐵量高達2-3％，機械性能極差，應用范圍很受限制。八十年代前后，我國學者也對電解鋁硅合金過程進行不少理論探討(邱竹賢等Formation ofAl-Si Alloys by Electrolysis and by Thermal Reduction of Silica inCryolite-Alumina Melts.Aluminium.63(1987)(12)1247-1250)九十年代鄭州輕金屬研究院楊冠群等人獲得了一項“用電解法生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金”的專利(楊冠群、顧松青、田庚有、李求成用電解法生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金中國專利ZL 941162356，1994年9月28日)。它是以我國含鋁、硅、鈦和鐵的鋁土礦作為原料，這種鋁礦物較容易溶于電解質，用常規(guī)酸法除鐵并調整成份后加入電解槽進行電解，生產(chǎn)含鈦的鋁硅合金。該專利合金成份范圍為(質量分數(shù)、％)鋁82-97，硅2.0-15.0，鈦0.1-3.0，鐵0-0.6，鋯、釩、鉀、鈉、稀土之和0-0.5。用這種合金生產(chǎn)的鑄件，例如發(fā)動機活塞具有較高的耐磨性。有些含硅量較低的鋁硅鈦合金具有較高的塑性，可以壓延成型材。但其化學成份有別于國家或國際的常用牌號，不便直接用于生產(chǎn)。此外，鈦量較高時，生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，合金成份波動較大。這些工藝問題有待解決。

發(fā)明內容
當前，我國汽車及交通運輸行業(yè)蓬勃發(fā)展，需要提供成本低、強度大、韌性高的共晶和亞共晶鋁硅合金以滿足大量生產(chǎn)汽車和發(fā)動機零件的要求。本發(fā)明的目的在于提供一種鋁硅合金鑄件及其制備生產(chǎn)方法，它涉及一種具有成本低、生產(chǎn)流程短、力學性能優(yōu)異、又充分利用我國礦產(chǎn)資源、符合環(huán)保要求的鋁硅合金，為提高鑄件質量提供一條新途徑。
本發(fā)明提供的鋁硅合金化學成份為(質量百分數(shù)、％)Si4.0-13.0，Mg0.25-0.70，Cu0.5-2.0，Mn0.2-0.9，Ni0.5-1.5，Ti0.08-0.10，F(xiàn)e0.10-0.60、Sr＜0.003，其余為鋁。
所述的鋁硅合金是通過下述制備方法實施的1.電解低鈦鋁硅合金錠的制備a.采用我國鋁土礦作為原材料。先進行常規(guī)酸法除鐵及煅燒。除鐵并煅燒后的礦粉化學組成為(質量百分數(shù)、％)氧化鋁(Al2O3)30-92氧化硅(SiO2)4-60氧化鈦(TiO2)0.5-5.0
氧化鐵(Fe2O3)0-0.6其它氧化物0-2.0b.將上述原材料用工業(yè)氧化鋁進行成分調整，在電解槽中電解，生產(chǎn)鋁硅合金。所用的電解質配比為(質量百分數(shù)、％)冰晶石(Na3AlF6)40-98冰晶石分子比(NaF∶AlF3分子比)2.2-3.2氧化鋁、氧化硅等氧化物總量(Al2O3、SiO2等)2-10氟化鎂(MgF2)0-10氟化鈣(CaF2)0-10氟化鋰(LiF)0-30氯化物(NaCl、KCl等)0-10c.在混鋁爐中添加鋁基中間合金，例如Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ni、Al-Mg等中間合金，調整合金成份Si、Cu、Mn、Ni、Mg等含量。
電解鋁硅合金錠具有自變質顯微組織(王汝燿，魯薇華，Hogan L.MSelf-modification in direct electrolytic Al-Si alloys and its structural inheritanceMaterials Science and Technology A348(2003)289-298)。硅相、鈦相、鐵相細小、彎曲，並且有大量初生枝晶鋁相(附圖1)。錠中心厚、大部位和邊緣部位組織均勻，無明顯差別。
2.鋁硅合金鑄件的制備擬采用下述3種方法中任意中任一種a.電解鋁硅合金錠用電阻爐、油爐或燃氣爐熔化、過熱至700-720℃后，經(jīng)氮氣或六氯乙烷或無毒精煉劑除氣，靜置，即可澆鑄。電解鋁硅合金錠顯微組織具有遺傳性，重熔1-2次，組織仍處于變質狀態(tài)，不需加入或只需加入少量變質劑，例如鍶或鋁鍶中間合金。這樣，一方面降低了鑄件成本，另一方面鑄件避免了由于加入多量鍶或其它變質劑出現(xiàn)的疏松，從而提高了鑄件的韌性和強度。
b.或電解鋁硅合金錠占爐料三分之一，其余為回爐料和切屑時，爐料經(jīng)熔清、過熱、除氣后，不加入或加入少量變質劑，例如鍶或鋁鍶中間合金，即可澆鑄。鑄件組織仍然保持變質狀態(tài)，具有良好的韌性和強度。
c.或電解鋁硅合金在混鋁爐經(jīng)除氣后，直接運往鑄造車間澆鑄鑄件。此時熔體具有強烈的變質能力，不需要添加變質劑，並且可以獲得變質組織均勻的厚大鑄件。這種生產(chǎn)鏈省去鋁廠鑄錠和鑄造廠熔化爐料兩亇環(huán)節(jié)，充分利用了熱能，減少了合金燒損，大約每噸合金節(jié)省1000元。


