專利名稱：一種消除鋁合金中針片狀富Fe相的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料的制備及鑄造成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種施加超聲振動和添 加中和劑Mn元素相結(jié)合制備含F(xiàn)e鋁合金的方法，通過改變合金中富Fe相的形貌，提高材 料的力學(xué)性能，尤其是高溫力學(xué)性能。本發(fā)明可用于鋁合金尤其是鋁硅合金零件的成形以 及鋁合金材料的回收利用。
背景技術(shù)：
Fe是鋁合金中最常見也是最有害的元素，常規(guī)鑄造工藝條件下，鋁合金尤其是鋁 硅合金中的富Fe相如β-Al5FeSi和δ-Al4FeSi2易長成粗大的針片狀，使合金的力學(xué)性能 惡化。鋁合金中Fe的來源有以下幾個方面第一，雜質(zhì)Fe，在熔煉配置鋁合金的Si等原材 料中，以及熔煉過程中使用的鐵質(zhì)工具中，都或多或少以雜質(zhì)的形式摻入了少量Fe。第二， 作為合金元素加入鋁合金中的Fe，在鋁硅合金中加入Fe以提高合金的高溫力學(xué)性能，而在 壓鑄鋁合金加入0. 7 1. 2% Fe有利于鑄件脫模。第三，殘余Fe，鋁合金零部件的使用壽 命相對較短(14年左右)，大部分鑄造鋁合金由廢料再生產(chǎn)而成，而Fe在鋁合金中具有遺傳 性，很難消除。Fe在液態(tài)Al中的溶解度較大，而在固態(tài)Al中溶解度很小(小于0. 05% )，因此Fe 主要以金屬間化合物的形式存在于鋁合金中。合金凝固過程中，F(xiàn)e原子在凝固前沿富集， 即使少量Fe也會在合金中形成硬而脆的富Fe相，其中危害最大的是針片狀的β -Al5FeSi 相。富Fe相常常易引起應(yīng)力集中，成為微裂紋的發(fā)源地，從而降低合金的力學(xué)性能，尤其是 塑性和韌性。隨著合金中Fe含量的增加，β相的開始析出溫度迅速升高，析出范圍擴(kuò)大， 生長時間延長，從而β相長的越來越粗大，對合金的危害也越大。由于Fe在固態(tài)Al中的擴(kuò)散系數(shù)很小，通過熱處理的方式減少富Fe相的有害作 用，不僅效果很微弱，而且能耗大成本高。比如β-Al5FeSi相，即使合金的固溶處理溫度接 近固相線溫度，經(jīng)過長時間的熱處理其針片狀形貌也沒有變化。工業(yè)生產(chǎn)中，由于廢料中 的Fe很難去除，常常只能通過加入新料以稀釋Fe的濃度。目前，降低鋁合金中富Fe相危 害的方法主要有加入中和元素、快速凝固和熔體過熱法，其中最為普遍的是加入中和合金 元素Mn。Mn能有效改善富Fe相形貌，使針片狀的β-Al5FeSi相轉(zhuǎn)變?yōu)閷π阅苡绊戄^小的 漢字狀A(yù)l15(Fe，Mn)3Si2。專利文獻(xiàn)CN1081720A中公開了一種含45 60% Mn的鋁合金鐵 相球化劑，可使Al-Si，Al-Cu, Al-Zn等鋁基合金中針狀鐵相轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐位蚪蛐巍ＭǔＵJ(rèn) 為，以Mn/Fe = 1/2向合金中加入Mn能獲得較好中和Fe的效果，繼續(xù)增加Mn的加入量，雖 然能進(jìn)一步降低β相的有害作用，但是生成硬度很高的多角狀初生α-Al15(Fe，MrO3Si2, 降低合金的切削加工性能。然而，即使按高的Mn/Fe加入Mn也不能完全消除β-Fe的有害 作用，而且大量Mn的加入將增加成本。另外加入Cr、Co、&、Ti等元素也對針片狀Fe相形 貌的改變有一定的作用。美國專利文獻(xiàn)6267829公布了一種減少含鐵Al-Si合金(尤其 是Al-Si-Mn-Fe合金)中初生β-Al5FeSi形成的方法。該方法通過熱分析控制富Fe相的 析出，使β相依附于先析出的六邊形Al8Fe2Si相形核，最終雙重結(jié)構(gòu)的化合物顆粒形貌由Al8Fe2Si相決定，從而改變了 β相的針狀形貌。該方法需要化學(xué)分析以對熔體中元素的活 度、實(shí)際相圖位置以及溶質(zhì)的富集程度進(jìn)行計算，這些數(shù)據(jù)和專業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合才能用于計 算合金的凝固路徑，從而控制合金凝固時相的析出。但目前還沒有開發(fā)這樣一種系統(tǒng)用于 實(shí)際鑄造條件?？焖倌谭ㄖ饕峭ㄟ^高達(dá)IO3 105°C s—1的冷卻速率，使合金中粗大富Fe相在 大過冷條件下得到有效細(xì)化。越來越多的研究者嘗試用噴射沉積的方法制備高Fe含量鋁 硅合金，以獲得晶粒細(xì)小的富Fe金屬間化合物，不僅消除針狀β相的有害作用，還可以對 基體起到很好的強(qiáng)化作用。中國專利文獻(xiàn)CN1184339C中公開了用噴射沉積制備含F(xiàn)e、Mn合 金元素的高硅Al-(16 45% ) Si合金，合金中針狀的富Fe相被顆粒狀的Al15 (Fe，Mn) 3Si2 所取代Wang等(Feng Wang, Jishan Zhang, Baiqing Xiong, Yongan Zhang. Effect of Fe and Mn additions on microstructure and mechanical properties ofspray-deposited Al-20Si-3Cu-l Mg alloy. Materials Characterization,2009(5),60(5) 384-388) ffl 過噴射沉積工藝制備的Al-20Si-5Fe-3Cu-lMg合金，其組織中針片狀的δ -Al4FeSi2和 β -Al5FeSi相在3 8 μ m左右，所得合金配合擠壓成形工藝得到的零件具有高的室溫和高 溫強(qiáng)度。但是噴射沉積工藝設(shè)備昂貴，成本高，工藝復(fù)雜難控制，大大制約了其工業(yè)化應(yīng)用。以上各種消除富Fe相有害作用的方法都還存在不足之處，仍需提出新的消除富 Fe相有害作用并發(fā)揮其對合金性能積極作用的技術(shù)，以便簡化工藝、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)規(guī) ?；I(yè)生產(chǎn)，使鋁合金零部件的生產(chǎn)及其回收利用不再被限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種消除合金中針片狀富Fe相的方法，采用該方法可以 消除鋁合金中針片狀Fe相的有害作用，改善合金的組織和性能。本發(fā)明提供的消除鋁合金中針片狀富Fe相的方法，其特征在于，該方法包括下述 步驟第1步根據(jù)待處理的鋁合金中的Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Hi1，令m2為加入的Mn與待處理 的鋁合金中Fe的質(zhì)量比，則按下述比例配置鋁合金材料，當(dāng) IH1 < 1. 5%時，0 < m2 < 0. 2，當(dāng) 1. 5 < Hi1 < 5%時，0. 2 ^ m2 ^ 0. 4 ；再將配置好的材料加入熔煉爐中進(jìn)行熔煉；第2步在合金熔煉的同時，將盛漿容器預(yù)熱至液相線溫度以下5 50°C ；第3步將熔煉好的上述金屬液體倒入預(yù)熱后的盛漿容器中，再將金屬液體降溫至 液相線溫度以上0 40°C ；第4步將超聲振動頭降至金屬液體的液面以下1 25mm處，進(jìn)行超聲振動，超聲 頻率為12kHz 80kHz，超聲振動體積功率為5W/cm3 100W/cm3，所述體積功率為超聲振動 功率與所振動的液體體積之比；超聲振動采用脈沖振動，脈沖振動中的脈沖時間與非脈沖 時間之比為0. 5 6 ；在振動的同時冷卻金屬熔體，冷卻速度為0. 1 3°C /s ；第5步在超聲振動0. 2 8分鐘后停止超聲振動，超聲振動停止后，熔體溫度控制 在液相線溫度以下5 50°C。本發(fā)明方法通過對含F(xiàn)e鋁合金液施加直接接觸的高能超聲振動和加入合金 元素Mn相結(jié)合，并施加一定速度的冷卻，在較短時間內(nèi)可將針狀片的富Fe相(尤其是