圖1由本發(fā)明提供的鋁硅合金ZL101鑄錠變質態(tài)金相組織。500X圖2由本發(fā)明提供的鋁硅合金ZL101合金一次重熔鑄件變質態(tài)金相組。100X圖3混合爐料(電解ZL101合金占全部爐料三分之一)鑄件變質態(tài)金相組織。鑄件鐵含量0.16％。500X圖4混合爐料(電解ZL101合金占全部爐料三分之一)鑄件變質態(tài)金相組織。鑄件鐵含量0.27％。100X圖5由本發(fā)明實施例提供的鋁硅合金ZL102合金壓鑄件變質態(tài)金相組。500X圖6常規(guī)ZL102合金壓鑄件金相組織500X具體實施方式
下面通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明的實質特奌和顯著的進步，但本發(fā)明決非僅局限于實施例。
實施例1電解鋁硅合金錠化學成份為(質量百分數(shù)，％)Si7.11，Mg0.32，Ti0.10，F(xiàn)e0.12，Sr0.002。電阻爐熔化，升溫至720℃，用氮氣除氣。加入少量Al-10Sr中間合金，以保證合金含鍶量在0.02-0.003％范圍內。靜置10分鐘后，進行低壓澆鑄汽車輪轂。然后，進行T6熱處理。鑄態(tài)輪轂金相組織具有較多的初生枝晶鋁相，硅相細小呈變質態(tài)(附圖2)。熱處理后硅相團、球化。輪轂強度超過常規(guī)合金輪轂30％，而伸長率仍在11％左右(見表1)。
表1 電解鋁硅合金和常規(guī)鋁硅合金輪轂的力學性能對比