4β -Al5FeSi相)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小塊狀或顆粒狀Fe相，從而消除了 Fe相的有害作用，并保留了 Fe 相提升合金高溫性能的作用。本發(fā)明方法采用高能超聲振動可將較低Fe含量(< 1. 5% ) 合金中針片狀富Fe相基本消除，高能超聲振動和少量合金元素Mn相結(jié)合，可將Fe含量為 1. 5 5%的鋁合金中針片狀富Fe相消除，即通過超聲波振動使大部分針片狀Fe相消除， Mn的加入進(jìn)一步使殘余針片狀Fe相消除。本方法所需設(shè)備和工藝操作簡單，時間短，提高 了生產(chǎn)效率，降低了成本。具體而言，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(1)利用以上方法可以高效快捷的消除Fe含量為0.2 5%鋁合金中的針片狀富 Fe相，適用于鋁合金，尤其是鋁硅合金。(2)超聲振動和Mn元素相結(jié)合使針狀片狀富Fe相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小塊狀或顆粒狀，既消 除了富Fe相對合金力學(xué)性能的有害作用，同時也使Fe相的高溫穩(wěn)定性能得到發(fā)揮。(3)超聲振動對針片狀富Fe相形貌的改變具有很強(qiáng)的作用，使Mn的加入量大幅降 低或不加，降低了成本。(4)本發(fā)明方法工藝簡單，所需的設(shè)備簡單，易和傳統(tǒng)成形工藝設(shè)備相結(jié)合。


圖1為本發(fā)明方法超聲振動處理含F(xiàn)e鋁合金液具體實(shí)施方式
一種裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖2為Al-20Si-2Cu_0. 4Mg_l. ONi-1. 3Fe過共晶鋁硅合金金相組織，其中(a)超 聲振動3min，(b)超聲振動Omin ；圖 3 為超聲振動 2min 和 0. 5% Mn 共同作用制備 Al-20Si-2Cu_0. 4Mg_l. ONi-2. OF e-0. 5Mn過共晶鋁硅合金鑄態(tài)金相組織；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的內(nèi)容包含提出一種通過高能超聲振動和加入Mn元素相結(jié)合消除含F(xiàn)e鋁 合金中針片狀富Fe相的方法。該方法為，在液相線溫度附近向含F(xiàn)e鋁合金中導(dǎo)入高能超聲 振動0. 2 8分鐘，超聲振動作用產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)在合金熔體中引起強(qiáng)對流，使熔 體中溫度場和溶質(zhì)濃度場均勻化，大大降低了合金凝固前沿Fe原子的富集程度，抑制了針 片狀β-Al5FeSi相的析出，使Fe相主要以塊狀δ-Al4FeSi2相或漢字狀α-Al8Fe2Si析出。 當(dāng)合金中Fe含量較高時1. 5% )，由于Fe在液態(tài)Al中的溶解度大大小于其含量，即使 超聲振動使得Fe原子在金屬液中均勻分布，但其相對濃度仍較高。對Fe含量較高的鋁合 金施加一定時間的超聲振動后，合金中仍析出少量針片狀P-Al5FeSi相，通過加入少量合 金元素Mn可以消除殘余針狀β相。采用本發(fā)明方法，可在較短時間內(nèi)使含(0.2 5%) Fe合金中針片狀Fe相轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀或顆粒狀Fe相，效率高，工藝簡單。此外，采用本發(fā)明方 法使鋁合金對Fe的容許度增大，鋁合金廢料的回收利用更容易，由于Mn的加入量少，成本 降低。下面通過實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā)明的 保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。要實(shí)現(xiàn)本發(fā)明工藝過程需準(zhǔn)備施加超聲振動于金屬熔體的裝置。