實施例2電解鋁硅合金錠化學成份為(質量百分數(shù)，％)Si7.24，Mg0.36，Ti0.11，F(xiàn)e0.11，Sr0.002。工業(yè)條件下進行大量生產(chǎn)汽車輪轂。電解鋁硅合金錠占爐料三分之一，其余為常規(guī)輪轂回爐料和切屑。用煤氣爐熔化爐料，在電阻爐中過熱至720℃，用氮氣除氣，加入少量Al-10Sr中間合金進行變質處理。靜止10分鐘后，用金屬型澆鑄輪轂。然后，進行熱處理(固溶溫度530℃，時效溫度130℃)。輪轂化學成份為(質量分數(shù)，％)Si6.80，Mg0.30，Ti0.10，F(xiàn)e0.16，Sr0.002。鑄態(tài)輪轂各部位金相顯微組織得到充分變質。熱處理后硅相呈細小團、球狀，輪軸初生枝晶鋁相較粗大(附圖3)。表2對比了電解鋁硅合金和常規(guī)鋁硅合金的力學性能。盡管電解鋁硅合金鐵含量質量分數(shù)高達0.16％，它的伸長率和強度仍然超過常規(guī)合金。它的輪轂彎曲疲勞和沖擊韌性也遠高于常規(guī)材料的指標。電解鋁硅合金輪轂的疏松廢品少得多。電解鋁硅合金具有明顯的優(yōu)越性是自變質性能的反映，也是減少鍶變質劑加入量的結果。電解鋁硅合金占爐料的三分之一就顯現(xiàn)出它的優(yōu)奌。這就為生產(chǎn)中應用電解鋁硅合金提供了一個有利的條件。
表2 電解鋁硅合金和常規(guī)鋁硅合金的力學性能對比

*彎曲力矩3000N-m。疲勞壽命用出現(xiàn)疲勞裂紋的旋轉次數(shù)來衡量。
**沖擊韌性用承受沖擊載荷(落錘下落高度×錘重)而不破壞的能力來衡量。
實施例3電解鋁硅合金錠化學成份為(質量分數(shù)，％)Si7.24，Mg0.36，Ti0.11，F(xiàn)e0.27，Sr0.002。工業(yè)條件下進行大量汽車輪轂的生產(chǎn)。電解鋁硅合金錠占爐料三分之一，其余為常規(guī)輪轂回爐料和切屑。其它生產(chǎn)工藝同實施例2。輪轂化學成份為(質量百分數(shù)，％)Si7.10，Mg0.30，Ti0.10，F(xiàn)e0.27，。Sr0.003。內中鐵含量超出允許值(0.20％)。鐵相仍呈彎曲細小條狀，尺寸增大(附圖4)。此時，合金沖擊韌性雖略有下降，而輪轂沖擊韌性仍高于常規(guī)輪轂(表3)。說明采用電解鋁硅合金時，鐵量可以稍許放寬些。
表3 高鐵電解鋁硅合金和常規(guī)鋁硅合金的力學性能對比

實施例4共晶電解鋁硅合金錠化學成份為(質量分數(shù)，％)Si12.1，Ti0.11，F(xiàn)e0.50。這種合金顯微組織得到充分變質。初生枝晶鋁相高達45％，硅相細小彎曲。鐵相呈細小彎曲片狀，盡管含鐵量達到0.5％。該合金用于工業(yè)條件下進行大量生產(chǎn)壓鑄摩托車缸體。用電阻爐熔化電解鋁硅合金爐料，升溫至700℃，用無毒精煉劑除氣。靜置10分鐘后，開始澆注壓鑄件，並用金屬型澆注力學性能試樣。試樣進行T6熱處理。與常規(guī)同樣成份的鋁合金相比較，電解鋁硅合金壓鑄件顯微組織異常細小，有大量初生鋁相，硅相細小彎曲(附圖5、6)。鑄態(tài)或熱處理態(tài)電解鋁硅合金皆具有較高的塑性或強度(表4、5)。
表4 對比電解，常規(guī)鑄態(tài)共晶合金機械性能