該裝置的一種結(jié) 構(gòu)如圖1所示，它包括盛漿容器5、承載臺1、超聲發(fā)生及控制單元、溫度控制單元、升降單兀。盛漿容器5由耐熱鋼或陶瓷等耐熱材料制成，置于承載臺1上，用于盛放金屬液， 接受超聲振動作用。超聲發(fā)生及控制單元用于對盛漿容器5中的金屬熔體施加超聲振動并控制所施 加超聲振動的頻率、功率和振動時間等，它包括超聲發(fā)生控制器7和依次連成一體的換能 器8、變幅桿9和超聲振動頭10，超聲振動頭10安裝在變幅桿9上，變幅桿9通過換能器8 與超聲發(fā)生控制器7電氣連接；超聲振動頭10位于盛漿容器5中軸線上方，施加超聲振動 時，超聲振動頭10浸入金屬液液面以下并傳遞超聲振動作用。超聲振動頭10端部可以是 平底，也可以是半球形，在其它條件相同的情況下半球形效果更佳。制備輻射頭的材料可以 是鋼，也可以是鈦合金或其它材料；換能器8可為壓電式或磁致伸縮式；溫度控制單元包括溫度控制儀2、加熱爐4和熱電偶3。加熱爐4、熱電偶3分別與 溫度控制儀2電氣連接，加熱爐4套在盛漿容器5外，通過溫度控制儀2控制加熱爐4的溫 度，從而實(shí)現(xiàn)盛漿容器5中金屬熔體溫度和冷卻速度的準(zhǔn)確控制。升降單元包括加熱爐升降控制器12和超聲振動頭升降控制器13及導(dǎo)桿11，分別 用于控制加熱爐4和超聲振動頭10在施加超聲過程中的升降。實(shí)例1利用超聲振動處理Al-20Si_2. OCu-O. 4Mg_l. ONi-1. 3Fe 高硅鋁合 金(所述各合金成分含量均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)，并于金屬模具中成形。 Al-20Si-2. OCu-O. 4Mg-l. ONi-1. 3Fe高硅鋁合金的液相線溫度為700°C左右，固相線溫度 為535°C。將配置好的高硅鋁合金在熔煉爐內(nèi)熔化并升溫至850°C，精煉、除氣后備用。利 用溫度控制裝置將合金液溫度保持在780°C左右。取適量合金液，倒入盛漿容器5中，利用 溫度控制裝置將合金液溫度控制在720°C，熔體冷卻速度為0. 1 3°C /s。將超聲振動頭10降至盛漿容器5內(nèi)合金液面以下15mm處，同時開啟超聲振動。超 聲振動頻率為25kHz，振動體積功率為50W/cm3，振動時間為3min。通過調(diào)溫單元使合金熔 體的溫度在超聲振動停止后控制在680°C 690°C并澆入金屬型模具中，成形為零件，其試 樣組織如圖2(a)。為了比較超聲振動的效果，于820°C液態(tài)澆注無超聲振動處理合金，其試 棒組織如圖2(b)。經(jīng)超聲處理后，合金中長針狀的β-Al5FeSi相轉(zhuǎn)化為尺寸和初晶Si顆 粒相近的顆粒狀δ-Al4FeSi2相。實(shí)例2采用AOO號純Al錠、純Ni (99. 9 %，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、純Cu (99. 99 % )、純 Mg(99.9%)JiFe(99.9%)、Al-25.8% Si中間合金和Al-10% Mn中間合金為原材料配制 Al-20Si-2. OCu-O. 4Mg_l. ONi-2. OFe-O. 5Mn 高硅鋁合金，其中 Mn/Fe = 0. 25。該高硅鋁合 金的液相線溫度為702°C，固相線溫度為535°C。將合金在加熱爐內(nèi)熔化并升溫至850°C，精 煉、除氣后備用。利用溫度控制裝置將合金液溫度保持在780°C左右。取適量合金液，倒入 盛漿容器5中，利用溫度控制裝置將合金液溫度控制在720V，熔體冷卻速度為0. 1 ;TC /
So將超聲振動頭10降至盛漿容器5內(nèi)高硅鋁合金液面以下20mm處，同時開啟超聲 振動。超聲振動頻率為25kHz，振動體積功率為50W/cm3，振動時間為2min。通過調(diào)溫單元 使合金熔體的溫度在超聲振動停止后控制在680°C 690°C并澆入金屬型模具中，成形為零件，其鑄態(tài)組織如圖3。處理后的合金中，針狀β-Al5FeSi相基本消除，其在300°C時的 抗拉強(qiáng)度為154MPa，比未經(jīng)超聲處理合金提高36. 3%。實(shí)例3采用AOO 號純 Al 錠、純 Ni (99. 9 % )、純 Cu (99. 99 % )、純 Mg (99. 9 % )、純 Fe (99. 9% A1-25. 8% Si中間合金和A1-10 % Mn中間合金為原材料配制Al_20Si_2. OC u-0. 4Mg-l. ONi-5. OFe-1. 5Mn鋁合金，其中Mn/Fe = 0. 3。該高硅鋁合金的液相線溫度為 710°C，固相線溫度為535°C。將合金在加熱爐內(nèi)熔化并升溫至870°C，精煉、除氣后備用。利 用溫度控制裝置將合金液溫度保持在780°C左右。取適量合金液，倒入盛漿容器5中，利用 溫度控制裝置將合金液溫度控制在730°C，熔體冷卻速度為0. 1 3°C /s。將超聲振動頭10降至盛漿容器5內(nèi)高硅高Fe鋁合金液面以下15mm處，同時開啟 超聲振動。超聲振動頻率為20kHz，振動體積功率為70W/cm3，振動時間為4min。通過調(diào)溫 單元使合金熔體的溫度在超聲振動停止后控制在685°C 695°C并澆入金屬型模具中，成 形為零件。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以，凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種消除鋁合金中針片狀富Fe相的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步根據(jù)待處理的鋁合金中的Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)m1，令m2為加入的Mn與待處理的鋁合金中Fe的質(zhì)量比，則按下述比例配置鋁合金材料，當(dāng)m1＜1.5％時，0≤m2＜0.2，當(dāng)1.5≤m1≤5％時，0.2≤m2≤0.4；再將配置好的材料加入熔煉爐中進(jìn)行熔煉；第2步在合金熔煉的同時，將盛漿容器預(yù)熱至液相線溫度以下5～50℃；第3步將熔煉好的上述金屬液體倒入預(yù)熱后的盛漿容器中，再將金屬液體降溫至液相線溫度以上0～40℃；第4步將超聲振動頭降至金屬液體的液面以下1～25mm處，進(jìn)行超聲振動，超聲頻率為12kHz～80kHz，超聲振動體積功率為5W/cm3～100W/cm3，所述體積功率為超聲振動功率與所振動的液體體積之比；超聲振動采用脈沖振動，脈沖振動中的脈沖時間與非脈沖時間之比為0.5～6；在振動的同時冷卻金屬熔體，冷卻速度為0.1～3℃/s；第5步在超聲振動0.2～8分鐘后停止超聲振動，超聲振動停止后，熔體溫度控制在液相線溫度以下5～50℃。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬的制備及鑄造成形技術(shù)領(lǐng)域，公開一種施加超聲振動和添加合金元素Mn相結(jié)合制備含F(xiàn)e鋁合金、消除針狀富Fe相的方法。當(dāng)鋁合金中Fe的含量為1.5％～5％時，在合金熔煉過程中按Mn/Fe＝0.2～0.4加入合金元素Mn。將高于液相線溫度0～40℃的過熱鋁合金液澆入到預(yù)熱至預(yù)設(shè)溫度的盛漿容器內(nèi)，降下超聲振動頭至金屬液面以下1～25mm，同時啟動超聲振動。超聲振動時間為0.2～8min，振動結(jié)束后，金屬熔體溫度控制在液相線溫度以下5～50℃。振動后的金屬熔體成形得到的鋁合金零件，組織中富Fe相為細(xì)小塊狀和顆粒狀，合金的高溫力學(xué)性能大幅提高，塑性韌性增強(qiáng)。本發(fā)明可用于鋁合金尤其是鋁硅合金零件的成形以及鋁合金材料的回收利用。
文檔編號B22D1/00GK101899634SQ20091027292
公開日2010年12月1日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者萬里, 吳樹森, 安萍, 毛有武, 鐘鼓 申請人:華中科技大學(xué)