表5 對比電解，常規(guī)熱處理態(tài)共晶合金機械性能

權利要求
1.一種鋁硅合金鑄件，其特征在于所述鋁硅合金鑄件的質量百分數(shù)為Si4.0-13.0％，Mg0.25-0.70％，Cu0.5-2.0％，Mn0.2-0.9％，Ni0.5-1.5％，Ti0.08-0.10％，F(xiàn)e0.10-0.60％，Sr＜0.003％，其余為鋁。
2.按權利要求1所述的鋁硅合金鑄件，其特征在于所述的鑄件保持細小彎曲變質態(tài)硅相，且具有大量的枝晶狀初生鋁相。
3.制備如權利要求1所述的鋁硅合金鑄件的方法，其特征在于包括電解低鈦鋁硅合金錠的制備和鋁硅合金鑄件制備兩大步驟A.電解低鈦鋁硅合金錠的制備(1)采用鋁土礦作原料，經(jīng)常規(guī)酸法除鐵和煅燒，其質量百分組成為Al2O330-92％，SiO24-60％TiO20.5-5.0％， Fe2O30-0.6％其它氧化物0-2.0％；(2)將上述原料用工業(yè)氧化鋁進行成份調整在電解槽中電解，制備鋁硅合金；(3)在混鋁爐中添加Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Nl、Al-Mg等甲間合金，調整合金成份中Si、Cu、Mn、Ni、Mg含量，使之符合權利要求1所述的鋁硅合金的含量的電解鋁硅合金錠；B.鋁硅合金鑄件的制備采用下述五種方法中任意一種(1)將步驟A制備的鋁硅合金錠加熱至700-720℃，熔化后，經(jīng)除氣，加入鍶或鋁鍶中間合金進行變質處理，靜置后澆鑄，并進行熱處理；(2)將步驟A制備的鋁硅合金錠加熱至700-720℃熔化后，經(jīng)除氣、靜置后澆鑄，并進行熱處理；(3)三分之一爐料采用步驟A制備的鋁硅合金錠，其余為回爐料和切屑，該爐料經(jīng)熔清、過熱、除氣后，加入鍶或鋁鍶中間合金進行澆鑄、熱處理；(4)三分之一爐料采用步驟A制備的鋁硅合金錠，其余為回爐料和切屑，該爐料經(jīng)熔清、過熱、除氣后進行澆鑄、熱處理；(5)將步驟A中(3)電解鋁硅合金在混鋁爐中除氣后，直接澆鑄鑄件、熱處理。
4.按權利要求3所述的鋁硅合金鑄件的制作方法，其特征在于熔化后經(jīng)氮氣、六氯乙烷或無毒精煉劑進行除氣的。
5.按權利要求3所述的鋁硅合金鑄件的制作方法，其特征在于鋁硅合金錠是用電阻爐、油爐或氣爐熔化，并可重熔1，2次。
6.按權利要求3所述的鋁硅合金鑄件的制作方法，其特征在于加入的變質劑為Al-10Sr中間合金。
7.按權利要求3所述的鋁硅合金鑄件的制作方法，其特征在于熱處理為T6熱處理，熱處理后硅相團、球化。
8.按權利要求3所述的鋁硅合金鑄件的制作方法，其特征在于步驟A制備的電解低鈦鋁硅合金錠中心厚、大部位和邊緣部位組織均勻。
全文摘要
本發(fā)明涉及用電解鋁硅合金制造鑄件及制備方法，更確切地說是以除鐵鋁土礦粉為主要原料，用氧化鋁等輔助原料調整成份，再用電解法生產(chǎn)低鈦鋁硅合金，然后，在混鋁爐中調整化學成份，再經(jīng)過除氣處理即可澆注鑄件或錠。也可以在爐料中只加入三分之一左右的電解鋁硅合金錠，將爐料熔清，過熱，除氣，加入少量或不加鍶/鈉變質劑，然后澆注鑄件。這類鑄件充分利用電解鋁硅合金特有的自變質結晶性質，顯微組織均勻，硅相呈變質態(tài)，有大量枝晶狀初生鋁相。因之，它的韌性、塑性和強度皆優(yōu)于常見同類鑄件。本發(fā)明充分利用我國礦產(chǎn)資源，揚長避短，發(fā)揮優(yōu)勢，從而減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高了產(chǎn)品質量，降低了能耗，節(jié)省了成本，改善了生態(tài)環(huán)境。
文檔編號C22C1/06GK1936052SQ20061011725
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權日2006年10月18日
發(fā)明者王汝燿, 楊冠群, 焦占忠, 楊升 申請人:東華大學